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角谷猜想

這里向大家介紹一個(gè)近幾年來,始發(fā)于歐美、風(fēng)靡全球的趣味數(shù)學(xué)游戲——“角谷猜想”問題。

  “角谷猜想”又稱“冰雹猜想”。它首先流傳于美國,不久便傳到歐洲,后來一位名叫角谷的日本人又把它帶到亞洲,因而人們就順勢把它叫做“角谷猜想”。其實(shí),叫它“冰雹猜想”更形象,也更恰當(dāng)。 

為什么叫它“冰雹猜想”呢?顧名思義,這首先要從自然現(xiàn)象——冰雹的形成談起。 

 

大家知道,小水滴在高空中受到上升氣流的推動(dòng),在云層中忽上忽下,越積越大并形成冰,最后突然落下來,變成冰雹。 

“冰雹猜想”就有這樣的意思,它算來算去,數(shù)字上上下下,最后一下子像冰雹似地掉下來,變成一個(gè)數(shù)字:“1”. 

  這個(gè)數(shù)學(xué)猜想的通俗說法是這樣的:任意給一個(gè)自然數(shù)N,如果它是偶數(shù),就將它除以2,即將它變成。對任意的一個(gè)自然數(shù)施行這種演算手續(xù),經(jīng)有限步驟后,最后結(jié)果必然是最小的自然數(shù)1。 
  對這個(gè)猜想,你不妨任意挑幾個(gè)數(shù)來試一試: 

若 N=9,則 9×3+1=28, 28÷2=14, 14÷2=7, 7×3+1=22,22÷2=11,11×3+1=34,34÷2=17,17×3+1=52,52÷2=26, 26÷2=13,13×3+1=40,40÷2=20,20÷2=10,10÷2=5,5×3+1=16,16÷2=8,8÷2=4,4÷2=2,2÷2=1。

你看,經(jīng)過19個(gè)回合(這叫“路徑長度”),最后變成了“1”。

若 N=120,則120÷2=60,60÷2=30,30÷2=15,15×3+1=46,46÷2=23,23×3+1=70,70÷2=35,35×3+1=106,106÷2=53,53×3+1=160,160÷2=80,80÷2=40,40÷2=20,20÷2=10,10÷2=5,5×3+1=16,16÷2=8,8÷2=4,4÷2=2,2÷2=1。

你看,經(jīng)過20個(gè)回合,最后也仍然變成了“1”。

有一點(diǎn)更值得注意,假如N是2的正整數(shù)方冪,則不論這個(gè)數(shù)字多么龐大,它將“一落千丈”,很快地跌落到1。例如: N=65536=216 則有:65536→32768→16384→8192→4096→2048→1024→512→256→128→64→32→16→8→4→2→1。

你看,它的路徑長度為16,比9的還要小些。 

我們說“1”是變化的最終結(jié)果,其實(shí)不過是一種方便的說法。嚴(yán)格地講,應(yīng)當(dāng)是它最后進(jìn)入了“ 1→4→2→1”的循環(huán)圈。這一結(jié)果如此奇異,是令人難以置信的。曾經(jīng)有人拿各種各樣的數(shù)字來試,但迄今為止,總是發(fā)現(xiàn)它們最后都無一例外地進(jìn)入“1→4→2→1”這個(gè)死循環(huán)。已經(jīng)驗(yàn)證的最大數(shù)目,已達(dá)到1099511627776。

由于數(shù)學(xué)這門科學(xué)的特點(diǎn),盡管有了如此眾多的實(shí)例,甚至再試驗(yàn)下去,達(dá)到更大的數(shù)目,但我們?nèi)圆荒苷J(rèn)為“冰雹猜想”已經(jīng)獲得證明,因此還只能稱它為一個(gè)猜想。

(在我們所查閱的資料中,尚未見到對這一猜想的完整證明。)可想而知,要證明它或推翻它,都是很不容易的,要設(shè)法說出它的實(shí)質(zhì),也似乎是難上加難。

不僅如此,對于“角谷猜想”,人們在研究過程中或作出了改動(dòng),或進(jìn)行了推廣,得出的結(jié)果同樣富有奇趣。比如,對于“角谷猜想”若作如下更動(dòng):
  任給一個(gè)自然數(shù),若它是偶數(shù),則將它除以2;若它是奇數(shù),則將它乘以3再減1.……如此下去,經(jīng)過有限次步驟運(yùn)算后,它的結(jié)果必然毫無例外地進(jìn)入以下三個(gè)死循環(huán): 

①1→2→1;②5→14→7→20→10→5; 
 、17→50→25→74→37→110→55→164→82→41→122→61→182→91→272→136→68→34→17. 
  親愛的讀者,你能對它們作出證明嗎?更進(jìn)一步,你能作出新的發(fā)現(xiàn),為數(shù)學(xué)這個(gè)百花園增添新的奇光異彩嗎? 

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