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#10112

四组 2×2 子方和相等·最小值

题目

如图,在 3×3 的方格表中,将 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 这 9 个数字各填入一格,使每行、每列、每条对角线上的 3 个数字之和都相等(即 3 阶幻方)。

求满足上述条件的所有填法中,中心格(第 2 行第 2 列)的数字必须是多少?子方格内 4 数之和都相等,记为 S。

问:S 的最小可能值是多少?请给出一种使 S 达到最小的具体填法。

解法

  1. 分析:按位置把 4 个 2×2 子方相加得 4S,每格被算的次数恰好是:中心 4 次、4 条边中各 2 次、4 个角各 1 次。

    设中心为 c、边中 4 数之和为 E,则 角和 = 45 − c − E,故 4S = 4c + (45 − c − E) + 2E = 45 + 3c + E。

  2. 要 4S 为 4 倍数:45 + 3c + E ≡ 0 (mod 4),即 3c + E ≡ 3 (mod 4)。为使 S 最小就让 3c + E 最小:取 c = 1 时需 E ≡ 0 (mod 4),从 {2..9} 中取 4 个数且和为 4 的倍数的最小值是 2 + 3 + 4 + 7 = 16,得 4S = 45 + 3 + 16 = 64,S = 16。

  3. 具体存在性:取 c = 1、边中 {2, 3, 4, 7}、角 {5, 6, 8, 9},按相邻 2×2 差为 0 的配对方程枚举出一组填法:5 3 8 / 7 1 4 / 6 2 9,四个子方皆为 16 ✓。

  4. 结论:S 的最小可能值为 16。

    4S
    =45 + 3c + E
    c = 1 ⇒ E ≡ 0 (mod 4)
    =最小 E = 2+3+4+7 = 16
    4S (最小)
    =64 ⇒ S = 16

方法

练一练

在 3×3 方格中填入 1–9,使每行、每列、每对角线三数之和相等(3 阶幻方)。

求所有满足条件的填法中,中心格的数字必须是多少?

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