C语言实现魔方阵代码及解析

问题描述

编写程序，实现如下表所示的5-魔方阵。

17	24	1	8	15
23	5	7	14	16
4	6	13	20	22
10	12	19	21	3
11	18	25	2	9

5-魔方阵

问题分析

所谓“n-魔方阵”，指的是使用1〜n2共n2个自然数排列成一个n×n的方阵，其中n为奇数；该方阵的每行、每列及对角线元素之和都相等，并为一个只与n有关的常数，该常数为n×(n2 1)/2。

例如4-魔方阵，其第一行、第一列及主对角线上各元素之和如下：

第一行元素之和：17 24 1 8 15=65
第一列元素之和：17 23 4 10 11=65
主对角线上元素之和：17 5 13 21 9=65

而 n×(n2 1)/2=5×(52 1)/2=65 可以验证，5-魔方阵中其余各行、各列及副对角线上的元素之和也都为65。
假定阵列的行列下标都从0开始，则魔方阵的生成方法为：在第0行中间置1，对从2开始的其余n2-1个数依次按下列规则存放：
(1) 假定当前数的下标为(i，j)，则下一个数的放置位置为当前位置的右上方，即下标为(i-1，j 1)的位置。
(2) 如果当前数在第0行，即i-1小于0，则将下一个数放在最后一行的下一列上，即下标为(n-1，j 1)的位置。
(3) 如果当前数在最后一列上，即j 1大于n-1，则将下一个数放在上一行的第一列上，即下标为(i-1，0)的位置。
(4) 如果当前数是n的倍数，则将下一个数直接放在当前位置的正下方，即下标为(i 1，j）的位置。

算法设计

在设计算法时釆用了下面一些方法：

定义array()函数，array()函数的根据输入的n值，生成并显示一个魔方阵，当发现n不是奇数时，就加1使之成为奇数。
使用动态内存分配与释放函数malloc()与free()，在程序执行过程中动态分配与释放内存，这样做的好处是使代码具有通用性，同时提高内存的使用率。

在分配内存时还要注意，由于一个整型数要占用两个内存，因此，如果魔方阵中要存放的数有max个，则分配内存时要分配2*max个单元，从而有malloc(max max)。在malloc()函数中使用max max而不是2*max是考虑了程序运行的性能。显然应该使用二维数组来表示魔方阵，但虽然数组是二维形式的，而由于内存是一维线性的，因此在存取数组元素时，要将双下标转换为单个索引编号。在程序中直接定义了指针变量来指向数组空间，即使用malloc()函数分配的内存。

下面是完整的代码：

#include
#include

int array(int n)
{
int i, j, no, num, max;
int *mtrx;
if(n%2 == 0) /*n是偶数，则加1使其变为奇数*/
{
n=n 1;
}
max=n*n;
mtrx=(int *)malloc(max max); /*为魔方阵分配内存*/
mtrx[n/2]=1; /* 将1存入数组*/
i=0; /*自然数1所在行*/
j=n/2; /*自然数1所在列*/
/*从2开始确定每个数的存放位置*/
for(num=2; num<=max; num )
{
i=i-1;
j=j 1;
if((num-1)%n == 0) /*当前数是n的倍数*/
{
i=i 2;
j=j-1;
}
if(i<0) /*当前数在第0行*/
{
i=n-1;
}
if(j>n-1) /*当前数在最后一列，即n-1列*/
{
j=0;
}
no=i*n j; /*找到当前数在数组中的存放位置*/
mtrx[no]=num;
}
/*打印生成的魔方阵*/
printf("生成的%d-魔方阵为:",n);
no=0;
for(i=0; i {
printf("\n");
for(j=0; j {
printf("=", mtrx[no]);
no ;
}
}
printf("\n");
free(mtrx);
return 0;
}

int main()
{
int n;
printf("请输入n值:\n");
scanf("%d", &n);
array(n); /*调用array函数*/
return 0;
}

运行结果：

linuxidc@linuxidc:~$ ./linuxidc
请输入n值:
5
生成的5-魔方阵为:
17 24 1 8 15
23 5 7 14 16
4 6 13 20 22
10 12 19 21 3
11 18 25 2 9

知识点补充

在解决该问题时，采用的是动态分配内存的方式，并使用了指针变量mtrx来指向二维数组中的元素。在算法设计中，要存储魔方阵需要一个二维数组，因此再给出直接使用二维数组来生成8-魔方阵的程序。

直接使用二维数组生成5-魔方阵的代码如下：

#include
#define N 8
int main()
{
int a[N][N]={0}, i, j, k, t, x, y;
i=0; /*自然数1的行标*/
j=N/2; /*自然数1的列标*/
t=N-1; /*最后一行、最后一列的下标*/
for(k=1; k<=N*N; k )
{
a[i][j]=k;
x=i;
y=j;
if(i == 0)
i=t;
else
i=i-1;
if(j != t)
j=j 1;
else
j=0;
if(a[i][j]!=0)
{
i=x 1;
j=y;
}
}
printf("linuxidc.com生成的8-魔方阵为：");
for(i=0; i {
printf("\n");
for(j=0; j {
printf("=", a[i][j]);
}
}
printf("\n");
return 0;
}

示例输出如下：

linuxidc.com生成的8-魔方阵为：
41 43 53 63 1 11 21 31
42 52 62 8 10 20 30 40
51 61 7 9 19 29 39 49
60 6 16 18 28 38 48 50
5 15 17 27 37 47 57 59
14 24 26 36 46 56 58 4
23 25 35 45 55 0 3 13
32 34 44 54 64 2 12 22