正文 第16章 數學猜想(3)(1 / 3)

雖然奎貝爾教授抓住話語間的模棱兩可之處解決了這個問題,但這個問題並不像乍看上去那麼簡單。例如,還是這個問題,如果改成100隻滿杯挨著100隻空杯排成一排,請考慮一下,若要使其變成滿杯和空杯交錯排列,需將多少對杯子互換位置,顯然一般地,如果有2n隻杯子,n隻滿杯,n隻空杯,需要將n/2對杯子互換位置。方法是:2k號杯子與2k+n號杯子互換位置即可(k=1,2,3,…),若n=100,則需互換50次。

有一個與上麵分析的問題類似但困難的多的古典難題。這回用兩種不同顏色的杯子作為道具,但是移動方法卻大相徑庭:每次隻能一塊兒移動一對相鄰的杯子,使結果成交錯排列,以n=3為例,解題過程如下圖所示:

1 2 3 4 5 6

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普遍的解是什麼呢?當n=1時,沒有意義;當n=2時,無解;當n>2時,解此問題至少需要移動n次;當n=4時,求解很不容易,你不妨試試,煞是有趣;或許你能夠把當n≥3時的解題過程公式化。

根據這一難題還可以產生許多奇異的變相問題,用來測驗你的智力。這裏試著舉幾例:

(1)仍然是同時移動兩隻相鄰的杯子,但是如果顏色不同,則要在移動過程中交換位置,這樣一對黑白的杯子就變成一對白黑排列了。解8隻杯子需要移動5次;對於10隻杯子,5次移動也夠了。

(2)某種顏色的杯子少一個,即某種顏色的杯子有n隻,另一種顏色的杯子有n+1隻,其餘規則不變,已經證明:對於任意n隻杯子,其解須作n次移動,而且這是最少的移動次數。

(3)使用三種不同顏色的杯子。按照通常的方法移動一對相鄰的杯子,使得所有這三種顏色交相輝映。當n=3(共有9個杯子),其解需要作5次移動。在這些變相問題中,假設在最終形成的排列中,不允許留有任何空距。如果允許留有空距,則問題的解法就令人驚奇地變為移動4次了。

由此看來,還有許多其他的變化形式,例如,假設一次可以同時移動3隻或更多的杯子,如上述各變相問題中改用這種移動方式,結果又會如何呢?假如是第一次移動1隻杯子,第二次移動2隻杯子,第三次移動3隻杯子,依次下去,那又會怎樣?給定某種顏色的杯子n個,另一種顏色的杯子也為n個,這個問題的解是否總是作n次移動。這種種問題都有待於人們去解決,這是非常有趣並值得我們思考的趣題。

平平常常的生活中也有不平常的數學問題,對於生活中這些富有謎一樣意義的例子,你是否睜大了雙眼去仔細觀察了呢?

角穀猜想

“角穀猜想”又稱“奇偶歸一猜想”,或“3n+1猜想”、“考拉茲猜想”、“哈塞猜想”、“烏拉姆猜想”或“敘拉古猜想”。它首先流傳於美國,不久便傳到歐洲,後來一位名叫角穀的日本人又把它帶到亞洲,因而人們就順勢把它叫做“角穀猜想”。其實,叫它“奇偶歸一猜想”更形象,也更恰當。

為什麼叫它“奇偶歸一猜想”呢?

意思是,它算來算去,數字上上下下,最後一下子回歸到最小正整數,變成一個數字:“1”。

這個數學猜想的通俗說法是這樣的:

任意給一個自然數N,如果它是偶數,就將它除以2,如果它是奇數,則對它乘3再加1,即將它變成對任意的一個自然數施行這種演算手續,經有限步驟後,最後結果必然是最小的自然數1。

對這個猜想,你不妨任意挑幾個數來試一試:

若 N=9,則 9×3+1=28, 28÷2=14, 14÷2=7, 7×3+1=22,22÷2=11,11×3+1=34,34÷2=17,17×3+1=52,52÷2=26, 26÷2=13,13×3+1=40,40÷2=20,20÷2=10,10÷2=5,5×3+1=16,16÷2=8,8÷2=4,4÷2=2,2÷2=1。

你看,經過19個回合(這叫“路徑長度”),最後變成了“1”。

若 N=120,則120÷2=60,60÷2=30,30÷2=15,15×3+1=46,46÷2=23,23×3+1=70,70÷2=35,35×3+1=106,106÷2=53,53×3+1=160,160÷2=80,80÷2=40,40÷2=20,20÷2=10,10÷2=5,5×3+1=16,16÷2=8,8÷2=4,4÷2=2,2÷2=1。