Nouvel an 2016

Bonjour et bonne année.

Voici un carré magique diabolique (on peut le couper par un coup de ciseau horizontal ou vertical et permuter les deux morceaux, il reste magique). Les entrées sont $4k$, pour $1\leq k \leq 16$.
On observera le milieu de la dernière ligne.
$$
\begin{matrix}
8 & 64 & 36 & 28 \\52 & 12 & 24 & 48 \\ 32 & 40 & 60 & 4 \\ 44 & 20 & 16 & 56
\end{matrix}
$$
Pour ceux qui aiment les problèmes, en voici un paru en janvier 2004 in Elemente der Mathematik (Société Mathématique Suisse).

Combien y a-t-il de carrés pseudo-magiques $3\times 3$ de somme magique 2016 ?

Les entrées sont des entiers naturels distincts 2 à 2 mais pas forcément consécutifs.
Les sommes des nombres sur une ligne, une colonne ou une diagonale valent toutes 2016.
On ne distingue pas deux carrés "isométriques".

Exemple
$$
\begin{matrix}
895 & 347 & 774 \\
551 & 672 & 793 \\
570 & 997 & 449
\end{matrix}
$$

Réponses

  • Qu'est-ce qu'un carré pseudo-magique ?
  • Ceux qui souhaitent s'amuser avec la théorie peuvent aussi se pencher sur l'épreuve de CAPES externe 1999 de mathématiques générales.

    .
  • @chaurien. La définition est donnée dans les trois lignes précédant l'exemple (si l'on remplace 2016 par $s$).

    @Dom. As-tu un lien ?
  • Oui,

    Ici, on trouve pas mal de choses : http://megamaths.perso.neuf.fr/annce.html

    C'est la deuxième épreuve de 1999.

    .
  • réduction du problème :
    étant donné que $\dfrac{2016}{3}=672$, on est amené à chercher des matrices pseudo-magiques de somme nulle ... avec des éléments de matrices dans $[-671;671]$ ... de plus, comme il n'y a que 2 degrés de liberté, on peut paramétrer le carré par $\displaystyle{\begin{bmatrix} a & * & * \\ * & 0 & * \\ * & b & * \end{bmatrix}}$ ...
  • Pour préciser le début de solution donné par @ezmaths, un peu d'autocitation.

    L'ensemble des carrés magiques $3\times 3$ à entrées réelles est un sous-espace vectoriel de $\mathbb{R}^9$ dont les carrés
    $$
    S := \begin{pmatrix} 1&1&1\\1&1&1\\1&1&1 \end{pmatrix}\qquad
    G := \begin{pmatrix} 1&-1&0\\-1&0&1\\0&1&-1 \end{pmatrix}\qquad
    D := \begin{pmatrix} 0&-1&1\\1&0&-1\\-1&1&0 \end{pmatrix}
    $$
    constituent une base. Leur indépendance est en effet évidente et, si $X$ est un carré magique arbitraire, on calcule facilement les coefficients $\sigma$, $\gamma$ et $\delta$ tels que
    $$
    X - \sigma S - \gamma G - \delta D =
    \begin{pmatrix} 0 & * & 0 \\ * & 0 & * \\ * & * & * \end{pmatrix}
    $$
    Ce dernier carré étant magique est forcément le carré nul, donc $X=\sigma S + \gamma G + \delta D$.
    $$
    \text{Soit}\qquad
    \begin{pmatrix} \sigma+\gamma & \sigma-\gamma-\delta & \sigma+\delta \\ \sigma-\gamma+\delta & \sigma & \sigma+\gamma-\delta \\ \sigma-\delta & \sigma+\gamma+\delta & \sigma-\gamma \end{pmatrix}
    \qquad \text{l'un des carrés cherchés.}
    $$
  • j'ai trouvé comme formule :-) :
    $$\Bigg\{ (2+0^1+6) \times 20 + 16 - \left\lfloor \frac{20}{16} \right\rfloor \Bigg\} \times \ldots + \left\lceil \frac{2+0+1}{6} \right\rceil$$

    ps : je laisse les pointillés en suspens (pour ne pas trop spoiler) ...
  • Chez moi, ça commence par
    $$
    672^2+671^2-\;...
    $$
  • chez moi aussi ...
    mais une fois l'ensemble des solutions réduit par 'équivalence isométrique', la valeur numérique se finit par un $1$ ...
  • Moi, j'ai un multiple impair de 4 et plusieurs 0
  • Suite de la résolution.

    La somme magique est $3\sigma=2016$, donc $\sigma = 672$. Les entrées sont des entiers strictement positifs à condition que le couple d'entiers relatifs $(\gamma, \delta)$ vérifie $|\gamma|+|\delta| \leq 671$ (voir le dessin). Il y a $671^2+672^2=901825$ couples vérifiant cette condition.

    Les entrées d'un carré sont distinctes si $\gamma$, $\delta$, $\gamma±\delta$, $\gamma±2\delta$ et $2\gamma±\delta$, sont non nuls. Des $901825$ couples à entrées positives il faut enlever :
    (1) l'origine,
    (2) 2684 couples où $\gamma$ ou $\delta$ sont nuls,
    (3)1340 couples tels que $\gamma\pm\delta$ est nul,
    (4) 1784 couples tels que $\gamma\pm 2\delta$ ou $2\gamma\pm \delta$ est nul.
    Il reste 896016 couples, à diviser par 8 pour compter les orbites par isométrie.

    112002 couples donc.

    Mes excuses à ezmath pour la fausse indication du dernier fil. On se trompe facilement dans ces comptes.
  • @soland ,

    hier dans le train, je me suis rendu compte que, pour éliminer les carrés équivalents, j'avais bêtement divisé par $16$ comme le nombre de façons d'écrire un mot de $4$ lettres (avec les sommets du carré) ... alors qu'il n'eût fallu considérer que $3$ symétries : par rapport à la 2ème colonne, la 2ème ligne et la transposition ... d'où diviser par $8$ en fait ...

    le résultat numérique peut s'écrire :-) :
    $$\bigg( 2+\frac{0}{16} \bigg) \times \left\{ \Bigg( (2^0+1+6) \times 20 + 16 - \left\lfloor \frac{20}{16} \right\rfloor \Bigg) \times (20 \times 16) + \left\lceil \frac{2+0+1}{6} \right\rceil \right\} = 112002$$

    ps : l'abus de $2016$ est susceptible de nuire gravement à la santé ...
  • Pour le millésime $3(n+1)$ le compte est
    $$
    \frac{1}{8}(n^2 + (n+1)^2 - (1 + 4n + 4 \lfloor n/2 \rfloor + 8 \lfloor n/3 \rfloor))
    $$
    et... une année 2016 pleine de bonheur pour les 13152 utilisateurs et leurs proches.
Connectez-vous ou Inscrivez-vous pour répondre.