Collatzova hypotéza. David Brebera XIV. seminář z historie matematiky pro vyučující na středních školách

Podobné dokumenty
B-IIa Studijní plány pro bakalářské a magisterské SP - prezenčního

Hammingův odhad. perfektní kódy. koule, objem koule perfektní kód. triviální, Hammingův, Golayův váhový polynom. výpočet. příklad

Bonn, Rheinischen Friedrich-Wilhelms-Universität

Nalezněte obecné řešení diferenciální rovnice (pomocí separace proměnných) a řešení Cauchyho úlohy: =, 0 = 1 = 1. ln = +,

Celočíselné posloupnosti a jejich aplikace

Praktické využití Mathematica CalcCenter. Ing. Petr Kubín, Ph.D. Katedra elektroenergetiky, ČVUT v Praze, FEL

Matematická analýza ve Vesmíru. Jiří Bouchala

Zpracoval: 7. Matematická indukce a rekurse. Řešení rekurentních (diferenčních) rovnic s konstantními koeficienty.

Riemannova hypotéza Martin Havlík 2. A

Wolfram Alpha. v podobě html stránky, samotný výsledek je často doplněn o další informace (např. graf, jiné možné zobrazení výsledku a

Gymnázium Česká a Olympijských nadějí, České Budějovice, Česká 64, 37021

Algebraické rovnice. Obsah. Aplikovaná matematika I. Ohraničenost kořenů a jejich. Aproximace kořenů metodou půlení intervalu.

Základy matematické analýzy

Hlavolamy a teorie grafů

Složitost Filip Hlásek

Podmínky pro hodnocení žáka v předmětu matematika

Třídy složitosti P a NP, NP-úplnost

Historie matematiky a informatiky Cvičení 1

Úvod do informatiky. Miroslav Kolařík

Lineární algebra : Lineární (ne)závislost

Fraktály. krásné obrázky v matematice

Učitelství 2. stupně ZŠ tématické plány předmětů matematika

Principy indukce a rekursivní algoritmy

Výroční zpráva projektu specifického výzkumu v roce 2015 zakázka č Speciální typy matic a jejich souvislost s celočíselnými posloupnostmi

Řešení slovních úloh pomocí lineárních rovnic

ALGEBRA. 1. Pomocí Eukleidova algoritmu najděte největší společný dělitel čísel a a b. a) a = 204, b = 54, b) a = , b =

Matematika 2 pro PEF PaE

CZ 1.07/1.1.32/

Matematika 1 Jiˇr ı Fiˇser 19. z aˇr ı 2016 Jiˇr ı Fiˇser (KMA, PˇrF UP Olomouc) KMA MAT1 19. z aˇr ı / 19

Odpřednesenou látku naleznete v kapitolách skript Abstraktní a konkrétní lineární algebra.

z nich byla poprvé dokázána v 19. století velikány analytické teorie čísel (Pafnutij Lvovič Čebyšev, Charles-Jean de la Vallée Poussin a další).

Matematika IV - 3. přednáška Rozklady grup

Tematický plán Obor: Informační technologie. Vyučující: Ing. Joanna Paździorová

Netradiční výklad tradičních témat

Vektorové podprostory, lineární nezávislost, báze, dimenze a souřadnice

Programy a algoritmy pracující s čísly. IB111 Úvod do programování skrze Python

Rozvoj tepla v betonových konstrukcích

Diskrétní matematika. DiM /01, zimní semestr 2016/2017

Prvočísla: 2, 3, 5, 7, 11, 13,... Základní věta aritmetiky. Jestliže. kde p 1 < p 2 < < p r, q 1 < q 2 < < q s jsou prvočísla a

Maturitní témata profilová část

Buněčné automaty a mřížkové buněčné automaty pro plyny. Larysa Ocheretna

Diferenciální počet funkcí jedné proměnné

7. Funkce jedné reálné proměnné, základní pojmy

Vzpěr jednoduchého rámu, diferenciální operátory. Lenka Dohnalová

Kvantové algoritmy a bezpečnost. Václav Potoček

Maturitní okruhy z matematiky - školní rok 2007/2008

Numerické řešení nelineárních rovnic

Regresní analýza. Eva Jarošová

1 Lineární prostory a podprostory

WOLFRAM MATHEMATICA ANEB MATEMATICKÉ FUNKCE

Diferenciální počet 1 1. f(x) = ln arcsin 1 + x 1 x. 1 x 1 a x 1 0. f(x) = (cos x) cosh x + 3x. x 0 je derivace funkce f(x) v bodě x0.

Diferenciální počet funkcí jedné proměnné

Historie matematiky a informatiky 2 7. přednáška

Paradoxy nekonečna. Co analyzuje Matematická analýza? Nekonečné procesy. n(n + 1) + = n 2 + = π2 6

Bakalářské a diplomové práce. katedra matematiky

Diferenciální počet funkcí jedné proměnné

Seznámíte se s pojmem primitivní funkce a neurčitý integrál funkce jedné proměnné.

Výpočetní a aplikovaná matematika

VYUŽITÍ MATLABU PRO VÝUKU NUMERICKÉ MATEMATIKY Josef Daněk Centrum aplikované matematiky, Západočeská univerzita v Plzni. Abstrakt

Projekt OPVK - CZ.1.07/1.1.00/ Matematika pro všechny. Univerzita Palackého v Olomouci

Definice (Racionální mocnina). Buď,. Nechť, kde a a čísla jsou nesoudělná. Pak: 1. je-li a sudé, (nebo) 2. je-li liché, klademe

Matematika pro všechny

Matematika 1 pro PEF PaE

Diskrétní matematika. DiM /01, zimní semestr 2017/2018

Funkce, elementární funkce.

Matematika drsně a svižně -- nekonvenční projekt výuky a učebnice

Analýza Petriho sítí. Analýza Petriho sítí p.1/28

bfs, dfs, fronta, zásobník, prioritní fronta, halda

Matematika IV - 3. přednáška Rozklady grup

Matematika IV 10. týden Kódování

Bakalářská matematika I

Stromové rozklady. Definice 1. Stromový rozklad grafu G je dvojice (T, β) taková, že T je strom,

Odpřednesenou látku naleznete v kapitole 3.1 skript Abstraktní a konkrétní lineární algebra.

ÚSTAV MATEMATIKY A DESKRIPTIVNÍ GEOMETRIE. Matematika 0A1. Cvičení, zimní semestr. Samostatné výstupy. Jan Šafařík

PŘEDNÁŠKA 2 POSLOUPNOSTI

Příklad 1. Řešení 1a Máme vyšetřit lichost či sudost funkce ŘEŠENÉ PŘÍKLADY Z M1A ČÁST 3

Proseminář z matematiky pro fyziky

konference 30. října 2018

Základy algoritmizace

1 L Hospitalovo pravidlo

4.1 Řešení základních typů diferenciálních rovnic 1.řádu

Soulad studijního programu. Aplikovaná informatika

Manažerská ekonomika KM IT

Polynomy a racionální lomené funkce

Zadání a řešení testu z matematiky a zpráva o výsledcích přijímacího řízení do magisterského navazujícího studia od podzimu 2016

Diskrétní matematika 1. týden

Komplexní analýza. Fourierovy řady. Martin Bohata. Katedra matematiky FEL ČVUT v Praze


CODEWEEK 2014 Rozvoj algoritmického myšlení nejen pomocí programu MS Excel. Michaela Ševečková

Gymnázium Jiřího Ortena, Kutná Hora

bfs, dfs, fronta, zásobník, prioritní fronta, halda

Matematické algoritmy (11MAG) Jan Přikryl

O dělitelnosti čísel celých

Matematické algoritmy (11MAG) Jan Přikryl. verze: :29

Systematizace a prohloubení učiva matematiky. Učebna s dataprojektorem, PC, grafický program, tabulkový procesor. Gymnázium Jiřího Ortena, Kutná Hora

Diferenciální rovnice 1

Abundantní čísla. J. Nečas

Největší společný dělitel

Seminář pro vedoucí knihoven asviústavů AV ČR ASEP


Transkript:

Collatzova hypotéza David Brebera XIV. seminář z historie matematiky pro vyučující na středních školách Poděbrady 19. 8. 019 1

Lothar Collatz 6. 7. 1910, Arnsberg, Německo 6. 9. 1990, Varna, Bulharsko 198 1933 Greifswald, Michov, Göttingen, Berlín Výrazně ovlivněn přednáškami Davida Hilberta 1935, Berlín (numerické metody řeš. lineárních diferenciálních rovnic) 1937 Collatzova hypotéza 1943 profesor, Hannover 195 Hamburg, zakládá Institut aplikované matematiky 36 publikací, převážně numerická matematika credit: uni-hamburg.de Lothar Collatz 1910 1990 1937: Collatzova hypotéza (stále nevyřešena) a n+1 = a n 3a n + 1 a n sudé a n liché a 1 N n N a n = 1 Pro libovolnou počáteční hodnotu a 1 se v konečném počtu kroků vždy dostaneme k hodnotě a n = 1 credit: uni-hamburg.de

Příklady 6, 3, 10, 5, 16, 8, 4,, 1 19, 58, 9, 88, 44,, 11, 34, 17, 5, 6, 13, 40, 0, 10, 5, 16, 8, 4,, 1 6, 13, 40, 0, 10, 5, 16, 8, 4,, 1,4,,1 7, 8, 41, 14, 6, 31, 94, 47, 14, 71, 14, 107, 3, 161, 484, 4, 11, 364, 18, 91, 74, 137, 41, 06, 103, 310, 155, 466, 33, 700, 350, 175, 56, 63, 790, 395, 1186, 593, 1780, 890, 445, 1336, 668, 334, 167, 50, 51, 754, 377, 113, 566, 83, 850, 45, 176, 638, 319, 958, 479, 1438, 719, 158, 1079, 338, 1619, 4858, 49, 788, 3644, 18, 911, 734, 1367, 410, 051, 6154, 3077, 93, 4616, 308, 1154, 577, 173, 866, 433, 1300, 650, 35, 976, 488, 44, 1, 61, 184, 9, 46, 3, 70, 35, 106, 53, 160, 80, 40, 0, 10, 5, 16, 8, 4,, 1 8, 14, 7,, 11, 34, 17, 5, 6, 13, 40, 0, 10, 5, 16, 8, 4,, 1 Průběh posloupnosti pro a 1 = 7 3

Podat důkaz tvrzení nebo Řešení Najít protipříklad, tedy počáteční hodnotu, pro kterou bude posloupnost divergovat skončí posloupnost jiným než triviálním cyklem 1, 4,, 1, 4,, 1, 4,, Hrubou silou ověřeno do 1.003 10 0 (BOINC) stále platí (to ale není důkaz, Pólya conjecture) Pólya conjecture George Pólya 1887 (Budapešť) 1985 (Palo Alto, California) ETH Zürich, Stanford University 1919: V radě přirozených číslech převažují čísla s lichým počtem členů prvočíselného rozkladu 18 = 1 3, 1 + = 3 60 = 3 5, + 1 + 1= 4 1958: teoretické řešení (1.845 10 361 ) 1980: nalezen protipříklad pro hodnotu 906 150 57 poprvé zvítězí sudé rozklady 4

1958 1960 196 1964 1966 1968 1970 197 1974 1976 1978 1980 198 1984 1986 1988 1990 199 1994 1996 1998 000 00 004 006 008 010 01 014 016 018 BOINC University of California, Berkeley BOINC - Berkeley Open Infrastructure for Network Computing využití volné výpočetní kapacity osobních počítačů (v součtu kapacit jde o 4. nejvýkonnější superpočítač) SETI@home (hledání signálů mimozemských civilizací zatím nic) LHC@home (CERN), NFS@home (faktorizace velkých čísel) celkem 35 různých projektů ze všech oborů Collatz: 100 304 170 900 795 686 91 = 87 60 = 1.003 10 0 (kalkulačky) WoS + Scopus + Google Scholar Scopus: 77 článků Web of Science: 67 článků Google Scholar: 470 článků 9 8 7 6 5 4 3 1 0 5

Současný stav 1977: existuje pouze jeden triviální cyklus délky (1 -> 4 -> -> 1 -> 4...) 1993: délka netriviálního cyklu bude minimálně 17 087 915 kroků 005: pokud existuje netriviální cyklus, musí obsahovat hodnotu minimálně 385 50 Co se zkoumá? Maximální hodnota 6

Co se zkoumá? Maximální hodnota Počet kroků nutných k dosažení 1 7

Co se zkoumá? Collatzova mapa (strom) http://www.jasondavies.com/collatz-graph/ Další zkoumání Celkový počet kroků nutných k dosažení 1 (A006577) Maximální hodnota (A05586) poměr počtu lichých(a006667) a sudých kroků (A006666) Počet kroků nutných k dosažení známé hodnoty Chování zrychlené varianty (A006666) a n+1 = a n 3a n + 1 a n sudé a n liché a n+1 = a n 3a n + 1 a n sudé a n liché 8

lichá OEIS.ORG On-Line Encyclopedia of Integer Sequences Neil Sloane (1939, Wales) kombinatorika, samoopravné kódy sběratel celočíselných posloupností (od r. 1964) od roku 1996 na webu oeis.org 30 000 posloupností (červen 019) databáze je otevřena všem přispěvatelům Další zkoumání I. Počet sudých a lichých kroků 0.7 70 s/l 60 0.6 50 0.5 40 0.4 30 0.3 0 0. 10 0.1 0 0 0 40 60 sudá 80 100 10 140 0 0 500 1000 1500 000 a_1 9

Další zkoumání II. Délka nové cesty 140 10 100 80 60 40 0 0 0 00 400 600 800 1000 100 binární posloupnost 7 111 10110 11 1011 34 100010 17 10001 5 110100 6 11010 13 1101 40 101000 0 10100 10 1010 Další zkoumání III. 5 101 16 10000 8 1000 4 100 10 1 1 65 + 1 http://pageperso.univ-brest.fr/~huisman/ 10

Stephen Wolfram (1959) Mathematica New Kind of Science (1995) Cellular automata Rule 150, n -1 Další zkoumání IV. Collatzovo síto (A17779) 1 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 13 14 15 16 17 18 19 0 1 3 4 5 6 7 8 9 30 31 3 33 34 35 36 37 38 39 40 41 4 43 44 45 46 47 48 49 50 51 5 53 54 55 56 57 58 59 60 61 6 63 64 65 66 67 68 69 70 11

Collatzovy zlomky Další zkoumání V. 6 3 10 5 16 8 4 1 6 3 5 8 4 1 a n+1 = a n 3a n + 1 a n sudé a n liché 6 1 6 0 4 64 8 64 16 64 3 64 64 1

Hledání funkce pro x N f x = x 3x + 1 x sudé x liché 1 x + 1 1 x 1 = = 1 x sudé 0 x liché 0 x sudé 1 x liché f x = 1 x + 1 x 1 x 1 3x + 1 pro x N Zobecnění pro x R (zrychlená varianta) f x = 1 x + 1 x 1 x 1 3x + 1 pro x N pro x R: 1 x = cos πx f x = cos πx + 1 x cos πx 1 3x + 1 f x = 1 4 4x + 1 x + 1 cos πx pro x C: f z = 1 4 + 7z + 5z cos πz (nezrychlená) 13

f x = 1 4 4x + 1 x + 1 cos πx V reálném oboru cobweb plot zdroj: Thomas Prellberg 14

cobweb plot (logistické zobrazení) x n+1 = rx n (1 x n ) V komplexním oboru Collatzův fraktál f z = 1 4 + 7z + 5z cos πz zdroj: Nathaniel Johnston 15

Mandelbrotova množina Benoit Mandelbrot (194 010) V oboru komplexních čísel, z = z + c Závěr Využití při výuce na ZŠ (elementární počítání) na SŠ (funkce, grafy, programování) na VŠ (fraktály, publikační činnost) otevírá prostor do mnoha dalších odvětví matematiky odměna 500 USD za vyřešení Mathematics may not be ready for such problems Paul Erdős (1913 1996) 16

Děkuji za pozornost 17