David Brebera Litomyšl 24. 10. 2015 Collatzova hypotéza David Brebera Litomyšl 24. 10. 2015

Mathematics may not be ready for such problems Paul Erdős

𝑎 𝑛+1 = 𝑎 𝑛 2 𝑎 𝑛 𝑠𝑢𝑑é 3 𝑎 𝑛 +1 𝑎 𝑛 𝑙𝑖𝑐ℎé Collatzova hypotéza Lothar Collatz (1910 – 1990) 1937: Collatzova hypotéza (stále nevyřešena) 𝑎 𝑛+1 = 𝑎 𝑛 2 𝑎 𝑛 𝑠𝑢𝑑é 3 𝑎 𝑛 +1 𝑎 𝑛 𝑙𝑖𝑐ℎé ∀ 𝑎 1 ∈𝑁 ∃𝑛∈𝑁 : 𝑎 𝑛 =1 Pro libovolnou počáteční hodnotu 𝑎 1 se v konečném počtu kroků vždy dostaneme k hodnotě 𝑎 𝑛 =1

Příklady 6, 3, 10, 5, 16, 8, 4, 2, 1 19, 58, 29, 88, 44, 22, 11, 34, 17, 52, 26, 13, 40, 20, 10, 5, 16, 8, 4, 2, 1 26, 13, 40, 20, 10, 5, 16, 8, 4, 2, 1 27, 82, 41, 124, 62, 31, 94, 47, 142, 71, 214, 107, 322, 161, 484, 242, 121, 364, 182, 91, 274, 137, 412, 206, 103, 310, 155, 466, 233, 700, 350, 175, 526, 263, 790, 395, 1186, 593, 1780, 890, 445, 1336, 668, 334, 167, 502, 251, 754, 377, 1132, 566, 283, 850, 425, 1276, 638, 319, 958, 479, 1438, 719, 2158, 1079, 3238, 1619, 4858, 2429, 7288, 3644, 1822, 911, 2734, 1367, 4102, 2051, 6154, 3077, 9232, 4616, 2308, 1154, 577, 1732, 866, 433, 1300, 650, 325, 976, 488, 244, 122, 61, 184, 92, 46, 23, 70, 35, 106, 53, 160, 80, 40, 20, 10, 5, 16, 8, 4, 2, 1 28, 14, 7, 22, 11, 34, 17, 52, 26, 13, 40, 20, 10, 5, 16, 8, 4, 2, 1

Řešení Podat důkaz tvrzení nebo Najít protipříklad, tedy počáteční hodnotu, pro kterou bude posloupnost divergovat skončí posloupnost cyklem jiným než 1, 4, 2, 1, 4, 2, 1, 4, 2, … Hrubou silou ověřeno do 5.764×1018 stále platí (to ale není důkaz) BOINC - Berkeley Open Infrastructure for Network Computing

Co se zkoumá? Průběh posloupnosti pro 𝑎 1 =27

Co se zkoumá? Počet kroků nutných k dosažení hodnoty 1

Co se zkoumá? Maximální hodnota

Co se zkoumá? Maximální hodnota

Co se zkoumá? Collatzova mapa http://www.jasondavies.com/collatz-graph/

Další zkoumání Počet lichých kroků / počet sudých kroků Počet kroků nutných k dosažení známé hodnoty Chování „zrychlené varianty“ 𝑎 𝑛+1 = 𝑎 𝑛 2 𝑎 𝑛 𝑠𝑢𝑑é 3 𝑎 𝑛 +1 2 𝑎 𝑛 𝑙𝑖𝑐ℎé 𝑎 𝑛+1 = 𝑎 𝑛 2 𝑎 𝑛 𝑠𝑢𝑑é 3 𝑎 𝑛 +1 𝑎 𝑛 𝑙𝑖𝑐ℎé

Další zkoumání I. Počet „sudých“ a „lichých“ kroků

Další zkoumání II. Délka nové cesty

Zobecnění pro x∈𝑁 𝑓 𝑥 = 𝑥 2 𝑥 𝑠𝑢𝑑é 3𝑥+1 𝑥 𝑙𝑖𝑐ℎé −1 𝑥 +1 2 = 1 𝑥 𝑠𝑢𝑑é 0 𝑥 𝑙𝑖𝑐ℎé −1 𝑥 −1 2 = 0 𝑥 𝑠𝑢𝑑é 1 𝑥 𝑙𝑖𝑐ℎé 𝑓 𝑥 = −1 𝑥 +1 2 𝑥 2 + −1 𝑥 −1 2 3𝑥+1 pro x∈𝑁

pro x∈C: 𝑓 𝑧 = 1 4 2+7𝑧− 2+5𝑧 cos 𝜋𝑧 Zobecnění pro x∈𝑅 𝑓 𝑥 = −1 𝑥 +1 2 𝑥 2 + −1 𝑥 −1 2 3𝑥+1 2 pro x∈𝑁 pro x∈𝑅: −1 𝑥 = cos 𝜋𝑥 𝑓 𝑥 = cos 𝜋𝑥 +1 2 𝑥 2 + cos 𝜋𝑥 −1 2 3𝑥+1 2 𝑓 𝑥 = 1 4 2+7𝑥− 2+5𝑥 cos 𝜋𝑥 pro x∈C: 𝑓 𝑧 = 1 4 2+7𝑧− 2+5𝑧 cos 𝜋𝑧

V reálném oboru – cobweb plot zdroj: Thomas Prellberg

V komplexním oboru – Collatzův frakrál 𝑓 𝑧 = 1 4 2+7𝑧− 2+5𝑧 cos 𝜋𝑧 zdroj: Nathaniel Johnston

Další zkoumání III. Collatzovo síto 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

Další zkoumání IV binární posl. 10 1010 7 111 5 101 22 10110 16 10000 10 1010 7 111 5 101 22 10110 16 10000 11 1011 8 1000 34 100010 4 100 17 10001 2 10 52 110100 1 1 26 11010 13 1101 11100000000111 bin 40 101000 20 10100

Děkuji za pozornost