【問題】「銀矩陣」這玩意兒


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國二的時候有接觸這東西,結果發現1997年的奧林匹亞第四題有出現:

這是題目:

---------------

一個n×n的矩陣(正方形陣列)稱為一個n階『銀矩陣』,如果它的元素取自集合S={1,2,….2n-1}且對於每一個i=1,2,…,n,它的第i列與第i行中的所有元素合起來恰好是S中的所有元素。

證明:(a)不存在n=1997階的銀矩陣。

(b)有無限多個n的值,存在n階銀矩陣。

---------------

舉例:

這是我自己排的4階銀矩陣

1 2 3 4

5 1 7 6

6 4 1 2

7 3 5 1

此銀矩陣的特性就是第1行,第1列有元素1∼7,

第2行,第2列也有元素1∼7,以此類推。

我排的方式是由斜的1開始寫,然後再由第1行列開始排到底。

這個方法只能適用在偶數階銀矩陣,奇數階我排不出來xd ,

但並不能代表一定排不了,可能有其他方式。

以這種方式我曾經無聊排到過32階(做格子慢慢寫):P 。

有人會解這題嗎?我不會:E 。

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呃...

看我舉的例子應該很清楚吧xd。

簡單講,題目a就是要我們證明1997X1997的正方形銀矩陣(第1997階)不存在。

想像一張大紙,有3988009個格子,把數字依照銀矩陣的方式填入,會填不了。:P

題目b應該是要我們證明銀矩陣可以無限大(我猜的)。xd

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第一題跟第二題不就是互相矛盾了嗎 ,

如果第一題是證明沒有1997x1997的第1997階存在 , 那麼就無法排出n=1997的這個銀矩陣 , 所以第二題中所謂的證明n為無限就是錯的 , 應該成了n-1才對 , 嗯, 我的數學一直很濫 , 如果錯了請別見笑 .

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關於為什麼奇數階排不出來,以下是個人小小的觀點

直觀可見Amn只可用在i=m或n時,而當m=n=p則只可用在p。

故Amn只重複使用一或二次。

設A矩陣為X階方陣,X為奇數,X^2<X^2+(X-1)/2

沒有足夠的格子讓符合提議的數字填進去

故奇數階銀矩陣不存在。

如果上述有錯還請多多指教喔...

PS 我數學弱,雖然請教了今年度的國手,但他太忙不肯教我...所以我只想出這些而已= =

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國手回答我的話了,他說

假設2^K階有一個銀矩陣

現在要排銀矩陣為2^(K+1)次階

將其縱橫對半切成四個矩陣

則左上和右下填入原來的2^K銀矩陣

左下和右上填入2^K銀矩陣且每個元素都加2^K

就完成了2^(K+1)次階銀矩陣

又,當K=0時,顯然是銀矩陣

故可以有無數個K (K為非負整數) 使得無數個階數的銀矩陣存在。

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  • 3 weeks later...

嗯..

其實因該說國中所學的可以解,因為那是我老師出的思考題目。

只是我還不知道解法就轉學了= =。

還有時光的解法我完全看不懂@@。

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原本的證明有一些細節是錯的,但那無傷觀念和方向

用圖說明吧

10

01 左上角和右下角填入原來的矩陣

12

21 左下角和右上角加上2次方

1200

2100

0012

0021 再一次擴展

1234

2143

3412         12       34

4321 左下角和右上角用21分別加2,變成43然後填入

12340000

21430000

34120000

43210000

00001234

00002143

34120000

43210000 再一次擴展

12345678

21436587

34127856

43218765

56781234

65872143

78563412

87654321 依此類推

如此下去,銀矩陣無限

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呃...

是「第一行、第一列」、「第二行、第二列」...都有該階所含元素組成,而且只有一個唷!!

你的例子變成只有一半,但是重覆出現兩次(除了1是一次以外)。

也就是說,二階銀矩陣不是:

12

21

而是:

12

31←

(紅色的箭頭所指的就是第一行、第一列,由1、2、3組成;藍色代表第二行、第二列,也是由元素1、2、3所組成):P

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重來一遍

10

01

13

31

31

1200

3100

0012

0031

1256

3175

5612

7531

12

3175

5612

31

12460000

31750000

56120000

74310000

00001246

00003175

00005612

00007431

12469101214

31751191513

56121311910

74311512119

91012141246

11915133175

13119105612

15121197431

1246101214

31751191513

5612131110

74311512119

91012141246

1115133175

13119105612

1512117431

以此類推。。。。。。這一定不是正式解法XD

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  • 4 months later...
  • 4 months later...

嗯,首先畫好六階需要的格子,也就是6X6的正方形:

O O O O O O

O O O O O O

O O O O O O

O O O O O O

O O O O O O

O O O O O O

然後因為我的做法是從第一列、第一行開始排到第六列、第六行,所以我把列跟行的交點先填上一樣的數字,而我填的是「1」:

1 O O O O O

O 1 O O O O

O O 1 O O O

O O O 1 O O

O O O O 1 O

O O O O O 1

然後開始從第一列、第一行填數字,因為是第一列、第一行還不需要考慮跟其他行列的組成衝突,所以這一個行列可以先隨便填,只要符合1到11的元素即可:

1 2 3 4 5 6

1 O O O O

O 1 O O O

O O 1 O O

10 O O O 1 O

11 O O O O 1

填完後,再開始填第二列、第二行,此時要注意的是在第一列、第一行的2跟7(藍色部分),它們會與第二列、第二行相交,剩下的紅色部分,就是填入除了「1、2、7」以外的「3、4、5、6、8、9、10、11」,當然,填的時候還要注意該填入的數字是否已經跟其他行列組成的元素有所衝突;換言之,好比第一列、第一行的3跟8,會影響到在填第二行、第二列的「1」元素下方跟右方這兩個數,要注意的是,這兩個數不能跟3、8重複,當然在後面遇到也是一樣,而且不能重複的數會越來越多:

3 4 5 6

1 O O O O

1 O O O

O 1 O O

10 O O 1 O

11 O O O 1

填入後:

3 4 5 6

1 4 3 11 9

1 O O O

O 1 O O

10 O O 1 O

11 10 O O O 1

完成圖:

1 2 3 4 5 6

7 1 4 3 11 9

8 5 1 11 6 2

9 6 10 1 2 8

10 8 9 7 1 3

11 10 7 5 4 1

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