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輸入計算

數學公式

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結果

抵達 1 所需步數(停止時間)
111
次 3n+1 規則的迭代
起始數字 27
達到的最大值 9,232

什麼是考拉茲猜想?

考拉茲猜想(Collatz conjecture),又稱 3n+1 問題,是數學界最著名的未解難題之一。規則很簡單:任選一個正整數,如果它是偶數,就除以 2;如果是奇數,就乘以 3 再加 1。接著對得到的新數字重複同樣的步驟。猜想主張:無論你從哪個數字開始,最後一定會收斂到 1。

依奇偶分支的考拉茲單步流程圖
每一步將偶數減半,或對奇數套用 3n+1。

如何使用這個計算器

只要輸入任一正整數,工具就會在背後自動產生完整的考拉茲數列,並回報兩項結果:停止時間(stopping time),也就是抵達 1 所需的步數;以及數列在落回 1 之前所攀升到的最大值。這是觀察不同起始數字行為差異有多懸殊的絕佳方式。

公式說明

這條規則以分段方式定義:當 \(n\) 為偶數時,\(f(n) = n/2\);當 \(n\) 為奇數時,\(f(n) = 3n + 1\)。一旦數值抵達 1,數列就會進入 1、4、2、1 的循環,因此計算器在到達 1 時即停止計數。套用 \(f\) 的總次數,就是所謂的停止時間。

$$f(n) = \begin{cases} \dfrac{n}{2} & \text{if } n \equiv 0 \pmod{2} \\[0.6em] 3n+1 & \text{if } n \equiv 1 \pmod{2} \end{cases} \qquad n_0 = \text{Starting number}$$

實際範例

以 6 為例。6 是偶數,所以 \(6 \to 3\)(第 1 步)。3 是奇數,所以 \(3 \to 10\)(第 2 步)。接著 \(10 \to 5\)(第 3 步)、\(5 \to 16\)(第 4 步)、\(16 \to 8\)(第 5 步)、\(8 \to 4\)(第 6 步)、\(4 \to 2\)(第 7 步)、\(2 \to 1\)(第 8 步)。總共花了 8 步,過程中達到的最大值為 16。

考拉茲序列起伏並趨向 1 的折線圖
典型的考拉茲軌跡上下起伏,最終降到 1。

常見問題

這個猜想已經被證明了嗎?還沒有。電腦已經針對極為龐大的數字範圍逐一驗證過,但至今仍找不到一個適用於所有數字的通用證明。

為什麼數列有時會飆得這麼大?奇數步驟會把數字乘以 3,因此當連續出現許多奇數時,數值會先被推得很高,之後才靠著偶數的除以 2 步驟慢慢降下來。

停止時間是什麼意思?它就是在數值第一次等於 1 之前,規則被套用的次數總和。

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