數(shù)學(xué)黑洞

茫茫宇宙之中,存在著一種極其神秘的天體“黑洞”。黑洞的密度極大,引力極強(qiáng),任何物質(zhì)經(jīng)過它的附近,都會被它吸進(jìn)去,再也不能出來,光線也不例外,因此黑洞是一個不發(fā)光的天體。無獨(dú)有偶,在數(shù)學(xué)中也有這種神秘的“黑洞”現(xiàn)象,對于數(shù)學(xué)黑洞,無論怎樣設(shè)值,在規(guī)定的處理法則下,最終都將得到固定的一個值,再也跳不出去,就像宇宙中的黑洞一樣。目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的數(shù)學(xué)黑洞大致可分為以下幾種類型:

1、123黑洞(即西西弗斯串)

在希臘神話中,科林斯國王西西弗斯被罰將一塊巨石推到一座山上,但無論他怎樣努力,這塊石頭總是在到達(dá)山頂之前不可避免地滾下來,于是他只得重新去推,永無休止。   在數(shù)學(xué)中同樣的事情也可能發(fā)生。開始時任意取一個數(shù)字串,中華人民共和國成立于1949年10月1日,我們就取1949101吧,數(shù)出這個數(shù)字串中的偶數(shù)個數(shù)、奇數(shù)個數(shù)及這個數(shù)的所有位數(shù)的總數(shù)。1949101中有2個偶數(shù),5個奇數(shù),是7位數(shù),用這3個數(shù)字組成下一個數(shù)字串257。對 257重復(fù)進(jìn)行上面的程序,得到123。對123再重復(fù)這個程序,得到的還是123。這時,你會意識到,反復(fù)使用這個程序,一旦得到123就再也出不來了。對于這個程序以及數(shù)字“宇宙”來說,數(shù)123就是一個數(shù)學(xué)黑洞。

  每一個數(shù)最后都得到123嗎?我們用一個比較大的數(shù)試試看。例如 31415926535897932384626433832795028841,這是圓周率π序列中的前38個數(shù)字,它是一個質(zhì)數(shù)。這個數(shù)中的偶數(shù)、奇數(shù)、及數(shù)位個數(shù)分別為18、20和38,將這三個數(shù)合起來得到182038。對182038重復(fù)這個程序得到426,再重復(fù)這個程序得到303,最后一次重復(fù)程序得到123。你看,又跌進(jìn)了123這個黑洞!

  這個西西弗斯串是怎樣起作用的呢?數(shù)學(xué)家解釋是很大的輸入得到較小的輸出,這樣便使一個無限的宇宙縮小為一個可控制的有限的宇宙。

  2、6174和395

  前蘇聯(lián)的科普作家高基莫夫在他的著作《數(shù)學(xué)的敏感》一書中,提到了一個奇妙的四位數(shù)6174,并把它列作“沒有揭開的秘密”。不過,近年來,由于數(shù)學(xué)愛好者的努力,已經(jīng)開始撥開濃霧,逐步見天日了。

  6174有什么奇妙之處?

  請隨便寫出一個四位數(shù),這個數(shù)的四個數(shù)字有相同的也不要緊,但不準(zhǔn)這四個數(shù)完全相同,例如 3333、7777等都應(yīng)該排除。 寫出四位數(shù)后,要把它整理一下,其辦法是:把這個數(shù)中的各位數(shù)字按大到小的順序和從小到大的順序重新排列,將得到由這四個數(shù)字組成的四位數(shù)中的最大者和最小者,兩者相減,就得到另一個四位數(shù)(如果數(shù)位不足,就在前面添0補(bǔ)足四位)。將組成這個四位數(shù)的四個數(shù)字施行同樣的變換,又得到一個最大的數(shù)和最小的數(shù),兩者相減,……這樣循環(huán)下去,一定在經(jīng)過若干次(最多7次)變換之后,得到 6174。

  例如,開始時我們?nèi)?shù)8208,重新排列后最大數(shù)為8820,最小數(shù)為 0288,8820-0288=8532;對8532重復(fù)以上過程:8532-2358=6174。這里,經(jīng)過兩步變換就掉入6174這個“黑洞” 里。(這里,0288也得看成一個四位數(shù)。) 再如,我們開始取數(shù)2187,按要求進(jìn)行變換: 8721-1278=7443→7443-3447=3996 →9963-3699=6264→6642-2466=4176 →7641-1467=6174。 這里,經(jīng)過五步變換就掉入了“黑洞”—— 6174。

  拿由1、4、6、7這四個數(shù)字組成的任意四位數(shù)來說,都只需一步:7641-1467=6174,就掉入“黑洞”再也出不來了。 所有的四位數(shù)都會掉入6174這個黑洞,不信者可以取一些數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證。驗(yàn)證之后,你不得不感嘆6174的引力之大。 由這個四位數(shù)黑洞我們自然會想到:是否存在類似的其它位數(shù)的黑洞呢?顯然,存在類似黑洞的前提是,必須有類似6174的數(shù),即這個數(shù)等于重排它的各個數(shù)碼的最大數(shù)與最小數(shù)的差。在三位數(shù)中找到了495,你看:954-459=495,得到的仍然是495。 495這個黑洞有多大的引力呢?也就是說它能把多少個三位數(shù)吸到這個黑洞中來呢?其實(shí),495的吸引力與6174 一樣大!它能把除三個數(shù)碼一樣的三位數(shù)以外的所有三位數(shù)都吸到495這個黑洞中來,并且最多不超過6步。如果不信,你可以試試。 四位數(shù)與三位都找到了具有強(qiáng)大吸引力的黑洞。遺憾的是,人們在兩位、五位、六位、七位數(shù)、……中竟然找不到類似6174和495這樣的數(shù),自然也就不存在這些數(shù)位的類似的黑洞了。

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