コラッツ予想がとけたらいいな

**１３２人目の素数さん** · 2012/10/14(日) 10:32:39.71

525 名前：１３２人目の素数さん[sage] 投稿日：2012/09/03(月) 18:24:27.22
http://d.hatena.ne.jp/righ1113/
コラッツ予想について、証明を考えてみました。
ご指摘ご意見ご感想など、ぜひよろしくお願いします。

**righ1113** · 2013/09/16(月) 04:56:49.18

無限大に発散するほう、できました。
コラッツ値xsが無限大に発散するとします。
xs = x0 *3^s/2^l *(1+1/3x0)…(1+1/3x_s-1)
xs < x0 *(3/2)^s s<lなので

かっこの部分を考えます。
(1+1/3x0)…(1+1/3x_s-1)… > (1+1/3x0)…(1+1/(3x0*(3/2)^(s-1)))…
> 1 +1/3x0 +1/3x0(3/2) +…+1/3x0(3/2)^(s-1) +…　　　等比数列の和

1+1/x0 < (1+1/3x0)…(1+1/3x_s-1)…
左辺第二項を大きくして、イコールになるところをα0とおく
1+α0/x0 = (1+1/3x0)…(1+1/3x_s-1)…　　　　①
同様にx1からスタートして
1+α1/x1 = (1+1/3x1)…(1+1/3x_s-1)…　　　　②

**righ1113** · 2013/09/16(月) 04:58:38.08

②を①に代入
(1+1/3x0)(1+α1/x1) = 1+α0/x0
きれいにして
(3α0-1)x1 = α1(3x0+1)

x1=(3x0+1)/2^qを代入して
(3α0-1)(3x0+1) = 2^q * α1(3x0+1)
x0の部分が消えて
α1 = α0 * 3/2^q * (1-1/3α0)

xsが発散する
　→　q=1が多い、αsが大きくなるとかっこの効果も弱まる
　　→　αsも発散する

**righ1113** · 2013/09/16(月) 05:16:00.29

一方、無限大に発散するコラッツ列でx0を最小値にとれば、
x0からx∞まで等比数列で下から押えられる
と仮定する。　xs > x0*a^s　　　　　　　　　③

(1+1/3x0)…(1+1/3x_s-1)… < (1+1/3x0)…(1+1/(3x0*a^(s-1)))…
≒ 1 +1/3x0 +1/3x0a +…+1/3x0a^(s-1) +…
不等号が成り立つようにaを少し小さくする

(1+1/3x0)…(1+1/3x_s-1)… = 1+α0/x0 < 1+1/x0 *a/3(a-1)

コラッツ列をグラフにした時に、下に凸な点を考える。
x0より後でx0の次に小さいxm1で
1+αm1/xm1 < 1+1/xm1 *a/3(a-1)
xm1より後でxm1の次に小さいxm2で
1+αm2/xm2 < 1+1/xm2 *a/3(a-1)
このプロセスはいくらでも続けられるので、
αmは発散するが、a/3(a-1)は一定なので矛盾する。

**righ1113** · 2013/09/16(月) 05:53:15.99

あとは③を証明すれば良い。
傾きaは、x0 *a^s < xsを満たすので、
log(a) < log(xs/x0)/s = log(x0 *3^s/2^l *(1+1/3x0)…(1+1/3x_s-1) /x0)/s
= log3 -l/s +logA/s　　　　　　　　(1+1/3x0)…(1+1/3x_s-1) = Aとおく

コラッツパターンより　l-s < log(xs)なので、
l/s < log(xs)/s +1 = log(x0)/s +log3 -l/s +logA/s +1
l/s < log(x0)/2s +log(3)/2 +logA/2s +1/2

l/sはsが大きくなると小さくなるので、傾きaはsが大きくなると大きくなる。
（直線x0-xm1の傾きより、x0-xm2、x0-xm3…の傾きのほうが大きい。
　　aを直線x0-xm1の傾きにとれば、コラッツ値はそれより上にある。）

以上で
　　コラッツ予想で無限大に発散する数はない
ことが証明できました。

**righ1113** · 2013/09/19(木) 20:24:57.81

>>106の
l-s < log(xs)
は自明じゃなかったです。
修正します。

**righ1113** · 2013/09/29(日) 01:07:15.53

修正できました。証明したい補題は以下です。

無限大に発散するコラッツ列でx0を最小値にとれば、
x0からx∞まで等比数列で下から押えられる
　xs > x0*a^s　　　　　　　　　③

コラッツパターンにおいて、左端の傾きをd1、
右端の傾きをd2(=log1.5)とおきます。
sステップ後の左端までの距離l-sは
　　l-s = s*d1
で、左端から右端までの距離log(xs)は
　　log(xs) = log(x0) +s*d2 -s*d1
です。
s*d1≦log(x0)の区間では
　　s*d1≦log(x0) +sd1 -sd1
　　　　< log(x0) +sd2 -sd1　　∵ d1 < d2
　　l-s < log(xs)
が成り立ちます。

**righ1113** · 2013/09/29(日) 01:09:27.19

s0 < s < sgまでxs > x0*a^sが成り立つ事がわかりました。
あとはこれをs∞まで広げれば良いわけです。

s0からsgの間に傾きaを上回る二点xf,xf+1が存在する
事が言えます。もしなかったらコラッツ値のグラフが傾きa直線とぶつかって
矛盾するからです。

xf,xf+1でも同様に
xs > xf * b^t　　　s < sh　　　が言えます。変形して
　　> x0 * a^f * b^t
　　> x0 * a^(f+t)　　∵ a<b

成り立つ区間がs < sgからs < sg < shにのびました。
このプロセスを繰り返せばs∞までxs > x0*a^sが言えます。
③が証明できました。

**righ1113** · 2013/10/06(日) 03:19:16.82

>>109の
s0からsgの間に傾きaを上回る二点xf,xf+1が存在する
をちゃんと説明すると、

http://cdn-ak.f.st-hatena.com/images/fotolife/r/righ1113/20131006/20131006025445.jpg

図のように
s0からsgの間に、コラッツ値x0,x1,x2,x3をとる
x1,x2,x3とx0との傾きは、sが大きくなるに従って大きくなるので、
　　x0-x1傾き < x0-x2傾き < x0-x3傾き
　　⇒ x0-x1傾き < x2-x3傾き
よって
　　s0 < s < sgまでxs > x0*a^s
　　s < sh　　　　　xs > xf * b^t
において
　　a < b
が言えます。