PROPOSTA DI DIMOSTRAZIONE DELLA CONGETTURA DI COLLATZ ( Con estensione a 4n + 5 ) 3 Gruppo “B.Riemann* Francesco Di Noto, Michele Nardelli *Gruppo amatoriale per la ricerca matematica sui numeri primi, sulle loro congetture e sulle loro connessioni con le teorie di stringa Abstract Collatz’s Conjecture proof. The calculation about Collatz’s Conjecture ends always with odd number 1 because for any initial number “n” of “3n + 1”, this calculation before or after, meets some “number of Collatz” (4m -1) /3. These numbers precede always 4m Collatz’s numbers and 4m are both infinite numbers, so, for any “n” initial number of “3n + 1”, 1 the calculation ends always with final odd number 1, at once in the calculation appears a Collatz’s number followed by a 4m till final odd number 1. Rassunto In questo lavoro dimostriamo la congettura di Collatz anche e soprattutto in base agli infiniti numeri di Collatz, di forma em con m pari, o anche, più precisamente, di forma 4n -1/3, per esempio: (41 -1)/3 = 3/3 = 1 (42-1) /3 = (16-1)/3 = 15/3 = 5, (43-1) /3 = (64-1)/3 = 21 …….. L’algoritmo della congettura di Collatz, già ben nota ai matematici anche con altri nomi (problema del 3n + 1, problema di Syracuse, problema di Katukani, procedura di Hasse, problema di Ulam) e che asserisce che a partire da qualsiasi numero intero positivo n, la ripetizione di questa funzione alla fine produce sempre il valore 1 (con 2 la sequenza finale …4...2…1), effettivamente termina in 2 questo modo per tutti gli infiniti n interi positivi. DIMOSTRAZIONE Quale che sia il numero n testato con l’algoritmo di Collatz (3n + 1 : se pari si divide per due fino a ottenere un numero dispari n’ > 1, se dispari si ricomincia con 3n’ + 1), si ottiene una serie di numeri (numeri di Hallstone); se osserviamo questa serie a ritroso, e cioè dal basso verso l’alto se essa costituisce una colonna numerica, o da destra a sinistra se invece è una lista numerica orizzontale, ci accorgiamo che essa passa sempre da una potenza 4m preceduta da un numero cj di forma (4m - 1)/3 Chiameremo questi numeri c “numeri di Collatz”, che sono infiniti, e sono di forma cj = (4m – 1)/3, ma anche cj = 4 • cj - 1 + 1, dove cj- 1 è il numero di Collatz precedente nella serie cj, come vedremo. Ogni numero di Collatz precede una potenza di 4; a partire dalla quale il ciclo numerico “collassa” rapidamente verso il numero 1, e quindi verso la fine del ciclo, perché solo le potenze di 2, sono i soli numeri pari che divisi successivamente per due, danno 3 sempre numeri pari, fino all’unico numero dispari 1 che segna la fine del ciclo. Altri numeri pari non potenze di 2, infatti, divisi una o più volte per 2, danno alla fine un numero dispari n’ maggiore di 1, e il ciclo 3n’ + 1 ricomincia. Esempio unico per tutti: per n = 36, = 9 • 4 = 9 • 22, 36/2=18 18/2 = 9 (numero dispari > 1) 9 * 3 + 1 = 28 28/2 = 14 14/2 = 7 (numero dispari > 1) 7 * 3 + 1 = 22 22/2 = 11 (numero dispari > 1) 11 * 3 + 1 = 34 34/2 = 17 (numero dispari > 1) 17* 3 + 1 = 52 52/2 = 26 4 26/2 = 13 (numero dispari > 1) 13 ∗ 3 + 1 = 40 40/2 = 20 20/2 = 10 10/ 2= 5 = numero (dispari) di Collatz c2 = (42–1 )/3=(16–1)/3 = 15/3 = 5 5 * 3 + 1 = 16 = 42 qui comincia il collasso finale verso 1 16/2 = 8 = 23 = 24-1 8/2 = 4 = 22 =42-1 4/2 = 2 = 21=2 = 24-3 2/2 = 1 = 2° = fine del ciclo (1 numero dispari finale) Da 16 = 42 a 1 avviene il collasso finale, poichè 16 è preceduto dal numero di Collatz c2 = 5= (42 – 1)/3 = (16 – 1)/3 = 15/3 = 5, che è il secondo numero di Collatz e quindi c2 = 5; il primo numero di Collatz è c1= 1, poiché (41 - 1)/3 = = 3/3 = 1. Ovviamente, ripetiamo, i numeri di Collatz sono infiniti, C∝, poiché anche le potenze di 4 sono infinite; e legate a cj dalla formula cj = (4m – 1)/3 con m = 2 * j. E, di conseguenza, quale che sia n tra gli infiniti interi positivi, l’algoritmo 3n + 1 prima o poi incappa sempre in un qualsiasi numero di Collatz e subito 5 dopo in una potenza pari di 2, che fa automaticamente collassare il ciclo numerico fino a 1. Le potenze dispari d di 2 come tali fanno ugualmente collassare il ciclo, (se n = 2d) ma non sono precedute da un numero di Collatz perché 2d – 1 non è divisibile per 3 (come invece lo è 4m – 1), e anzi può essere un numero primo, e i numeri primi di forma 2d – 1 sono detti anche numeri primi di Marsenne se anche d è primo). Esse appaiono solo nel “collasso” (2^m/2 = 2^m – 1 con m – 1 = d = numero dispari ma anche 2m – 3, ecc. Esempio e grafico per n = 3 3*3=9 +1 =10 pari: si divide per 2 10/2=5 dispari: si moltiplica per 3 e si aggiunge 1 5*3 + 1= 15 + 1 = 16 pari si divide successivamente per 2; poiché 5 è u numero di Collatz e 16 è una potenza di 2 e anche di 4, ciclo inizia il collasso verso 1 finale : 16/2 = 8 8/2 = 4 6 4/2 = 2 2/2 = 1 fine del ciclo (Vedi anche grafico seguente per n = 3) Come si può notare dalla successiva TABELLA 1, tutti i numeri di Collatz, a partire da 1, e tranne lo 0 iniziale c0 = 0, finiscono alternativamente con la cifra 1 e la cifra 5, poiché, per la loro forma cj = cj – 1 • 4 + 1, la cifra finale f di ogni numero cj moltiplicata per 4 e con l’aggiunta di 1 dà sempre 5 se f è 1, e 1 se 7 invece f è 5. Ovviamente, ripetiamo, i numeri di Collatz sono infiniti, Cj , poiché anche le potenze m pari di 4 e quindi 4m sono infinite; e legate a cj dalla formula cj = (4m – 1)/3. E’ di conseguenza, quale che sia n tra gli infiniti interi positivi, l’algoritmo 3n + 1 prima o poi incappa sempre in un qualsiasi numero di Collatz e subito dopo in una potenza pari di 4, che fa automaticamente collassare il ciclo numerico fino a 1. Le potenze dispari di 2 come tali farebbero ugualmente collassare il ciclo (se n = 2d, con n dispari), ma non sono precedute da un numero di Collatz perché 2d – 1 non è divisibile per 3 (come invece lo è lo è 4m– 1), e anzi può essere un numero primo,e quindi dispari, e il ciclo ricomincia e i numeri primi di forma 2d – 1 sono detti anche numeri primi di Marsenne. Ma proprio per questo non appaiono mai in un ciclo numerico di Collatz, non essendo 2d -1 divisibile per 3. Facciamo una breve tabella dei primi 10 numeri di Collatz, per 8 chiunque voglia verificare al computer i calcoli 3n + 1 per i primi 1000 n interi positivi, fino a incontrare uno dei suddetti numeri di Collatz, seguito da 4m e quindi dal collasso-fine del ciclo. (Ovviamente, per n sempre grandi si incontreranno cj sempre più grandi). TABELLA 1 (4m -1)/3 0 4 • cj + 1= 1 5 21 85 4*0 +1 (4-1)/3 4*1+1 (16-1)/3 4*5+1 (64-1)/3 4*21+1 (256-1)/3 4*85+1 1 5 21 85 341 5 341 (1024-1)/3 4*341+1 1365 6 7 8 9 10 … 1365 5461 21845 87381 349525 … (4096-1)/3 5461 21845 87381 349525 … 4*1365+1 4*5461+1 4*21845+1 4*87381+1 4*349525+1 … 5461 21845 87381 524925 1398101 … m 0 cj = 0 1 2 3 4 9 = cj+1 Notiamo che 16, 64, 256, 1024 e 4096 sono tutti numeri divisibili per 8, che rappresenta il numero corrispondente alle vibrazioni fisiche delle superstringhe attraverso la seguente relazione di Ramanujan: ∞ cos πtxw' − πx 2 w ' e dx ∫0 cosh πx 142 4 anti log ⋅ 2 πt 2 t w' w' − e 4 φw' (itw') 1 8= . (1) 3 10 + 11 2 10 + 7 2 + log 4 4 Conclusione Con l’interessante concetto di infiniti numeri di Collatz cj = (4m-1)/3 = 4*cj-1 + 1, che precedono sempre i numeri 4m anch’essi infiniti, che fanno collassare il ciclo numerico fino a 1, e con la logica conseguenza che per qualsiasi n testato con l’algoritmo 3n + 1, si incontra sempre, prima o poi, un qualsiasi 2 numero di Collatz cj, e successivamente il numero 4m, da qui il ciclo finisce rapidamente, e la congettura di Collatz è così definitivamente dimostrata. 10 Riferimenti 1) “ Connessione tra Repunit, numeri di Mersenne e Congettura di Collatz” A cura di Francesco Di Noto Eugenio Amitrano ( http://www.atuttoportale.it/) PARTE SECONDA V A R I A N T E 4*n + 5 D E L L A CONGETTURA D I C O L L A T Z (3n+1) ---------------------Nella prima parte abbiamo parlato dei numeri di Collatz 1, 5, 21, 85, 341… alla base dimostrazione della relativa congetturaQui estendiamo la congettura da 3n +1 a 4n + 5. Quando il ciclo 3n+1 per qualsiasi n incontra uno di questi 2 11 numeri, esso collassa e termina immediatamente, come abbiamo visto con la sequenza 16, 8, 4, 2, 1. Ora, poiché esso funziona con le potenze del 4, vorremmo sapere se qualche altro algoritmo, variante del primo, potrebbe funzionare con le potenze di 3. Dopo qualche tentativo, abbiamo scelto l’algoritmo 4n + 5 3 ma ora dividendo per 3 i numeri ottenuti da 4n + 5, anziché per 2 come nell’algoritmo 3n +1, 2 ovviamente qualora 4n + 5 sia divisibile per 3, altrimenti si ricomincia. Ora il ciclo ovviamente termina sempre con la sequenza finale 9, 3, 1 anziché con 4, 2, 1 come prima. Ma 4n +5 deve essere multiplo di 3 e non multiplo di 2 (e cioè 3 pari), come nella congettura classica, per poter effettuare la divisione, in caso contrario si procede ancora con 4n + 5. 3 12 Ora i nuovi numeri di Collatz per questa variante della congettura (anzi ormai da considerare come ex- congettura e quindi teorema a tutti gli effetti) sono di forma: cj= (9j – 5) / 4 , oppure ricavabile dal precedente con la formula: cj = 9 ( cj-1 + 1 ) +1 come vedremo nella seguente tabella: potenze j di 9 Numeri di Collatz cj =(9j -5)/4 TABELLA 1 j 1 2 3 4 5 6 7 … 9j 9 81 729 6.561 59.049 531.441 4.782.969 … (9k -5)/4 = (9-5)/4=1 (81-5)/4 = 19 (729 -5)/4 =181 (6 561-5)/4=1 639 14 761 132 859 1 195 741 … cj 1 = c1 19 = c2 181 = c3 1 639 = c4 14 761 = c5 132 859 = c6 1 195 741 = c7 … Esempi di ciclo della variante 4n + 5: per n = 1: 4*1 + 5 = 4 + 5 = 9 = 91 13 (1 = cj =nuovo numero di Collatz) 9/3 = 3 3/3 = 1 fine del ciclo. Per n = 2: 4*2 + 5 = 8 +5 = 13 4*13 + 5 = 52 + 5 = 57 divisibile per 3 57/3 =19 numero di Collatz 4*19 + 5 = 76 + 5 = 81 = 92 = potenza di 9; 19 = c2 nuovo numero di Collatz 81/3 = 27 27/3 = 9 9/3 = 3 3/3 = 1 fine del ciclo. Per n più grandi i cicli sono ovviamente molto più lunghi, e solo per n = 44 si incontra il terzo numero di Collatz = 181, e poi subito 36 = 729 che fa collassare il ciclo: 4*44 + 5 = 176 + 5 = 181; 4*181 +5 = 724 + 5 = 729 = 93 potenza di 9, e 729/3 =243, 243/3 14 =81, 81/3=9 , 9/9=1, fine del ciclo con 243, 81, 9, 1. 4*1639 +5 = 6561 e 6561/3 = 2187, 2187/3 = 729, 729 /3 = 243, 243/3 = 81, 81/3 = 27, 27/3 = 9, 9/3 = 1 e fine del ciclo come: 6561, 2187, 729, 243,81, 27,9,3, 1 Ma anche con 4n+5 funziona ugualmente, essendo 9=32 : 9 6561/9 = 729, 729/9 = 81, 81/9 = 9, 9/9 = 1 analogamente a come 3n + 1 /2 funziona sia con 4 che con 2, con 4 = 22 e quindi anche l’algoritmo 3n+1 è valido, ed abbrevia il 4 ciclo finale con potenze di 4 decrescenti al posto delle potenze di 2 decrescenti (vedi grafico nella prima parte). 15