2019年9月23日 星期一
2019年9月19日 星期四
完整非電腦證明考拉茲猜想 (三) (Collatz conjecture 3)
續前文(二),由於 Case 1 證明還不夠嚴謹,並且 Case 3 證明也不夠清楚,所以再重新以另外形式證明。
考拉茲函數為
任意正整數迭代運算後,目前已知結果會出現 fc = 1,今證明之。
證明
因為任一偶數 n 經過除二迭代運算後,最後皆會變成奇數,所以我們專注於奇數的處理。
令 x 為起始奇數,將 n = x 代入
Case 1: 3n+1 ≡ 0 (mod 4)
只要 3n+1 可被 4 整除,可推導出下一個迭代數不會大於起始奇數 x 。
1.a 如果 是奇數,當
若 ,那麼下一個迭代數值不會超過起始奇數 x 。
1.b 如果 是偶數,表示可以一直除二,直到成為奇數,
到此已證明,於 3n+1 ≡ 0 (mod 4) 情形下,下一個迭代數不會大於起始奇數 x,另外,
Case 2: 3n+1 ≡ 1 or 3 (mod 4)
如果想獲得餘數為 1 or 3,n 必為偶數,而 n 為偶數,就會被一直除二,直到成為奇數。
Case 3: 3n+1 ≡ 2 (mod 4)
因 為非整數,也表示
是奇數,那麼
將起始奇數 x 迭代入 fc(n) 應可得一漸增數列,
因為 p 是定值,沒有無窮大的 ,所以求解
數列過程中,一定會出現
偶數,
因而進入 Case 1 狀況。
觀察下表,將得出下列結論:
藍字為 Case 3,紅字為 Case 1,只要兩個 Case 1 之間沒有 Case 3,就會發現最大的 Case 1 奇數,經過 fc(n) 迭代後,奇數 n 就會逐漸收斂到 1。
起始 n
|
起始奇數 n
|
(3n+1)/2
| ||||
1
2
4
8
|
1
4(1)-3
|
2
4(1)-2
|
1
4(1)-3
| |||
3
6
12
|
3
4(1)-1
|
5
4(2)-3
|
8
4(2)-0
|
1
4(1)-3
| ||
5
10
|
5
4(2)-3
|
8
4(2)-0
|
1
4(1)-3
| |||
7
14
|
7
4(2)-1
|
11
4(3)-1
|
17
4(5)-3
|
26
4(7)-2
|
13
4(4)-3
| |
9
|
9
4(3)-3
|
14
4(4)-2
|
7
4(2)-1
|
11
4(3)-1
|
17
4(5)-3
| |
11
|
11
4(3)-1
|
17
4(5)-3
|
26
4(7)-2
|
13
4(4)-3
| ||
13
|
13
4(4)-3
|
20
4(5)-0
|
5
4(2)-3
|
8
4(2)-0
|
1
4(1)-3
| |
15
|
15
4(4)-1
|
23
4(6)-1
|
35
4(9)-1
|
53
4(14)-3
|
80
4(20)-0
|
5
4(2)-3
|
接續證明 Case 1 的迭代收斂,若某數符合 4p-3 形式,
將 (4p-3) 和 (3p-2) 兩數相比較,
因為起始奇數 x 為定值,所以 p 值也為常數,無論經過多少次 Case 3 將
當 Case 1 迭代並且也無 Case 3 在其中時,p 值是會遞減,最後就歸一了。
故證明所有正整數經過 fc(n) 迭代計算都會歸一。
2019年9月15日 星期日
完整非電腦證明考拉茲猜想 (二) (Collatz conjecture 2)
祝大家中秋愉快,前文已經部份證明出 考拉茲猜想 有正整數歸一的特性,今繼續完成補證。
考拉茲函數為
任意正整數迭代運算後,目前已知結果會出現 fc = 1,今證明之。
證明
因為任一偶數經過除二迭代運算後,最後皆會變成奇數,所以我們專注於奇數的處理。
令 x 為最小不歸一奇數,將 n = x 代入
Case 1: 3n+1 ≡ 0 (mod 4)
只要 3n+1 對四整除,那就證明最小不歸一奇數 x 不存在,並且 fc(n) 會歸一。(待補證明)
1.a 如果 是奇數,因為 x 是最小不歸一奇數,
而 ,就會不成立 x 是最小不歸一奇數,
因此 ,這表示最小不歸一奇數為 1,可是它仍然會 1,4,2,1,4,...歸一。
1.b 如果 是偶數,表示可以一直除二,直到成為奇數,
因為 ,所以不成立 x 是最小不歸一奇數。
Case 2: 3n+1 ≡ 1 or 3 (mod 4)
如果想獲得餘數為 1 or 3,n 必為偶數,而 n 為偶數,就會被一直除二,直到成為奇數,
所以此狀況不成立。
Case 3: 3n+1 ≡ 2 (mod 4)
只要迭代過程出現偶數,那就證明 fc(n) 會歸一。
為非整數,則表示
是奇數,
當最小不歸一奇數 x 要符合 3x+1 ≡ 2 (mod 4) 特性,x ∈ {3, 7, 11, 15, 19, 23, ...},
也就是可轉化為 ,將它迭代入 fc(n) 應可得不歸一奇數數列,
若要 不歸一必須 p 有無窮大的
,但是 p 為某定值,所以求解
數列過程中就會出現偶數,因而進入 Case 1 狀況,這在前面已證明不存在最小不歸一奇數,所以所有正整數都會歸一。
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觀察一
另外,任一奇數 n 可推算 fc(n) 下一個數為偶數 3n+1,再來是 ,
若 fc(n) 可接受非整除型態的 ,以有理數 r 代替 n,那麼 fc(n) 可改寫為 fq(r)
那麼經過多次迭代運算終將 fq(r) = 1,也就是有歸一特性。
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觀察二
這個問題也可以等效轉化為 n 為偶數時,令 f(n) = 0,去除後續不必要的計算,
還有當 n 為奇數時,3n+1 必為偶數,可縮減運算成 f(n) = (3n+1)/2,
簡單的說,任一奇數迭代過程不會出現偶數,就可以證明 f(n) 不是對所有正整數都會歸一,反之都會歸一。
從下圖可看出,迭代過程總會出現偶數,而且有規律可推算,也可以看出所有正整數經過 f(n) 迭代都會變成 0,所以沒有最小歸一奇數 x。

