Magische Quadrate: Definition

Definition

 Definition      Ein magisches Quadrat der Kantenlänge n ist eine quadratische Anordnung der natürlichen Zahlen von 1 bis n2, die folgende Eigenschaften hat:
  • Die Summe aller Spalten, aller Zeilen und der beiden Diagonalen ist gleich. Diese Summe wird als magische Zahl m bezeichnet. Die Forderung, daß Zeilen-, Spalten- und beide Diagonalensummen gleich sind, heißt magische Bedingung.
  • Ein magisches Quadrat der Kantenlänge n wird als gerade bezeichnet, wenn n eine gerade Zahl ist.
  • Ein magisches Quadrat der Kantenlänge n wird als ungerade bezeichnet, wenn n eine ungerade Zahl ist.

Magische Quadrate der Kantenlänge n gelten als gleich, wenn sie durch Drehung oder Spiegelung ineinander übergeführt werden können. Die Zahl n wird als Ordnung des magischen Quadrates der Kantenlänge n bezeichnet. Ein magisches Quadrat, dessen Zellen mit den natürlichen Zahlen von 1 bis n2 belegt sind, wird als natürliches magisches Quadrat bezeichnet.



 Erweiterte 
 Definition 
    Ein Quadratschema der Kantenlänge n ist ein magisches Quadrat in beliebigen Zahlenwerten über einer beliebigen Grundmenge, die additiv, assoziativ und kommutativ ist, wenn alle Zellen so gefüllt sind, daß die magische Bedingung erfüllt ist.


 Ergänzende 
 Definition 
   
  • Zeilen oder Reihen sind die waagerechten nebeneinander liegenden Zellen des Quadrates
  • Spalten sind die senkrecht übereinanderliegenden Zellen des Quadrates
  • Bei ungeraden magischen Quadraten sind harmonische Felder Felder, die punktsymmetrisch gegenüber dem Mittelfeld liegen; bei geraden Quadraten liegen sie gegenüber dem Mittelpunkt.
  • Die Hauptdiagonale verläuft von links oben nach rechts unten
  • Die Gegendiagonale verläuft von rechts oben nach links unten
  • Gebrochene Diagonalen sind Diagonalen, die am Rand des Quadratschemas enden und am gegenüberliegenden Rand fortgesetzt werden.
  • Gebrochene Haupt- bzw. Nebendiagonalen sind gebrochene Diagonalen, die jeweils parallel zur Haupt- bzw. Gegendiagonalen verlaufen.
  • Komplemente zu n sind sich ergänzende Zahlenpaare wie (1, n) (2, n-1) usw...
  • Komplemente zu n2 sind sich ergänzende Zahlenpaare wie (1, n2) (2, n2-1) usw...
  • Ein Quadratschema ist in der natürlichen Reihenfolge gefüllt, wenn es zeilenweise von links nach rechts und von oben nach unten mit den Werten 1...n2 gefüllt ist.
  • Ein Quadratschema ist in der fundamentalen Reihenfolge gefüllt, wenn es zeilenweise von links nach rechts und von unten nach oben mit den Werten 1...n2 gefüllt ist.
  • Ein Quadratschema, dessen Zeilen- und Spaltensummen die magische Zahl m ergeben, während eine oder beide Diagonalen diese Summe nicht ergeben, wird als semimagisch bezeichnet.

Magische Quadrate der Kantenlänge 1 sind ziemlich langweilig, und solche der Kantenlänge 2 nicht konstruierbar. Das kleinste mögliche magische Quadrat hat die Kantenlänge 3.

Für alle natürlichen magischen Quadrate gilt (Beweis trivial, Einsetzen und Nachrechnen!), bedingt durch die Forderung, die Zahlenwerte 1 bis n2 zu verwenden:

Gesamtsumme aller Felder s = 
(1 + n2)n2

2

 = 
n2 + n4

2

Die magische Zahl m =
 s 
 n 
 = 
(1 + n2)n2

2n

 = 
n + n3

2

Für magische Quadrate, die aus echten magischen Quadraten entstehen, indem man zu jeder Zelle einen konstanten Wert addiert, gelten diese Formeln nicht. In aller Regel werden auf diesen Seiten nur magische Quadrate natürlicher Ordnung betrachtet.

Vertauschungseigenschaften

Da sich im magischen Quadrat alle Zeilen und alle Spalten jeweils zur die magische Summe m addieren, und die Addition in natürlichen Zahlen kommutativ ist, können Zeilen bzw. Spalten beliebig untereinander vertauscht werden, ohne daß sich die Summen ändern. Allerdings werden hierbei auch Diagonalenelemente vertauscht, sodaß das Quadrat in aller Regel nur noch semimagisch ist. Werden hingegen Zeilen bzw Spalten symmetrisch bezüglich der jeweiligen Mittenachse vertauscht, bleibt das Quadrat magisch.

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Zeilenvertauschung

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Spaltenvertauschung

Eine zweite Vertauschungseigenschaft ist die der Quadratviertel. Abhängig davon, ob das Quadrat gerade oder ungerade ist, kann eines der beiden folgenden Schemata verwendet werden, um aus einem magischen Quadrat ein anderes magisches Quadrat zu erzeugen:

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Blockweise Vertauschung,
ungerades magisches Quadrat

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Blockweise Vertauschung,
gerades magisches Quadrat

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Stand: 15.12.2006 /
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