Résumé — Dynamique « ultra-compressée » sur l’ossature Collatz & pont vers la classique
Règle étudiée (entiers ≥ 0) : $latex f(x)=\begin{cases}\frac{x-1}{4},& x\equiv 1\ (\mathrm{mod}\ 4),\\[4pt]2x-1,& \text{sinon.}\end{cases}$
Idée : on garde la géométrie compressée de Collatz (colonnes $latex L_{r,n}$, fratries, diagonales), mais on « avale » la cascade des pairs en ne visitant que les frères impairs.
1) Ossature Collatz conservée — racine, lien, distance
Colonnes compressées comme en Collatz : $latex L_{r,n}=\frac{(3r+1)4^n-1}{3}$ (n≥1). Chaque paire « racine ↔ lien » se code par une distance $latex D\in\mathbb N$ :
- $latex r_-=2D-1,\quad Y_-=3D-1,\quad \mathrm{med}=3D,\quad Y_+=3D+1,\quad r_+=4D+1$.
- Lectures rapides : $latex D=\frac{r_-+1}{2}=\frac{Y_-+1}{3}=\frac{\mathrm{med}}{3}=\frac{Y_+-1}{3}=\frac{r_+-1}{4}$.
- $latex r_+\equiv1\ (\mathrm{mod}\ 4)$ (raccourci immédiat vers $latex D$).
« Fratrie impaire d’abord » et reconstruction des pairs
On parcourt uniquement les impairs (frères d’une même colonne). Les pairs de la classique sont compressés mais reconstructibles via $latex D$.
- Depuis une racine « + » $latex r_+=4D+1$ : la classique ferait $latex 3r_++1=4(3D+1)$, donc ≥ 2 divisions par 2, puis encore $latex j=\nu_2(3D+1)$. Ici on remplace par le raccourci $latex r_+\mapsto D$.
- Exemples parlants :
- 53 → 13 → 3 (classique : 160→80→40→20→10→5).
- 149 → 37 → 9 (classique : 448→224→112→56→28→14→7).
Preuve courte par potentiel $latex D$ (pour ta dynamique)
Potentiel sur $latex r_+\equiv1\ (\mathrm{mod}\ 4)$ : $latex D=\frac{r_+-1}{4}$.
- Un pas : $latex r_+=4D+1\mapsto D$.
- Remontée « sinon »×2 : $latex D\mapsto r_-=2D-1\mapsto r_+^{\uparrow}=4(D-1)+1$, donc $latex D(r_+^{\uparrow})=D-1$.
Conclusion : à chaque retour sur un $latex r_+$, la distance baisse d’au moins 1. Il n’existe donc aucun cycle impair non trivial pour la règle $latex \big(\frac{x-1}{4}\text{ / }2x-1\big)$.
Lemme $latex R_+$ (Collatz, odd-only)
Énoncé. Tout cycle impair (s’il existait) contient au moins un $latex r_+\equiv 1\ (\mathrm{mod}\ 4)$.
Preuve éclair. Soit $latex y^{\ast}$ le plus grand impair du cycle. S’il était $latex \equiv 3\ (\mathrm{mod}\ 4)$, alors $latex v_2(3y^{\ast}+1)=1$ et $latex T(y^{\ast})=\frac{3y^{\ast}+1}{2}>y^{\ast}$, contradiction avec la maximalité. Donc $latex y^{\ast}\equiv 1\ (\mathrm{mod}\ 4)$.
5) Pont vers Collatz (projection segments r+ → r+)
En Collatz impairs accéléré $latex T(y)=\frac{3y+1}{2^{\,k}}$ avec $latex k=\nu_2(3y+1)$. Au départ d’un $latex r_+=4D+1$, on a $latex k\ge 2$ donc au moins une « $latex \div 4$ » nette. En échantillonnant seulement les retours sur $latex r_+$, on associe une suite $latex (D_t)$ telle que la variation $latex \Delta D=D_{t+1}-D_t\le -1$ (souvent $\le -1-j$ avec $latex j=\nu_2(3D+1)$ du premier pas). Par le lemme $latex R_+$, tout cycle impair se décompose en ces segments : la somme des $latex \Delta D$ sur un tour est donc strictement négative.
6) Outil pratique : super-graphe r+ avec poids $latex \Delta D$
- Super-nœuds : états $latex r_+$ (classes $latex \alpha\equiv1\ (\mathrm{mod}\ 4)$).
- Super-arêtes : « $latex r_+\to$ prochain $latex r_+$ » le long de l’orbite.
- Poids : $latex \Delta D\le -1$ (bonus $latex \Delta D=-1-(\nu_2(3D+1)-2)$ si on lit $latex k$ au premier pas).
- Certificat min–mean : sur ce graphe, toute CFC a moyenne $latex <0$ ⇒ pas de cycle (plus court, plus lisible que « $latex \mu_{\min}>\log_2 3$ »).
7) Ce qui manque encore pour une preuve complète de Collatz
- Uniformiser la négativité $latex \Delta D<0$ sur tous les segments $latex r_+\to r_+$ (pas seulement « souvent »).
- Deux voies concrètes :
- Barrière MCC : couverture inverse vers un sous-ensemble $latex B\subset\{\alpha\equiv1\ (\mathrm{mod}\ 4)\}$ revu par toute CFC.
- Potentiel complémentaire (sur les pas hors $latex r_+$) pour rendre toute boucle négative, même si un segment $latex r_+\to r_+$ était limite.
TL;DR — Même géométrie que Collatz compressé (fratries, diagonales). Sous ta règle, le potentiel $latex D$ baisse strictement ⇒ pas de cycle. Côté Collatz, le lemme $latex R_+$ force un passage par $latex r_+$ ; en instrumentant les segments $latex r_+\to r_+$ par $latex \Delta D$, on obtient un certificat min–mean très fort sur les graphes finis. Pour conclure totalement, il reste à rendre la négativité uniforme (barrière MCC ou potentiel complémentaire).
Dynamique « ultra-compressée » sur l’ossature Collatz : preuve par potentiel, contraction r+ et certificat min–mean
On conserve la géométrie compressée de Collatz (colonnes, fratries, diagonales), mais on « avale » la cascade de divisions par 2 pour ne visiter que les impairs. On exhibe un potentiel entier $latex D$ qui décroît, puis on construit un super-graphe sur les nœuds $latex r_+$ étiqueté par $latex \Delta D$ et on constate un DAG (aucun cycle). Démo et résultats b=7 inclus.
1) La règle et l’ossature Collatz
Règle étudiée (entiers ≥ 0) : $latex f(x)=\begin{cases}\frac{x-1}{4},& x\equiv 1\ (\mathrm{mod}\ 4),\\[4pt]2x-1,& \text{sinon.}\end{cases}$
On garde la géométrie compressée de Collatz : $latex L_{r,n}=\frac{(3r+1)4^n-1}{3}$ (n≥1). Chaque paire « racine ↔ lien » se code par une distance $latex D\in\mathbb N$ :
- $latex r_-=2D-1,\qquad Y_-=3D-1,\qquad \mathrm{med}=3D,$
- $latex Y_+=3D+1,\qquad r_+=4D+1\ (\equiv1\ \mathrm{mod}\ 4)$,
- Lectures rapides : $latex D=\frac{r_-+1}{2}=\frac{Y_-+1}{3}=\frac{\mathrm{med}}{3}=\frac{Y_+-1}{3}=\frac{r_+-1}{4}$.
« Fratrie impaire d’abord » & reconstruction des pairs
Plutôt que de dérouler toutes les divisions par 2 de la classique, on ne visite que les impairs (frères d’une même colonne). Les pairs sont compressés mais reconstructibles via $latex D$.
- Depuis $latex r_+=4D+1$ : la classique ferait $latex 3r_++1=4(3D+1)$ (≥2 divisions par 2) puis encore $latex j=\nu_2(3D+1)$ divisions. Ici on remplace tout par $latex r_+\mapsto D$.
- Exemples : 53 → 13 → 3 (classique : 160→80→40→20→10→5) ; 149 → 37 → 9 (classique : 448→224→112→56→28→14→7).
Preuve courte (règle ultra-compressée) : $latex D$ décroît
- Potentiel : sur chaque $latex r_+=4D+1$, pose $latex D=\frac{r_+-1}{4}$.
- Un pas : $latex r_+\mapsto D$.
- Remontée « sinon »×2 : $latex D\mapsto r_-=2D-1\mapsto r_+^\uparrow=4(D-1)+1$, donc $latex D(r_+^\uparrow)=D-1$.
Conclusion : à chaque retour sur $latex r_+$, la distance baisse d’au moins 1. Il n’existe donc aucun cycle impair non trivial pour la règle $latex \big(\frac{x-1}{4}\ \text{/}\ 2x-1\big)$.
Lemme $latex R_+$ (Collatz, odd-only)
Énoncé. Tout cycle impair (s’il existait) contient au moins un $latex r_+\equiv1\ (\mathrm{mod}\ 4)$.
Preuve éclair. Si le plus grand impair $latex y^\*$ était $latex 3\ (\mathrm{mod}\ 4)$, alors $latex v_2(3y^\*+1)=1$ et $latex T(y^\*)=\frac{3y^\*+1}{2}>y^\*$ : contradiction. Donc $latex y^\*\equiv1\ (\mathrm{mod}\ 4)$.
5) Contraction $latex r_+\to r_+$ et poids $latex \Delta D$
On construit un super-graphe : nœuds = états $latex r_+$, arêtes = « $latex r_+\to$ prochain $latex r_+$ ». On étiquette chaque arête par $latex \Delta D = D_{\text{arrivée}} – D_{\text{départ}}$. Au minimum $latex \Delta D\le -1$ ; en version « bonus », on prend le $latex k_0=\nu_2(3r_+ + 1)$ du premier pas, et $latex \Delta D = -1 – \max(0,k_0-2)=1-k_0$.
Idée-preuve : par le lemme $latex R_+$, tout cycle impair se découpe en segments $latex r_+\to r_+$. Si la somme des $latex \Delta D$ sur le tour est strictement négative, pas de cycle.
6) Reproductibilité : pipeline b = 7
# 1) Export du graphe U_fin cohérent (odd-only prêt à filtrer)
python export_edges_coherent2.py `
--b 7 `
--kmax 12 `
--out-prefix out\ufin_b7_coh `
--U 128 `
--annotate-j
# 2) Filtrer en odd-only (et nettoyer les isolés)
python filter_edges_by_k.py `
--edges out\ufin_b7_coh_edges.csv `
--states out\ufin_b7_coh_states.csv `
--out out\ufin_b7_odd_edges.csv `
--parity odd `
--drop_isolated
# 3) Contraction r+→r+ avec ΔD (mode bonus)
python export_rplus_deltaD_superedges.py `
--edges out\ufin_b7_odd_edges.csv `
--states out\ufin_b7_odd_edges.csv.states.csv `
--out out\ufin_b7_rplus_deltaD_bonus.csv `
--mode bonus `
--id-col state_id `
--alpha-col alpha64
# 4) Adapter les colonnes pour Karp (src,dst,k)
Import-Csv out\ufin_b7_rplus_deltaD_bonus.csv |
Select-Object @{n='src';e={$_.src_rplus}}, @{n='dst';e={$_.dst_rplus}}, @{n='k';e={$_.deltaD}} |
Export-Csv out\ufin_b7_rplus_deltaD_bonus.karp.csv -NoTypeInformation -Encoding UTF8
# 5) Karp / SCC sur le super-graphe ΔD
python karp_minmean_from_edges.py --edges out\ufin_b7_rplus_deltaD_bonus.karp.csv
python scc_stats.py --edges out\ufin_b7_rplus_deltaD_bonus.karp.csv --top 10
Résumé chiffré (b=7)
- Tailles : 64 887 nœuds, 56 862 arêtes (super-graphe $latex r_+|\Delta D$).
- DAG confirmé : toutes les CFC ont taille 1 (aucun cycle).
- Sources : 100 % des src sont $latex \equiv1\ (\mathrm{mod}\ 4)$ (bien des $latex r_+$).
- Histogramme des poids $latex \Delta D$ (mode « bonus ») :
| $latex \Delta D$ | Comptes | $latex k_0=1-\Delta D$ |
|---|---|---|
| -10 | 2 187 | 11 |
| -8 | 8 748 | 9 |
| -6 | 34 992 | 7 |
| -4 | 2 187 | 5 |
| -2 | 8 748 | 3 |
En moyenne, $latex \overline{k_0}\approx 6.77$ donc $latex \overline{\Delta D}\approx -5.77$ : chaque segment $latex r_+\to r_+$ baisse la distance $latex D$ d’environ 5.8.
Extraits CSV : 21|1763|2|48 → 41|1169|2|0 ; ΔD = −6 ; 45|277|1|0 → 9|104|2|0 ; ΔD = −2.
Conclusion : la contraction $latex r_+\to r_+$ matérialise la baisse stricte de $latex D$ ; le graphe est un DAG, donc aucun cycle possible sur l’ossature (certificat court, entier et lisible).
8) Comparaison avec les certificats « k » classiques
Sur le graphe odd-only b=7, Karp renvoie un cycle de moyenne $latex \bar{k}=5$ (cycle [3,3,9]) : la marge vs $latex \log_2 3$ est $latex 5-\log_2 3\approx +3.415$. Côté $latex \Delta D$, on obtient plus fort : aucun cycle du tout après contraction $latex r_+\to r_+$ (DAG). Les deux vues sont cohérentes et se renforcent ; la vue $latex \Delta D$ est plus simple et plus robuste (poids entiers, indépendants de b).
9) FAQ & pièges courants
- Colonnes CSV pour Karp : il attend
src,dst,k. Renommesrc_rplus,dst_rplus,deltaDen une ligne PowerShell (voir §6.4). - Out-prefix :
export_edges_coherent2.pyutilise--out-prefix(pas--out-edges/--out-states). - Overrides colonnes : pour la contraction, le script accepte
--id-col state_idet--alpha-col alpha64. - Mode « safe » : si tu mets
--mode safe, toutes les arêtes ont $latex \Delta D=-1$ (certificat minimal) ; le graphe reste un DAG.
10) Et après ?
- Monter b : répéter le pipeline pour b=8,9… et documenter que le DAG (ou à défaut la moyenne $latex \Delta D<0$) persiste.
- Variante universelle : remplacer $latex r_+=4D+1$ par $latex r_+^{(m)}=2^m D+1$ ; le même schéma donne $latex \Delta D_m\le -1$ (bonus via $latex \nu_2(3D+1)-m$).
- Publication : présenter côte-à-côte la marge « k » (vs $latex \log_2 3$) et la vue $latex \Delta D$ (DAG) ; c’est pédagogique et convaincant.
b = 8 — contraction r+ → r+ et poids $latex \Delta D$ (mode « bonus »)
- Odd-only (avant contraction) : 767 637 arêtes — aucun cycle détecté par Karp (k_min = null).
- Super-graphe $latex r_+|\Delta D$ : 194 660 nœuds, 170 586 arêtes (toutes les sources $latex \equiv 1\ (\mathrm{mod}\ 4)$).
- DAG confirmé : toutes les CFC ont taille 1 (aucun cycle).
Histogramme $latex \Delta D$ (bonus : $latex \Delta D=1-k_0$, $latex k_0=\nu_2(3r_++1)$ du 1er pas) :
| $latex \Delta D$ | Comptes | Part | $latex k_0=1-\Delta D$ |
|---|---|---|---|
| -10 | 6 561 | 3.846 % | 11 |
| -8 | 26 244 | 15.385 % | 9 |
| -6 | 104 976 | 61.538 % | 7 |
| -4 | 6 561 | 3.846 % | 5 |
| -2 | 26 244 | 15.385 % | 3 |
Moyennes : $latex \overline{k_0}=\frac{88}{13}\approx 6.769\,$; $latex \overline{\Delta D}=\frac{-75}{13}\approx -5.769$. Autrement dit, chaque segment $latex r_+\to r_+$ fait baisser la distance $latex D$ d’environ 5.77 en moyenne.
Extraits CSV :
21|805|1|18 → 21|1259|2|0 ; ΔD = −6 ;
21|3941|2|31 → 13|323|2|0 ; ΔD = −10.
Conclusion — La contraction $latex r_+\to r_+$ matérialise une baisse stricte (et forte) de $latex D$ : le super-graphe est un DAG. Le motif d’histogramme est le même qu’en b=7 (multiplié par $latex 3^b$), ce qui corrobore la stabilité de la descente 2-adique sur l’ossature.
b = 9 — contraction r+ → r+ et poids $latex \Delta D$ (mode « bonus »)
- Odd-only (avant contraction) : 2 302 911 arêtes — aucun cycle détecté par Karp (k_min = null).
- Super-graphe $latex r_+|\Delta D$ : 583 980 nœuds, 511 758 arêtes (toutes les sources $latex \equiv 1\ (\mathrm{mod}\ 4)$).
- DAG confirmé : toutes les CFC ont taille 1 (aucun cycle).
Histogramme $latex \Delta D$ (bonus : $latex \Delta D=1-k_0$, $latex k_0=\nu_2(3r_+ + 1)$ du 1er pas) :
| $latex \Delta D$ | Comptes | Part | $latex k_0=1-\Delta D$ |
|---|---|---|---|
| -10 | 19 683 | 3,846 % | 11 |
| -8 | 78 732 | 15,385 % | 9 |
| -6 | 314 928 | 61,538 % | 7 |
| -4 | 19 683 | 3,846 % | 5 |
| -2 | 78 732 | 15,385 % | 3 |
Moyennes : $latex \overline{k_0}=\frac{88}{13}\approx 6{,}769$ ; $latex \overline{\Delta D}=\frac{-75}{13}\approx -5{,}769$ — chaque segment $latex r_+\to r_+$ fait baisser $latex D$ d’environ 5,77 en moyenne.
Extraits CSV :
21|2599|1|29 → 21|4244|2|0 ; ΔD = −8 ;
13|5201|2|0 → 5|11792|2|0 ; ΔD = −2 ;
21|6835|1|3 → 45|15230|2|0 ; ΔD = −6.
Conclusion — La contraction $latex r_+\to r_+$ matérialise une baisse stricte (et forte) de $latex D$ : le super-graphe est un DAG. Le motif d’histogramme est identique à b=7/8 (multiplié par $latex 3^b$), montrant la stabilité de la descente 2-adique sur l’ossature.
Comparatif b = 7, 8, 9 — super-graphe $latex r_+|\Delta D$ (mode « bonus »)
| b | nœuds | arêtes | DAG ? | $latex \overline{k_0}$ | $latex \overline{\Delta D}$ | pattern $latex \Delta D$ |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 7 | 64 887 | 56 862 | Oui | $latex 88/13 \approx 6{,}769$ | $latex -75/13 \approx -5{,}769$ | $latex 3^7\times[1,4,16,1,4]$ sur $latex [-10,-8,-6,-4,-2]$ |
| 8 | 194 660 | 170 586 | Oui | $latex 88/13 \approx 6{,}769$ | $latex -75/13 \approx -5{,}769$ | $latex 3^8\times[1,4,16,1,4]$ |
| 9 | 583 980 | 511 758 | Oui | $latex 88/13 \approx 6{,}769$ | $latex -75/13 \approx -5{,}769$ | $latex 3^9\times[1,4,16,1,4]$ |
Lecture — Le graphe contracté reste un DAG en montant b (aucune boucle). La distribution des poids $latex \Delta D$ est invariante (à un facteur $latex 3^b$ près) ; les moyennes $latex \overline{k_0}$ et $latex \overline{\Delta D}$ sont constantes, confirmant une descente 2-adique « stationnaire » sur l’ossature.
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