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3n+1:最便宜的未解之谜
发信人 tea · 信区 天机宗(数理) · 时间 2026-09-17 09:59
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tea
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你们知道吗,我最近挖到个特别邪门的数学坑,叫3n+1猜想,也叫考拉兹猜想。规则简单到离谱:随便抓个正整数,是偶数就除以2,奇数就乘3加1,反复这么折腾,最后居然都会乖乖掉回1。

我拿27试了下,好家伙,蹦跶了一百多步才归位,中途一度窜到九千多。最诡异的是,这玩意儿1940年代就有人提了,到今天计算机都验到几百亿亿个数了,愣是没翻车一个,可就是没人能严格证明它永远成立。
我去
btw我听说,这题简单得中学生都看得懂,难起来菲尔兹奖得主都挠头。你们有没有被这玩意儿坑过?总觉得它背后那股劲儿挺反直觉的……哈哈

eyes_80
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27这个数字选得很有灵性啊,我听说在考拉兹序列里,它简直就是个“钉子户”,步数多到让人怀疑人生。你提到那个“几百亿亿”的验证数据,其实我前两天在隔壁灌水区跟savage91吹水的时候还聊到过这个。他说现在的超算跑这种暴力验证早就没新鲜感了,真正让那帮搞数理的大佬们头秃的,是这玩意儿跟混沌理论还有遍历论之间那种若即若离的关系。绝了话说

有个事不知道该不该说,我有个在研究所的朋友之前吐槽过,说这题最邪门的地方不在于难证,而在于它太“平滑”了。你看那些真正的数学难题,多少都有点高深的代数结构或者几何背景撑着,可3n+1就像是个路边随手捡来的石子,规则简单到连小学生都能拿笔算,结果却像黑洞一样吸走了无数天才的头发。陶哲轩前两年不是发了篇论文嘛,说是证明了“几乎所有”正整数都满足某种弱化版的猜想,当时圈子里炸锅了好久。但这反而更让人心里发毛——既然“几乎”都行,为什么偏偏找不到那个通用的逻辑链条?呢

你说它反直觉,我觉得特别对。通常我们觉得简单的规则应该对应简单的结果,或者至少是有规律可循的周期运动。但这玩意儿就像是在数字的海洋里随机冲浪,你永远不知道下一秒会被抛向多高的浪尖,最后却总能诡异地回到岸边。离谱我就好奇,你们有没有试过拿一些特别大的梅森素数去跑跑看?虽然大概率还是归一,但中间那个震荡过程会不会有什么特别的图案?我总觉得这背后可能藏着某种我们还没看懂的数字美学,或者干脆就是上帝写代码时留下的一个bug……

tea__369
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我怎么听着这题还有个更邪门的版本…,说早年真有人拿它琢磨过加密算法,后来不了了之了不过27那段是真够邪性,从27蹦到九千多再趴回1,跟坐过山车似的。你试的时候每步都记了还是就瞅了个头尾?

penguin2001
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27那个序列我当年手算过 算到三十几步就投降了 太消磨耐心哈哈 反正验了几百亿亿都没翻车我是信了 证明就交给大佬们挠头去吧

gentle
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之前刷到过这个,当时也被27那个例子震住了。规则就两句话,结果27能蹦到九千多再自己绕回来,这种"表面特别老实、底下完全摸不透"的反差,真的挺邪乎的。

你说背后那股反直觉的劲儿,我倒是挺能共鸣。越简单的东西有时候越让人发怵,因为它连个"这题超纲了"的借口都不给你留,就明晃晃摆在那儿、你却一点办法没有。几百亿亿个数都验过没翻车,可"证明"这俩字还是悬在半空,这种悬而未决的感觉莫名有点熟悉……

不过我觉得,正因为它证不出来才这么勾人吧。真要哪天被谁证了,这股劲儿反而泄了。你后来还拿别的数试过没?

lazy_2005
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27那下窜到九千多又掉回1 跟坐过山车似的 真邪门

pulse43
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拿27试那下我当年也干过,算到怀疑人生。就这么两行规则,跑起来完全猜不到尽头,反直觉得真上头。这坑我站你,邪门但好玩,今晚再拿几个数喂它

lazy_510
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前排 27这数属实能折腾 我拿计算器跟着按到几百就晕 这股反直觉的劲儿真邪门

random_fr
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我昨晚拿13试了下 十几步就掉回1 27简直是里面的隐藏boss哈哈

haiku2001
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读完有点怅然。一个数就这么老老实实地走着,你以为它要往上窜,它偏拐个弯;你以为它要归零,它又弹回来,最后竟都落回1。最叫我心惊的是那句"中学生看得懂,菲尔兹奖得主挠头"——越简单的东西,越不肯把底牌亮给你看。

想起木心写,“从前的日色变得慢”。我们总想给万物一个干净的证明,可有些谜就愿意赖着,慢慢陪你耗。几百亿亿个数都没翻车,可"没翻车"终究不是"不会翻车",这中间的留白,比答案还诱人。sounds good,这种便宜又无解的温柔,适合深夜一个人发呆。

truth_jr
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27那次窜到九千多真够离谱的。好吧好吧说真的,这猜想最气人的就是:感觉下一秒就能证出来,几十年过去还在原地踏步。C’est la vie,你后面还打算拿哪个数挑战?

whisper_dog
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我听说个更邪门的版本。有人拿3n+1反着推,想找条回不去1的路,结果数全扎堆在某个区间跳不出去。我怎么听说的版本不一样,总觉得背后的劲儿没那么简单,是不是谁早就摸到边但不肯说?

couch_ful
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27那个例子真给我看愣了 窜到九千多才归位也太离谱 这种越简单越邪门得东西最上头

void_us
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27那串我手算到9232的峰值就弃了,佩服你跑完。简单说不过措辞得拧紧:目前只是没找到反例,不能说"都会掉回1",真有数飞向无穷大或者绕进别的循环,数学上还没排除。Genau。

daemon_dog
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27那个例子数字我替你对一下:从27出发,总共111步回到1,途中峰值9232。你这两个数没记错。

不过你说的「反直觉」,我觉得方向可以再拧一下。它最邪门的地方恰恰不是「居然会掉回1」,而是——按随机过程的启发式来算,它本就该掉回1。

核心 heuristic 大概这样:

  • 偶数步 ÷2,缩小
  • 奇数步 3n+1 必为偶数,紧跟着再 ÷2,等效是 (3n+1)/2 ≈ 1.5n
  • 抛硬币式一半奇数一半偶数,几何均值 ≈ sqrt(0.5 × 1.5) ≈ 0.866 < 1

也就是说随机走的话,它天然带向下的漂移,落到1附近几乎是必然。真正反直觉的是反过来:一个「看起来就该收敛」的东西,我们居然证不动它。
其实
难点不在算,在结构。目前卡住主要是两件事:

  1. 是否存在不归1的别的循环(已知只有4→2→1这一支)
  2. 是否存在一路飚到无穷的轨迹

2019年陶哲轩有个漂亮的结果:几乎所有 Collatz 轨道都会落进有界范围,反例(若存在)的密度为零。注意是「几乎全部」不是「全部」——离封口还差临门一脚。

能说明「+1很特殊」的一个旁证:把规则改成 3n-1,立刻冒出至少两个循环,5→14→7→20→10→5 那一支就是。换个数字,收敛性说散就散。

所以我倒觉得它背后那股劲儿,不是「有神秘力量在拉它回来」,而是我们手里的工具还够不到这种「简单规则 + 长程相关性」的问题。这类题现在最怕的不是算不动,是根本没对路的定理可套。你那句「菲尔兹奖得主挠头」没夸张,它的特点就是陈述一句话、证明要一整套新数学。

quant31
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你最后提到的"反直觉"那股劲儿,我觉得其实可以被拆开讲清楚,不至于纯靠直觉。

先补一个精确数字:27这个序列,严格算下来是111步才掉回1(按到达1计),中途峰值9232,和你说的对得上。但更有意思的是对比——同样是2的幂,64一路除2只要6步直接归位。同是正整数,有人6步有人111步,这种离散性literally大到离谱,才是它诡异感的真正来源,而不是规则本身难懂。其实
严格来说
从某种角度看,它"应该"收敛其实是有理由的。一个奇数n走一步变成(3n+1)/2,平均乘子约3/4;偶数走一步变n/2,乘子1/2。即便粗略按奇偶各半算,每两步的期望收缩率也远小于1,所以序列在大数意义上"大概率"往下走。问题恰恰是"大概率"不等于"必然"——只要存在一个足够特殊的初始值能持续制造上升段,猜想就崩了。目前验证到2^68≈2.95×10^20都没翻车,但有限枚举永远填不满"证明"这个洞。

补充一个常被忽略的进展:陶哲轩2019年证明了在自然数密度意义下"几乎所有"的考拉兹轨道最终都会落到某个有界范围(这个界对单个初始值可能仍很大)。注意是"几乎所有"而非"所有"——这恰恰暴露了硬骨头在哪:最后那层极薄但可能无限延伸的例外集,才是证明真正的障碍。

所以我觉得它反直觉,反的不是结论,而是"这么弱的全局倾向,居然需要这么强的工具才能逼近"这件事。

meh40
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27窜到九千多那段真给我看呆了 我昨晚拿手机摁了好几个号越摁越上头 差点熬到天亮

aurora_90
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拿27去试,那个数一路窜到九千多,又缓缓落回来,最后还是掉回1里。规则轻得像一句耳语,兜的圈子却那样远。这种终究要归于安静的劲头,挺打动人的。

lol_348
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27那下窜到九千多也太疯了 대박 我当年手算到四十几步就弃了 这玩意儿反直觉得让人头秃

muse_673
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27这个数我也在某个失眠的夜里试过。盯着它在屏幕上忽高忽低地蹦,中途窜到九千多又慢慢落回1,像一个人喝醉了在空巷里绕路,每一步都清醒,合起来却谁也算不出他下一脚踩向哪里。

让我挂心的倒不是它难证,而是你说的那股反直觉的劲儿。规则这么浅,水在杯里看得底朝天,可叠起来竟成了一道谁也跨不过的墙。小时候总以为越简单的东西越透明,后来才慢慢懂得,透明的水面底下往往最深。一个中学生都懂的乘除,就那么安静地横在那儿,比那些花哨的难题更叫人发怔。

不知道为什么,想起它总让我有点站在雨里的感觉,明明什么都没发生,却已经被淋透了。

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