《西游记》里的孙悟空是一个神通广大,本领高超的人物,他能七十二变,变虫、变树、变鬼怪;还会腾云驾雾,一个筋头可翻出十万八千里外。但不管他怎样变幻,一蹦有多远,总还是落在如来佛的掌心里,难以逃脱。这当然只是一个神话故事。但是数学家发现,这样的现象竟然也会在数学的变幻中出现。
任意取一个自然数,不论这个数有多大,是奇数,还是偶数,它总会跌进一个循环的怪圈“4→2→1”里去,或者说最终总能得到1。这些数字也像孙悟空的筋斗一样,翻不出如来佛的掌心。
这个特定的规则是什么呢?其实很简单:一个自然数,如果是偶数,那么用2去除它;如果是奇数,则将它乘以3并加上1,如此反复计算,就会得到上述的结论。
让我们试一试。比如,3是奇数,乘以3再加1,得10,10是偶数,除以2,得5,5是奇数,乘以3再加上1,得16,如此继续计算下去,最后变成1。
再如,从7出发:
7→22→11→34→17→52→26→
13→40→20→10→…→1。
如果从27出发,你会发现,得数忽大忽小,七拐八变,经过一百多步,最后也是回到1,你来试一试,好吗?
……
有位数学家用计算机对7000亿以下的自然数逐一进行试算,结果无一例外。
30多年前,日本数学家角谷静试图证明它,但几经挫折,失败了。后来,又有许多数学家作尝试,也都没能成功,现在,人们只能把它叫做“角谷猜想”。
想想练练:从27出发,验证角谷猜想。任意写出一个三位数,验证角谷猜想。
变不掉的“数尾巴”
《西游记》中的孙悟空,会七十二种变化,可算是神通广大了。有趣的是,不论怎么变,猴尾巴总是变不掉。有一次,悟空被二郎神追赶,变成了一座山神庙,可是尾巴变成的旗杆却在庙后,结果露了馅。
说来也巧,在自然数王国里,也有变不掉的尾巴的故事。
任意多个以1结尾的数相乘,积的个位数仍然是1。这里,1就是“一条变不掉的尾巴”。一位数中,除1以外,0、5、6也是具有这种特性的数。
人们把这种“变不掉的数尾巴”叫做“自守数”。也就是说,一个自然数N,如果任意多个以N为结尾的数相乘,乘积也是以N结尾,那么N就叫做自守数。
两位的自守数是25与76(例如,276×176=48576,1376×576×76=60235776。),它们分别是一位自守数5与6的“伸长”。但是,一位自守数0与1是不能“伸长”的,所以人们对它们不感兴趣。
三位的自守数是625和376。
寻找自守数的办法很简单,只要x2-x能被10,102,103,……,10n整除,求出其中的x就行了。譬如求两位的自守数时,只要找到两位数x,它能使x2-x可以被102整除就行了,这样的x只有两个,就是25和76。
寻找自守数,还可以有更简单的办法。
先说甲类自守数(即5的伸长系列),我们通过例子来说明。把625这个数平方一下,得390625,取末4位数0625,也可算作四位自守数。不信的话,可以一试,将两个末尾是0625的数相乘,积的“尾巴”肯定是0625;再把0625自乘,取末位五位90625,这便是五位自守数。以上的步骤可无限地进行下去,求出六位、七位乃至几百、几千位末尾是5的自守数。
其次,讲乙类(6的伸长系列)自守数的办法,也把原数自乘,得出结果后,由末尾起向上追溯,但第n+1位不能直接照抄原来的数字,而应是此数a的补数(10-a)。
例如,我们从376出发,376的自乘是141376,根据上述法则,四位自守数应是9376。
有趣的是,甲类和乙类自守数之间还存在着一种普遍规律,这就是
5+6=10+1;25+76=100+1;
625+376=1000+1;
……
两个n位自守数之和正好是10n+1。因此找到了一个n位数的自守数,也就找到了另一个n位数的自守数。顺藤摸瓜,可以找出一大串的自守数来。
看来“数尾巴”是越短越好找,长得越长的藏匿得越深,但掌握了正确的方法,下得苦功夫揪出长尾巴还是一件做得到的事情,你想试试吗?
想想练练:请你找出十位的自守数。