コラッツの予想ははずれました。-

質問

ある数が奇数なら、3を掛けて1を足す。ある数が偶数なら2で割る。計算結果が奇数なら、また3を掛けて1を足す。偶数なら、また2で割る。その計算を続けて行くと、ありとあらゆる数から始めても、最後は全て4→2→1→4→2→1の繰り返しになるのではないかと、コラッツは予想しました。
計算値が次第に小さくなって行くと、必ず最終的には4→2→1の繰り返しになってしまいます。従って、計算値が、無限に大きくなって行く様な始まりの数があれば、必ずしも4→2→1の繰り返しにはならないことが証明されます。
最初の数が奇数（Ｘ）の場合、3を掛けて1を足すと、Ｘ（奇数）×3（必ず奇数）+1＝Ｙ（必ず偶数）となります。従って、Ｙは偶数なので、次の計算は必ず割る2となります。よって、幾ら計算値をどんどん大きくしていこうとしても、Ｘ（奇数）×3+1=Ｙ（偶数）→Ｙ（偶数）÷2＝Ｚ（奇数）、Ｚ（奇数）×3+1＝Ｏ（偶数）、Ｏ（偶数）÷2＝Ｐ（奇数）と、奇数→偶数の繰り返し以上には、計算値は大きくなっては行かないことが分かります。つまり、（ある奇数×3+1）÷2の計算結果が、必ず奇数であれば、計算値は無限に大きくなって行き、必ずしも最後は4→2→1の繰り返しとはならないことが証明されます。
　では、その様な始まりの奇数Ｘがあるか否か、エクセルを使って検証してみましょう。列Ａに上の行から順番に、1・3・5・7・9・11・・・・と奇数を入力してください。列Ｂに上から順に「＝（Ａ１×3+1）/2」「＝（Ａ2×3+1）/2」「＝（Ａ3×3+1）/2」・・・・と、左のＡ列の奇数を3倍して1を足し2で割る数式を入力します。列Ｃに上から順に「＝（Ｂ１×3+1）/2」「＝（Ｂ2×3+1）/2」「＝（Ｂ3×3+1）/2」・・・・Ｂ列のセルの計算値を、更に3倍して1を足し2で割る数式を入力します。同様の式をＤ列・Ｅ列・Ｆ列・・・に入力して行き、どんどん3倍して1を足し2で割る計算を行います。
この結果、全ての列の計算値が奇数となるものがあれば、計算値は無限に大きくなって行きます。そこで、各列において奇数が出現する様子を見てみましょう。Ｂ列では、上から2回に1度5・11・17・23・29・35・・と奇数が現れます。Ｃ列では、4回に1度17・35・53・71・89・107・125・・・と奇数が現れます。Ｄ列では8回に１度53・107・161・215・269・323・・・と奇数が現れます。Ｅ列では、16回に１度161・323・485・647・809・・・と奇数が現れます。Ｆ列では、32回に１度485・971・1457・1943・2429・2915・・・と奇数が現れます。Ｇ列では、64回に１度1457・2915・4373・5831・7289・・・・と奇数が現れます。以後同様に、Ｈ列では128回に１度、Ｉ列では256回に１度、Ｊ列では512回に１度奇数が現れます。
ここまでの計算で、奇数が連続するのは、512行目の1,023・1,535・2,303・3,455・5,183・7,775・11,663・17,495・26,243・39,365の1つです。3倍して1を足し2で割る計算をｎ回行えば、全ての計算値が奇数になるものは、2のｎ乗分の1に減少していきます。この事実は、簡単に証明出来るでしょう。
従って、計算を行えば行う程、計算値が奇数の連続になるものは1/2・1/4・1/8・1/16・1/32・・どんどん半分に減少していきます。しかし、無限の数の中では、2のｎ乗分の1は決して0にはなりません。3倍して1を足し2で割る計算をｎ回する場合、1から数えて2のｎ乗番目の奇数（又はその倍数番目の奇数）から始めると、ｎ回の計算結果全てが奇数となります。計算値は大きくなる一方で、4→2→1の繰り返しにはなりません。
有限の数の範囲内では、計算値がその範囲を超えるまで計算を行っていけば、奇数が連続しなくなります。しかし、無限の数の中では、常に先に2のｎ乗番目の奇数があります。それは（1+2×2のｎ乗）で表現される数値で、尽きることはありません。そのｎを∞にした数値から始めれば、無限に計算を繰り返しても4→2→1の繰り返しにはなりません。
少なくとも1組は、永遠に奇数が連続し数値が大きくなっていく組み合わせが存在します。従って、コラッツの予想は残念ながら誤っています。

回答No.1

nag0720 · ベストアンサー

なんで別IDで二重投稿するの？

だからあ、∞は数値じゃないだってば。

（∞を数値とした体系もあるらしいけど、コラッツの問題とは別の話だから）

補足

回答ありがとうございます。∞について参考になりました。
しかし、∞を現在の数学では扱えないから存在しないと考えるのは、誤りのようです。自然界には、多くの∞が存在しています。空間、時間、質量等限りがありません。
朝永振一郎博士も、計算結果が∞になり計算不能になることを回避する為に、くりこみ理論により、その∞を数値として扱いました。つまり、現実の世界には∞×2も、∞+1も存在しているが、数学では計算出来ないと言うことです。
私の言いたい事を追加させてください。
ある数が奇数なら×3+1を、偶数なら÷2をして行くと、述べた様に×3+1の後は必ず偶数になる為、次は÷2をしなければなりません。全ての奇数を、倍して1を足し2で割る計算を続けて行きます。１度その計算を行って、奇数になり再度その計算を行える確率は、述べた通り1/2です。偶数になる確率も1/2です。その計算が何度行えるかは、それぞれの奇数によって具体的に決まっています。全ての偶数を2で割ってその結果が偶数になる確率も1/2で、奇数になる確率も1/2です。何回÷2の計算を行えるかは、それぞれの偶数によって決まっています。ですから、ある数に対して2回計算した場合、始めの数が偶数の場合は1/4倍に、始めの数が奇数の場合は3/2倍より大きく4倍より小さい値になります。
確率的に言って、この計算を行っていくと、値はどんどん小さくなって行き、最後には4→2→1の循環に陥ってしまいます。
計算の結果、何度奇数が連続し、何度偶数が連続するか共通する群毎に分けて考えることが出来ます。ある1つの群を除いては、全て4→2→1の循環に陥ることを証明出来るでしょう。しかし、ある１つの群については、数学では4→2→1の循環に陥ることは証明出来ない様です。
その群とは、（1+2×2の∞乗）ただ１つの群です。この値が存在すれば、この群は永遠に奇数が連続するので4→2→1の循環に陥ることはありません。存在せず空集合であれば、全て4→2→1の循環に陥いります。数学では無限を扱えないので、これが存在するかしないか証明は出来ません。ですから、コラッツの予想は、数学では証明しようのないものです。無限にあるあらゆる場合を群毎に分け、全ての群について4→2→1の循環に陥るか、ある群については4→2→1の循環に陥らないものがあるか証明出来る性質のものでないと、無限の問題は扱えません。
従って、コラッツの予想は誤っているといっても間違いではないのです。