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3x+1的數學問題

2023年08月06日

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大家知道一個斐波那契數列的故事,由兔子繁殖引出的著名數學問題,其中一些內容至今無法解答。下面同樣是一個養殖的故事,產生的問題難倒了所有的數學家。
生態農業的問題
一、故事起源
印度有一個農民同時養殖雞、蛇和蜈蚣。
但是有一個困難,苦惱這個農民,雞要吃蜈蚣,或者蛇要吃雞,但是,蜈蚣要咬死蛇。於是有人出主意,把三種動物一起養殖試試?
於是,農民把三種動物都是單獨關在一個籠子裡,每一個籠子都是有一隻雞,一條蛇和一條蜈蚣組合。
創新一種生態養殖業。
結果發現,三種動物互為死敵,但是非常安全,雞知道自己如果吃了蜈蚣,蛇就沒有天敵,蛇就會吃了自己;蛇也知道,如果自己吃了雞,蜈蚣就沒有天敵,自己就會被蜈蚣咬死;蜈蚣也是懂得不能咬死蛇,否則,自己就會成為雞的午餐。
一天,農民出門去了,他的兒子在家,想趁爸爸不在,弄一隻雞吃,於是,他從一個籠子裡抓了一隻雞吃了。這個籠子的蜈蚣發現沒有了天敵雞,順便就咬死了蛇。為了不讓爸爸回來發現自己吃了一隻雞,兒子打算把那個籠子的蛇和蜈蚣合併到其他籠子裡,結果一看,只有一條蜈蚣,於是順手把蜈蚣扔進第二個籠子。
第二個籠子有兩條蜈蚣了,一共有4隻動物。會出現什麼情況?雞會這樣想,我可以先吃一條,不會影響平衡。雞如是吃了一條蜈蚣,打算留下一條蜈蚣,但是這個時候蛇看到雞吃蜈蚣,並沒有發現還有一條蜈蚣,如是把雞給咬死吃了。
哪裡知道兒子是個健忘的人,又把倖存的蜈蚣扔進第三個籠子,....。一直到所有的雞和蛇、蜈蚣都被消滅,最後只剩下一條蜈蚣。
有人把這個故事歸結為4-2-1循環。
參見3x+1猜想:https://baike.so.com/doc/9544304-9888891.html
二、故事擴展到任何一個數
角谷靜夫是日本的一位著名學者.他提出了兩條極簡單的規則,如果一個自然數x是奇數就乘以3再加1,如果是偶數就除以2,一直到使得成為奇數。可以對任何一個自然數x進行變換,最終使它陷入“4-2-1”的死循環。
舉個例子,最開始的數取7,我們得到下面的序列:
7→22→11→34→17→52→26→13→40→20→10→5→16→8→4→2→1
(一)把問題公式化理論化
我把角谷猜想規則用公式表示:
通過下面公式疊代,我們把3x+1問題轉換成為一個疊代方程,也就納入了一個控制論的體系了,因為,只要有輸入,輸出,反饋.....等等,我們實際上已經進入了控制理論。
,.........(1)
這裡公式中每一個X 都是奇數,m=1,2,3,....。m直到把3X+1中的偶數析出抵消,使得(1)式右邊是奇數為止。
如果不是1而是其他奇數,就繼續疊代。一直到1為止。
即使得(1)式等於1:
,....(*)
(二)舉例
例如,
1 ,代入公式:
結束。例如,
3,
;
,結束。
角谷是說,輸入X=1,3,5,7,9,11,....任何一個奇數,直至無窮,經過(1)疊代,都是(1)式等於1。
三、問題難倒了全世界的數學家
需要證明兩個結論以後才有可能完成:
1、任何一個X值 進入疊代以後不會回到自身,就是不會發生循環。如果發生循環,表明是一個反例,否定了角谷猜想。
2、X 進入疊代以後數值不會發散,就是不會越來越大直至無窮,而是在一個有限的範圍內更替。
四,倒行逆施
由 把(1)式中的
, 在(2)式一步到位等於1的有
形的數: 5, 21, 85, 341,1365, 5461, 21845, .....。因為這個
是把(2)式反推的結果。
在(3)式二步到位等於1的有
形的數:3,13,53, 113, 227, 909,....。因為這個
是把(3)式反推的結果。
在(4)式三步到位等於1 3的有
形的數:11,17, 75,301,1205,...。因為這個
是把(4)式反推的結果。
.............
我們可以一直進行下去:
3x+1猜想其實就是說,無論
是什麼奇數值,最終會使得(5)式中分子=分母。例如,
=27,n=40時,分子=分母。
3x+1猜想反過來說就是:
;


可以構造一切奇數,或者說,奇數軸上每一個點,都是可以由這個數列產生的奇數覆蓋。
問題進入了一個形式化的階段
這個猜想是不是遞歸可枚舉集?下一步如何證明?是否可以利用(5)式證明猜想成立,或者證明疊代不會循環。

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