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本帖最后由 j_ming 于 2025-8-14 14:26 编辑
验证矩阵为“0和幻方”
矩阵是一个8×8矩阵,如下所示: -35, -24, 23, -21, 36, 42, -56, 35 14, 15, 14, -5, -14, 7, -14, -17 -9, 35, -7, 6, -7, -17, 7, -8 -21, 56, -14, -1, -7, -7, 7, -13 63, -49, -31, -45, 43, 7, 42, -30 -14, -16, 14, 13, 21, -15, -17, 14 -21, 11, 28, 28, -28, 5, -21, -2 23, -28, -27, 25, -44, -22, 52, 21
“0和幻方”的定义是:一个方阵中,每行、每列和两条对角线(主对角线和反对角线)的和均等于0。验证如下: 所有行和均为0:
第1行:−35+(−24)+23+(−21)+36+42+(−56)+35=0 第2行:14+15+14+(−5)+(−14)+7+(−14)+(−17)=0 第3行:−9+35+(−7)+6+(−7)+(−17)+7+(−8)=0 第4行:−21+56+(−14)+(−1)+(−7)+(−7)+7+(−13)=0 第5行:63+(−49)+(−31)+(−45)+43+7+42+(−30)=0 第6行:−14+(−16)+14+13+21+(−15)+(−17)+14=0 第7行:−21+11+28+28+(−28)+5+(−21)+(−2)=0 第8行:23+(−28)+(−27)+25+(−44)+(−22)+52+21=0
所有列和均为0:
第1列:−35+14+(−9)+(−21)+63+(−14)+(−21)+23=0 第2列:−24+15+35+56+(−49)+(−16)+11+(−28)=0 第3列:23+14+(−7)+(−14)+(−31)+14+28+(−27)=0 第4列:−21+(−5)+6+(−1)+(−45)+13+28+25=0 第5列:36+(−14)+(−7)+(−7)+43+21+(−28)+(−44)=0 第6列:42+7+(−17)+(−7)+7+(−15)+5+(−22)=0 第7列:−56+(−14)+7+7+42+(−17)+(−21)+52=0 第8列:35+(−17)+(−8)+(−13)+(−30)+14+(−2)+21=0
主对角线和为0(从左上到右下:位置(1,1)到(8,8)):
元素:−35,15,−7,−1,43,−15,−21,21 和:−35+15=−20; −20+(−7)=−27; −27+(−1)=−28; −28+43=15; 15+(−15)=0; 0+(−21)=−21; −21+21=0
反对角线和为0(从右上到左下:位置(1,8)到(8,1)):
元素:35,−14,−17,−7,−45,14,11,23 和:35+(−14)=21; 21+(−17)=4; 4+(−7)=−3; −3+(−45)=−48; −48+14=−34; −34+11=−23; −23+23=0
所有条件均满足,因此该矩阵是一个0和幻方。
探讨唯一性(限制在原矩阵的64个元素下,且整体转置、平旋和翻转不视为不同)在探讨唯一性时,遵循如下约束:
唯一性问题转化为:在固定这64个元素值的前提下,有多少种本质不同的方式(即考虑转置等价)将这些元素排列成8×8矩阵,使得所有行和、列和、主对角线和反对角线和均为0。
分析过程元素多重集合分析:
约束条件强度:
0和幻方要求18个独立方程:8个行和、8个列和、1个主对角线和、1个反对角线和(注意行和与列和存在线性依赖,因为所有行和之和等于所有列和之和,且均等于0,故实际独立约束少于18个)。 变量为64个元素位置,但元素多重集合固定,因此问题本质是寻找满足方程的排列方式。 由于n=8较大,且元素有重复,解空间理论上非空,但需满足所有强约束(尤其对角线和)。
检查可能变换:
转置等价:如前所述,转置矩阵被视为与原矩阵相同。转置后,元素位置变化,但多重集合不变,且所有和条件保持为0。 行/列置换组合:为保持行和与列和为0,需同时应用行置换σ和列置换τ(即B_{i,j} = A_{σ(i), τ(j)})。此时:
行和与列和自动为0(因为行和对应原σ(i)行和,列和对应原τ(j)列和)。 但主对角线和(∑B_{i,i} = ∑A_{σ(i), τ(i)})和反对角线和(∑B_{i,9-i} = ∑A_{σ(i), τ(9-i)})不一定为0,除非σ和τ满足特定条件。
测试具体置换:
例如,交换行1和行2,并同时交换列1和列2(即σ交换1和2,τ交换1和2)。计算新主对角线和仍为0(因元素重排),但反对角线和为-177 ≠ 0,不满足条件。 其他置换(如交换行1和行8并相应交换列)也破坏反对角线和,无法满足0。 由于行、列元素多重集合不同(如行1含大正负数如63、-56,行2含较小值),大多数行/列置换组合无法保持对角线和为0。
值相同的元素交换:交换相同值元素(如两个−14)不改变矩阵,因为值相同。此类交换不影响唯一性讨论。
搜索其他排列:
唯一性结论:
附加说明为什么转置不打破唯一性:指定整体转置不视为不同,这合理,因为转置不改变元素值,仅重排方位,且幻方性质保持。在组合数学中,转置常被视为同一幻方的不同表示。 如果放宽约束:若允许元素值变化或引入新元素,则存在多个0和幻方(如添加全零扰动矩阵),但根据限制,排除了此类情况。 潜在例外:理论上,可能存在高度对称的排列,但本矩阵元素分布不均(如大绝对值元素集中于特定行/列),且无额外对称性(如自旋对称),故无其他解。
综上,该矩阵是一个0和幻方,且在固定元素和转置(包括平旋和翻转)等价下是唯一的。 |
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