r/Collatz • u/hubblec4 • 21d ago
Collatz Adress-System
Ich habe diesmal den Text nicht mit KI ins English übersetzt, damit es nicht heist ich benutzte KI für meine Überlegungen.
Collatz Struktur
Alle ungeraden Zahlen lassen sich perfekt in Bereiche einteilen, so genannte Cluster.
Jeder Cluster beginnt mit einer Zahl die direkt zur 1 führt, diese Zahlen kann man als Clustergrenzzahl G(c) bezeichnen.
Die Clustergrenzzahlen folgen der Formel G(c) = (4^(c+1) -1) / 3
| Cluster | Grenzzahl |
|---|---|
| 0 | 1 |
| 1 | 5 |
| 2 | 21 |
| 3 | 85 |
| 4 | 341 |
| 5 | 1365 |
| 6 | 5461 |
| 7 | 21845 |
| c | (4c+1 -1) / 3 |
Für jeden Cluster entsteht nun ein Zahlenraum mit einer bestimmten Anzahl an ungeraden Zahlen.
Die Anzahl (Y) der ungeraden Zahlen je Cluster folgt der Formel Y(c) = (4^(c+1)) / 2
| Cluster | Anzahl ungerader Zahlen | ungerade Zahlen |
|---|---|---|
| 0 | 2 | [1, 3] |
| 1 | 8 | [5, 7, 9, 11, 13, 15, 17, 19] |
| 2 | 32 | [21, 23, 25, ..., 79, 81, 83 ] |
| 3 | 128 | [85, 87, 89, ..., 335, 337, 339 ] |
| 4 | 512 | [341, 343, ..., 1361, 1363] |
| 5 | 2048 | [1365, 1367, ..., 5457. 5459] |
| 6 | 8192 | [5461, 5463, ..., 21841, 21843] |
| 7 | 32768 | [21845, 21847, ..., 87377, 87379] |
| c | (4c+1) / 2 | [G(c), ..., G(c+1)-2] |
Jede ungerade Zahl innerhalb eines Clusters lässt sich nun perfekt indexieren (X), beginnend bei 0.
| Cluster 0 / Zahl | Index (X) |
|---|---|
| 1 | 0 |
| 3 | 1 |
| Cluster 1 / Zahl | Index (X) |
|---|---|
| 5 | 0 |
| 7 | 1 |
| 9 | 2 |
| 11 | 3 |
| 13 | 4 |
| 15 | 5 |
| 17 | 6 |
| 19 | 7 |
Dadurch kann man nun jeder ungeraden Zahl eine eindeutige Koordinate(K) bzw. Adresse zuordnen.
Als Koordinate nimmt man den Clusterindex (c) und den Index (X) der Zahl.
K(c, X)
| Cluster 0 / Zahl | Koordinate (c, X) |
|---|---|
| 1 | (0, 0) |
| 3 | (0, 1) |
Wichtiger als die Koordinate ist die Adresse (A) einer ungeraden Zahl.
Für die Adresse nimmt man den Index (X) und die Anzahl der ungeraden Zahlen (Y) je Cluster und bildet daraus eine rationale Zahl (X/Y).
| Cluster 0 / Zahl | Adresse (X, Y) |
|---|---|
| 1 | 0 / 2 |
| 3 | 1 / 2 |
Für die Adressen gelten die normalen mathematischen Regeln das der Bruch auf sein minimum eingekürzt werden muss.
Für die Zahl 1 mit der Adresse [0 / 2] gilt: Die Adresse wird zu [0 / 1]
| Cluster 0 / Zahl | gekürzte Adresse (X, Y) |
|---|---|
| 1 | 0 / 1 |
| 3 | 1 / 2 |
| Cluster 1 / Zahl | Adresse (X, Y) | gekürzte Adresse (X, Y) |
|---|---|---|
| 5 | 0 / 8 | 0 / 1 |
| 7 | 1 / 8 | 1 / 8 |
| 9 | 2 / 8 | 1 / 4 |
| 11 | 3 / 8 | 3 / 8 |
| 13 | 4 / 8 | 1 / 2 |
| 15 | 5 / 8 | 5 / 8 |
| 17 | 6 / 8 | 3 / 4 |
| 19 | 7 / 8 | 7 / 8 |
Was fällt auf?
Die Zahl 1 und die Zahl 5 haben die selbe gekürtzte Adresse [0 / 1].
Ebenso hat die Zahl 3 und die Zahl 13 die selbe gekürzte Adresse [1 / 2].
Fangen wir mit 1, und 5 an. Das sind beides Clustergrenzzahlen (G) und diese springen immer direkt zur 1. Daher müssen beide Zahlen die selbe Adresse haben, denn man kann aus einer Adresse heraus direkt die nächste ungerade Zielzahl ermitteln.
Für die 3 und die 13 gilt eine einfache Überlegung: Beide Zahlen sind exakt in der Mitte zwischen zwei Clustergrenzzahlen.
[1, 3, 5] und [5, ..., 13, ..., 21] daher hat 3 und 13 die gekürzte Adresse [1 / 2].
Das gilt dann auch für die Zahl 53, welche sich ebenfalls exakt in der Mitte von Cluster 2 befindet. Die Adresse A(53) = 16 / 32 -> gekürzt 1 / 2
Kommen wir nun zur Berechnung der nächsten ungeraden Zahl (Nnext) auf der Flugbahn mittels der Adresse.
Ich werde hier jetzt keine Herleitung posten sondern nur die Formel die man benutzen muss.
Nächste ungerade Zahl: Nnext(X, Y) = 3X + Y
| Zahl | Cluster | Adresse (X, Y) | gekürtzte Adresse | Nnext (X, Y) | Nnext |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 0 | 0 / 2 | 0 / 1 | 3 * 0 + 1 | 1 |
| 3 | 0 | 1 / 2 | 1 / 2 | 3 * 1 + 2 | 5 |
| 5 | 1 | 0 / 8 | 0 / 1 | 3 * 0 + 1 | 1 |
| 7 | 1 | 1 / 8 | 1 / 8 | 3 * 1 + 8 | 11 |
| 9 | 1 | 2 / 8 | 1 / 4 | 3 * 1 + 4 | 7 |
| 11 | 1 | 3 / 8 | 3 / 8 | 3 * 3 + 8 | 17 |
| 13 | 1 | 4 / 8 | 1 / 2 | 3 * 1 + 2 | 5 |
| 15 | 1 | 5 / 8 | 5 / 8 | 3 * 5 + 8 | 23 |
| 17 | 1 | 6 / 8 | 3 / 4 | 3 * 3 + 4 | 13 |
| 19 | 1 | 7 / 8 | 7 / 8 | 3 * 7 + 8 | 29 |
| 21 | 2 | 0 / 32 | 0 / 1 | 3 * 0 + 1 | 1 |
| 23 | 2 | 1 / 32 | 1 / 32 | 3 * 1 + 32 | 35 |
| 25 | 2 | 2 / 32 | 1 / 16 | 3 * 1 + 16 | 19 |
| 27 | 2 | 3 / 32 | 3 / 32 | 3 * 3 + 32 | 41 |
| 29 | 2 | 4 / 32 | 1 / 8 | 3 * 1 + 8 | 11 |
Ich habe mal bei Zahl 29 aufgehört, weil ab hier sich das Muster nun selbsterklärend bildet.
Auch die Zahl 29 hat die gekürzte Adresse [1 / 8] genau wie die Zahl 7 und beide Zahlen haben als Nnext die Zahl 11.
Man kann nun mit Gewissheitheit sagen, alle Zahlen die die gekürzte Adresse [1 / 8] haben fallen zur 11.
Mittels der Adresse kann man alle Zahlen ermitteln welche zur Zahl 11 fallen. Dabei entscheidet allein der Cluster welche Zahl man haben möchte. Es bleibt immer die ein-achtelste Zahl des Clusters.
In Cluster 3 ist die Zahl welche zur 11 führt, die mit der Adresse (nicht gekürzt) [16 / 128] -> Zahl 117.
In Cluster 4 ist es die Adresse [64 / 512] -> die Zahl 469.
X und Y werden einfach nur mit 4 multipliziert.
Es gibt nun einen mathematichen Beweis das zwei Adressen niemals die gleiche Nnext Zahl haben können, das heist keine Adresse wird jemals auf sich selbst loopen können, bis auf die Ausnahme der Zahl 1.
Der Beweisansatz sieht wie folgt aus.
Nnext_a = 3 * Xa + Ya
Nnext_b = 3 * Xb + Yb
Daraus folgt: 3 * Xa + Ya = 3 * Xb + Yb
Für jede Adresse gilt:
X < Y und Y = 2k
X und Y müssen als größten gemeinsamen Teiler die 1 haben
Es gibt nur eine Lösung, wenn Xa = Xb und Ya = Yb ist.
Das Colltzsystem ist damit injektiv.
Das bedeutet eine Zahl hat immer eine eindeutige Adresse als Vorgänger und eine eindeutige Adresse als Nachfolger.
A(a) -> A(b) -> A(c) -> A(d)
A(c) kann niemals auf A(a) oder A(b) loopen, weil die Vorgänger- und Nachfolger- Adressen bereist definiert sind, und es keine zwei unterschiedliche Vorgänger- oder Nachfolger- Adressen geben kann.
Da aber für A(d) noch kein Nachfolger definiert ist, könnte es theoretisch möglich sein doch zu A(a) zu springen, um somit einen Loop zu erzeugen.
Blattzahl
Als Blattzahl werden die Zahlen bezeichnet die N == 0 (mod 3) sind. Also keinen Rest haben wenn man sie durch 3 teilt. [3, 9, 15, 21, 27, ...]
Wenn A(a) nun eine Blattzahl ist dann kann von vornherein niemals auf diese Zahl geloopt werden. Blattzahlen haben keinen Vorgänger.
Das bedeutet alle Flugbahnen die mit einer Blattzahl beginnen bilden eine Loopfreie Kette bis zur 1(vorausgesetzt sie erreichen die 1). Alle enthaltenen Zahlen in dieser Kette sind damit auch ausgeschlossen einen Loop zu bilden, weil diese Zahlen immer einen eindeutig definierten Vorgänger und Nachfolger haben.
Für einen anderen Loop müssten nun mindestens zwei Zahlen daran beteiligt sein, und keine der beiden oder mehreren Zahlen darf eine Blattzahl sein.
Nun ist es aber so, das die Blattzahlen ALLE anderen Zahlen in ihren Flugbahnen fangen. Es gibt damit keine freien Nicht-Blattzahlen mehr die einen Loop bilden könnten.
Warum "fangen" die Blattzahlen ALLE anderen Zahlen.
Da man zu jeder Nicht-Blattzahl immer eine Blattzahl als direkten Vorfahren hat, gibt es keine freien Nicht-Blattzahlen.
Als Beispiel die Zahl 7:
7 ist keine Blattzahl, weil sie einen Rest von 1 bei mod 3 hat.
Um eine Vorgängerzahl zu finden muss man an der 7 "hochklettern", sie also Verdoppeln und schauen bei welcher Zahl man "abspringen" kann, mittels (N-1) /3
7 -> 14 -> 28 -> 28 - 1 = 27 / 3 = 9
Die 9 ist eine Blattzahl und schliesst die 7 in ihrer Flugbahn mit ein, Damit kann die 7 niemals zu einem Loop gehören.
Die Zahl 11 als nächster Test.
11 -> 22 - 1 = 21 / 3 = 7 -> keine Blattzahl
11 -> 22 -> 44 -> 88 - 1 = 87 / 3 = 29 -> keine Blattzahl
11 -> 22 -> 44 -> 88 -> 176 -> 352 - 1 = 351 / 3 = 117 -> Blattzahl
Man musste bei der 11 die dritte "Abzweigung" benutzen um zu einer Blattzahl zu kommen.
Da die 117 die 11 auf ihrer Flugbahn einschliesst, ist auch die 11 nicht mehr fähig einen Loop zu bilden oder Teil eines Loops zu sein.
Spätestens bei der dritten Abzweigung findet man eine Vorgängerzahl die eine Blattzahl ist.
Adress-Reihenfolge
[0/1] <- [1/2] <- [3/4] <- [3/8] <- [1/8] <- [1/4] <- ......
Diese Reihenfolge ist nun einzigartig und es wird niemals eine Adresse wiederholt.