Гипотеза Коллатца

График последовательности для числа 27

Гипо́теза Коллатца (гипо́теза 3n+1, сираку́зская пробле́ма) — одна из нерешённых проблем математики. Получила широкую известность благодаря простоте формулировки. Названа по имени немецкого математика , сформулировавшего эту задачу 1 июля 1932 года.

Формулировка

Для объяснения сути гипотезы рассмотрим следующую последовательность чисел, называемую сираку́зской после́довательностью. Берём любое натуральное число n. Если оно чётное, то делим его на 2, а если нечётное, то умножаем на 3 и прибавляем 1 (получаем 3n + 1). Над полученным числом выполняем те же самые действия, и так далее.

Гипотеза Коллатца заключается в том, что какое бы начальное число n мы ни взяли, рано или поздно мы получим единицу.

Примеры

Например, для числа 3 получаем:

3 — нечётное, 3×3 + 1 = 10

10 — чётное, 10:2 = 5

5 — нечётное, 5×3 + 1 = 16

16 — чётное, 16:2 = 8

8 — чётное, 8:2 = 4

4 — чётное, 4:2 = 2

2 — чётное, 2:2 = 1

1 — нечётное, 1×3 + 1 = 4

Очевидно, что, начиная с 1, начинают циклически повторяться числа 1, 4, 2.

Последовательность, начинающаяся числом 19, приходит к единице уже за двадцать шагов:

19, 58, 29, 88, 44, 22, 11, 34, 17, 52, 26, 13, 40, 20, 10, 5, 16, 8, 4, 2, 1, …

Для числа 27 получаем:

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, …

Последовательность пришла к единице только через 111 шагов, достигнув в пи́ке значения 9232.

Чи́сла-гра́дины — также распространённое название для совокупности рассмотренных последовательностей. Такое название возникло из-за того, что графики последовательностей (см. иллюстрацию) похожи на траектории движения градин в атмосфере.

Проект «Collatz Conjecture»

В августе 2009 года на платформе BOINC был запущен проект добровольных распределённых вычислений «Collatz Conjecture», целью которого является проверка гипотезы Коллатца на больших числах. Вычислительный модуль проекта может использовать вычислительные мощности современных видеокарт.

См. также

• Открытые математические проблемы
• BOINC

Литература

• Хэйес, Брайан. Взлёты и падения чисел-градин // В мире науки (Scientific American, издание на русском языке). — 1984. — № 3. — С. 102—107.
• Стюарт, Иэн. Величайшие математические задачи. — М.: Альпина нон-фикшн, 2015. — 460 с. — ISBN 978-5-91671-318-3.
• Jeff Lagarias. The 3x+1 problem and its generalizations (англ.) // American Mathematical Monthly. — 1985. — Vol. 92. — P. 3—23.

Ссылки

• последовательность A014682 в OEIS
• Das Collatz-Problem интерактивные скрипт Юргена Денкерта для решения (3n+1)- и (3n−1)-задачи, создает последовательность для чисел любой длины, так же выдает статистику последовательности
• Проблема 3x+1 — статья на сайте учителя математики, Сербиной Надежды Алексеевны.
• Collatz Conjecture — проект распределённых вычислений на платформе BOINC по проверке гипотезы Коллатца на больших числах.
• On the 3x + 1 problem — проект распределённых вычислений, основанный Эриком Рузендалем (Eric Roosendaal), по проверке гипотезы Коллатца на больших числах.
• Аналитический подход к проблеме Коллатца.