Dynamique affine sur l’ossature Collatz
Règle à trois branches (entiers ≥ 0) : $latex f(x)=\begin{cases} \frac{x-1}{4}& \text{si }x\equiv1\ (\mathrm{mod}\ 4),\\[4pt] 3x-1& \text{si }x\equiv1\ (\mathrm{mod}\ 2)\ \text{(i.e. }x\equiv3\ (\mathrm{mod}\ 4)\text{)},\\[4pt] 3x+1& \text{si }x\equiv0\ (\mathrm{mod}\ 2). \end{cases}$
Idée : on conserve la géométrie compressée de Collatz (colonnes $latex L_{r,n}$, racines minimales, « liens », diagonales NE/SE), mais on fige la partie 2-adique : dès que l’on retombe en $latex 1\ (\mathrm{mod}\ 4)$, on divise toujours par 4.
1) Version compressée « impairs » : deux blocs canoniques
Restreinte aux impairs, la dynamique se résume en deux transformations affines :
- Bloc 1-pas (descente forte) : si $latex y\equiv1\ (\mathrm{mod}\ 4)$, $latex \quad y\mapsto \frac{y-1}{4}$.
- Bloc 3-pas (montée modérée) : si $latex y\equiv3\ (\mathrm{mod}\ 4)$, $latex \ y\ \xrightarrow{3y-1}\ \text{pair}\ \xrightarrow{3x+1}\ 9y-2\ (\equiv1\bmod4)\ \xrightarrow{(x-1)/4}\ \frac{9y-3}{4}$.
Ces deux blocs suffisent à décrire toutes les transitions impaires. En particulier, le bloc « 3-pas » envoie toujours un impair $latex 3\ (\mathrm{mod}\ 4)$ vers un impair, et sa forme affine est $latex \frac{9}{4}y-\frac{3}{4}$.
2) Paramètre « distance » $latex D$ et ossature racine ↔ lien
Comme dans le compressé Collatz classique, toute paire « racine ↔ lien » se code par une distance $latex D\in\mathbb N$ :
| Objet | Formule | Résidus utiles | Rappel distance |
|---|---|---|---|
| Racine − $latex r_-$ | $latex r_-=2D-1$ | $latex r_-\equiv3,7\ (\mathrm{mod}\ 8)$ | $latex D=\frac{r_-+1}{2}$ |
| Lien − $latex Y_-$ | $latex Y_-=3D-1$ | $latex Y_-\equiv2\ (\mathrm{mod}\ 3)$ | $latex D=\frac{Y_-+1}{3}$ |
| Median | $latex \mathrm{med}=3D$ | $latex \equiv0\ (\mathrm{mod}\ 3)$ | $latex D=\frac{\mathrm{med}}{3}$ |
| Lien + $latex Y_+$ | $latex Y_+=3D+1$ | $latex Y_+\equiv1\ (\mathrm{mod}\ 3)$ | $latex D=\frac{Y_+-1}{3}$ |
| Racine + $latex r_+$ | $latex r_+=4D+1$ | $latex \equiv1\ (\mathrm{mod}\ 4)$ | $latex D=\frac{r_+-1}{4}$ |
La « division minimale par 4 » associée à la racine + est exactement $latex \mathrm{minodiv4}=D$.
3) Tableau distances (extrait $latex D=1\ldots16$)
On affiche, pour chaque $latex D$, la quintuple $(r_-,Y_-,\mathrm{med},Y_+,r_+)$ et les résidus caractéristiques.
| D | $latex r_-$ | $latex Y_-$ | med | $latex Y_+$ | $latex r_+$ | $latex r_-\ (\mathrm{mod}\ 8)$ | $latex Y_\pm\ (\mathrm{mod}\ 3)$ | $latex r_+\ (\mathrm{mod}\ 4)$ |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 1 | 2/1 | 1 |
| 2 | 3 | 5 | 6 | 7 | 9 | 3 | 2/1 | 1 |
| 3 | 5 | 8 | 9 | 10 | 13 | 5 | 2/1 | 1 |
| 4 | 7 | 11 | 12 | 13 | 17 | 7 | 2/1 | 1 |
| 5 | 9 | 14 | 15 | 16 | 21 | 1 | 2/1 | 1 |
| 6 | 11 | 17 | 18 | 19 | 25 | 3 | 2/1 | 1 |
| 7 | 13 | 20 | 21 | 22 | 29 | 5 | 2/1 | 1 |
| 8 | 15 | 23 | 24 | 25 | 33 | 7 | 2/1 | 1 |
| 9 | 17 | 26 | 27 | 28 | 37 | 1 | 2/1 | 1 |
| 10 | 19 | 29 | 30 | 31 | 41 | 3 | 2/1 | 1 |
| 11 | 21 | 32 | 33 | 34 | 45 | 5 | 2/1 | 1 |
| 12 | 23 | 35 | 36 | 37 | 49 | 7 | 2/1 | 1 |
| 13 | 25 | 38 | 39 | 40 | 53 | 1 | 2/1 | 1 |
| 14 | 27 | 41 | 42 | 43 | 57 | 3 | 2/1 | 1 |
| 15 | 29 | 44 | 45 | 46 | 61 | 5 | 2/1 | 1 |
| 16 | 31 | 47 | 48 | 49 | 65 | 7 | 2/1 | 1 |
Remarque : $latex r_+$ est toujours $latex \equiv1\ (\mathrm{mod}\ 4)$, d’où le « raccourci » $latex D=\frac{r_+-1}{4}$ pour lire la distance directement.
4) Colonnes compressées et diagonales (géométrie partagée)
La géométrie est celle du compressé Collatz : $latex \displaystyle L_{r,n}=\frac{(3r+1)4^n-1}{3}$ pour $latex n\ge1$. Elle ne dépend que de $latex r$ et du facteur $latex 4^n$ (même « fratries », mêmes diagonales NE/SE). La différence avec Collatz tient uniquement à la valeur fixée de la division par 2 : ici, dès que l’on atteint $latex \equiv1\ (\mathrm{mod}\ 4)$ on divise par 4 (au lieu de diviser par $latex 2^{v_2(3y+1)}$ variable).
Lecture diagonale (schéma standard) : pour un pivot $latex r$, la diagonale NE d’ordre $latex d$ s’écrit $latex D_d(j)=4^d r_{j+d}+\frac{4^d-1}{3}$, et les liens restent $latex \equiv1\ \text{ou}\ 2\ (\mathrm{mod}\ 3)$ comme dans le tableau classique.
Parcours « fratrie impaire » et pairs implicites
Dans notre dynamique, on visite d’abord les frères impairs (les lignes $latex L_{r,n}=\frac{(3r+1)4^n-1}{3}$), au lieu de dérouler explicitement les étapes *3x+1* sur les pairs. Les pairs qui surviendraient via 3x±1 sont implicites et se reconstruisent à partir de la distance $latex D$.
- Quand on atteint la racine minimale « + » $latex r_+(D)=4D+1$ (toujours $latex \equiv1\ (\mathrm{mod}\ 4)$), le « détour pair » naturel (si on matérialisait 3x+1) serait $latex E_+(D)=3r_+(D)+1=12D+4=4(3D+1)=4\,Y_+(D)$. Dans la version compressée, on remplace ce détour par le raccourci $latex r_+(D)\ \mapsto\ \frac{r_+(D)-1}{4}=D$, en gardant $latex E_+(D)$ implicite (on le retrouve si besoin).
- Sur la racine « − » $latex r_-(D)=2D-1$ (toujours $latex \equiv3,7\ (\mathrm{mod}\ 8)$), le premier pair implicite est $latex E_-(D)=3r_-(D)-1=6D-4$. Le pas suivant (branche pair $latex \to$ 3x+1) redonne l’impair $latex 3E_-(D)+1=9r_-(D)-2$, puis la division par 4 nous recale sur la même ossature (diagonales/colonnes) — c’est le « bloc 3-pas ».
Mnémo distances ↔ pairs implicites : $latex r_+=4D+1\quad\Rightarrow\quad E_+(D)=12D+4=4\,Y_+(D)$, $latex r_-=2D-1\quad\Rightarrow\quad E_-(D)=6D-4$. Autrement dit, tout le détour pair est fonction de $latex D$ et peut être réinséré à la demande, tandis que la trajectoire « visible » reste sur les frères impairs.
Exemple $latex D=10$ : $latex r_-=19,\ E_-(10)=56$ ; $latex r_+=41,\ E_+(10)=124=4\cdot31$ (et $latex Y_+=31$). Le raccourci compressé fait $latex r_+\mapsto (41-1)/4=10$, sans exposer le pair $latex 124$, mais on peut le reconstituer instantanément via la formule ci-dessus.
5) Exemples de trajectoires (complet et compressé)
Depuis 17 : $latex 17\equiv1\ (\mathrm{mod}\ 4)$, donc bloc 1-pas : $latex 17\mapsto \frac{16}{4}=4$ (pair) $latex \mapsto 13\ (\equiv1\bmod4)\mapsto 3\ (\equiv3\bmod4)$, puis bloc 3-pas, etc. Évolution impairs (compressé) :
17 → 13 → 3 → 25 → 19 → 127 → 285 → 71 → 159 → 89 → ...
Depuis 19 : $latex 19\equiv3\ (\mathrm{mod}\ 4)$ donc bloc 3-pas $latex \big(19\mapsto \frac{9\cdot19-3}{4}=42\big)$, puis alternance de 1-pas et 3-pas selon $latex \ (\mathrm{mod}\ 4)$. Blocs compressés :
19 --(3-pas)→ 42 --(1-pas)→ 10 --(pair…)→ 127 --(3-pas)→ 285 --(1-pas)→ 71 --(1-pas)→ 17 ...
6) Résidus clés et « lectures rapides »
- $latex r_-\equiv3,7\ (\mathrm{mod}\ 8)$ en alternance selon la parité de $latex D$.
- $latex Y_-\equiv2\ (\mathrm{mod}\ 3)$, $latex \mathrm{med}\equiv0\ (\mathrm{mod}\ 3)$, $latex Y_+\equiv1\ (\mathrm{mod}\ 3)$.
- $latex r_+\equiv1\ (\mathrm{mod}\ 4)$, donc $latex D=\frac{r_+-1}{4}$ immédiatement.
Mnémo distance : $latex D=\frac{r_-+1}{2}=\frac{Y_-+1}{3}=\frac{\mathrm{med}}{3}=\frac{Y_+-1}{3}=\frac{r_+-1}{4}$.
7) Heuristique « énergétique »
Sur les impairs, le bloc 1-pas applique $latex y\mapsto \frac{y}{4}-\frac14$ (contraction forte), le bloc 3-pas applique $latex y\mapsto \frac{9}{4}y-\frac34$ (dilatation modérée). Si la fréquence des états $latex \equiv1\ (\mathrm{mod}\ 4)$ n’est pas trop faible, la dynamique montre une tendance à la baisse (contrainte non-probante mais informative). Cette lecture s’aligne avec l’intuition « cône/barrière » du compressé classique.
8) Contraintes algébriques sur d’éventuels cycles
Notons $latex s$ le nombre de blocs 1-pas et $latex t$ le nombre de blocs 3-pas sur un tour de cycle impairs. La composition est une affine $latex y\mapsto Ay+B$ avec $latex \displaystyle A=\frac{9^t}{4^{\,s+t}}$ (et $latex B$ combinaison entière des constantes $latex -\frac14$ et $latex -\frac34$ transportées par les facteurs $latex \frac14$ et $latex \frac94$).
La condition de cycle $latex y=Ay+B$ impose $latex \displaystyle y=\frac{B}{1-A}=\frac{B\cdot 4^{\,s+t}}{\,4^{\,s+t}-9^{\,t}\,}$. Ainsi le dénominateur $latex 4^{\,s+t}-9^{\,t}$ doit diviser $latex B\cdot 4^{\,s+t}$, avec en plus les contraintes de résidus (retomber sur les bonnes classes $latex \bmod 4$ et $latex \bmod 3$ aux positions adéquates).
Conséquence : sauf choix très particuliers de $latex (s,t)$, on a $latex A<1$ et un dénominateur grand $latex \Rightarrow$ l’intégralité et les congruences deviennent fortement restrictives. Cette stratégie « compte des blocs & affine globale » est l’analogue direct de la méthode classique dans l’ossature Collatz, mais ici les valuations 2-adiques étant figées, elle est souvent plus lisible.
9) Lien et différences avec Collatz compressé
- Ossature identique : colonnes $latex L_{r,n}$, fratries, diagonales, paires racine↔lien et distance $latex D$ coïncident.
- Différence clé : au lieu de $latex v_2(3y+1)$ variable (classique), on a ici une division fixée par 4 chaque fois que l’on revient en $latex 1\ (\mathrm{mod}\ 4)$. Les raisonnements « par distance » et « par cône/barrière » se transportent donc au cordeau.
- Lecture rapide : grâce à $latex r_+=4D+1$, on lit $latex D$ immédiatement via $latex D=\frac{r_+-1}{4}$, comme dans ton tableau « raccourci ».
Annexe : générateur de la table des distances
def ligne_D(D:int):
r_m = 2*D - 1
Y_m = 3*D - 1
med = 3*D
Y_p = 3*D + 1
r_p = 4*D + 1
return (D, r_m, Y_m, med, Y_p, r_p)
for D in range(1, 21):
print(ligne_D(D))
Dynamique affine sur l’ossature Collatz
Règle (entiers ≥ 0) : $latex f(x)=\begin{cases} \frac{x-1}{4}& \text{si }x\equiv1\ (\mathrm{mod}\ 4),\\[4pt] 3x-1& \text{si }x\equiv1\ (\mathrm{mod}\ 2)\ \text{(i.e. }x\equiv3\ (\mathrm{mod}\ 4)\text{)},\\[4pt] 3x+1& \text{si }x\equiv0\ (\mathrm{mod}\ 2). \end{cases}$
Idée : on conserve la géométrie compressée de Collatz (colonnes $latex L_{r,n}$, racines minimales, liens, diagonales NE/SE), mais on fixe la partie 2-adique : dès que l’on atteint $latex \equiv1\ (\mathrm{mod}\ 4)$, on divise toujours par 4 (au lieu de diviser par $latex 2^{\nu_2(3y+1)}$ variable).
1) Version compressée « impairs » : deux blocs
- Bloc 1-pas (descente) : si $latex y\equiv1\ (\mathrm{mod}\ 4)$, $latex \ y\mapsto \frac{y-1}{4}$.
- Bloc 3-pas (montée modérée) : si $latex y\equiv3\ (\mathrm{mod}\ 4)$, $latex y\ \xrightarrow{3y-1}\ \text{pair}\ \xrightarrow{3x+1}\ 9y-2\ (\equiv1\bmod4)\ \xrightarrow{(x-1)/4}\ \frac{9y-3}{4}$.
2) Paramètre distance $latex D$ et ossature racine ↔ lien
| Objet | Formule | Résidus utiles | Lecture de $latex D$ |
|---|---|---|---|
| Racine − $latex r_-$ | $latex r_-=2D-1$ | $latex \equiv1,3,5,7\ (\mathrm{mod}\ 8)$ | $latex D=\frac{r_-+1}{2}$ |
| Lien − $latex Y_-$ | $latex Y_-=3D-1$ | $latex \equiv2\ (\mathrm{mod}\ 3)$ | $latex D=\frac{Y_-+1}{3}$ |
| Median | $latex \mathrm{med}=3D$ | $latex \equiv0\ (\mathrm{mod}\ 3)$ | $latex D=\frac{\mathrm{med}}{3}$ |
| Lien + $latex Y_+$ | $latex Y_+=3D+1$ | $latex \equiv1\ (\mathrm{mod}\ 3)$ | $latex D=\frac{Y_+-1}{3}$ |
| Racine + $latex r_+$ | $latex r_+=4D+1$ | $latex \equiv1\ (\mathrm{mod}\ 4)$ | $latex D=\frac{r_+-1}{4}$ |
3) Distances et divisions cachées : $latex j=\nu_2(3D+1)$
Pour chaque $latex D$, on affiche la quintuple $(r_-,Y_-,\mathrm{med},Y_+,r_+)$ et le nombre de « $latex \div2$ supplémentaires » côté classique : $latex j=\nu_2(3D+1)$ (ainsi $latex \nu_2(3r_+{+}1)=2+j$).
| D | $latex r_-$ | $latex Y_-$ | med | $latex Y_+$ | $latex r_+$ | $latex r_-\ (\mathrm{mod}\ 8)$ | $latex Y_\pm\ (\mathrm{mod}\ 3)$ | $latex r_+\ (\mathrm{mod}\ 4)$ | $latex j$ | $latex 2{+}j$ |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 1 | 2/1 | 1 | 2 | 4 |
| 2 | 3 | 5 | 6 | 7 | 9 | 3 | 2/1 | 1 | 0 | 2 |
| 3 | 5 | 8 | 9 | 10 | 13 | 5 | 2/1 | 1 | 1 | 3 |
| 4 | 7 | 11 | 12 | 13 | 17 | 7 | 2/1 | 1 | 0 | 2 |
| 5 | 9 | 14 | 15 | 16 | 21 | 1 | 2/1 | 1 | 4 | 6 |
| 6 | 11 | 17 | 18 | 19 | 25 | 3 | 2/1 | 1 | 0 | 2 |
| 7 | 13 | 20 | 21 | 22 | 29 | 5 | 2/1 | 1 | 1 | 3 |
| 8 | 15 | 23 | 24 | 25 | 33 | 7 | 2/1 | 1 | 0 | 2 |
| 9 | 17 | 26 | 27 | 28 | 37 | 1 | 2/1 | 1 | 2 | 4 |
| 10 | 19 | 29 | 30 | 31 | 41 | 3 | 2/1 | 1 | 0 | 2 |
| 11 | 21 | 32 | 33 | 34 | 45 | 5 | 2/1 | 1 | 1 | 3 |
| 12 | 23 | 35 | 36 | 37 | 49 | 7 | 2/1 | 1 | 0 | 2 |
| 13 | 25 | 38 | 39 | 40 | 53 | 1 | 2/1 | 1 | 3 | 5 |
| 14 | 27 | 41 | 42 | 43 | 57 | 3 | 2/1 | 1 | 0 | 2 |
| 15 | 29 | 44 | 45 | 46 | 61 | 5 | 2/1 | 1 | 1 | 3 |
| 16 | 31 | 47 | 48 | 49 | 65 | 7 | 2/1 | 1 | 0 | 2 |
4) Colonnes compressées et diagonales (géométrie partagée)
La géométrie est celle du compressé Collatz : $latex \displaystyle L_{r,n}=\frac{(3r+1)4^n-1}{3}$ pour $latex n\ge1$. Elle dépend de $latex r$ et du facteur $latex 4^n$ (mêmes « fratries », mêmes diagonales NE/SE). La différence avec Collatz tient uniquement à la valeur fixée de la division par 2 : dès que l’on atteint $latex \equiv1\ (\mathrm{mod}\ 4)$ on divise par 4 (au lieu de $latex \div 2^{\nu_2(3y+1)}$ variable).
Parcours « fratrie impaire » et cascade de pairs (reconstruction)
Plutôt que d’expliciter toutes les divisions par 2 de la classique (3x+1, puis $latex \div 2^k$), on parcourt seulement les impairs (lignes $latex L_{r,n}$). La cascade de pairs est compressée mais reconstructible via la distance $latex D$.
- Racine « + » $latex r_+=4D+1$ : la classique calcule $latex 3r_++1=12D+4=4(3D+1)$, donc au moins 2 divisions par 2, puis encore $latex j=\nu_2(3D+1)$ divisions (si $latex 3D+1$ est pair). Notre raccourci compressé remplace tout par $latex r_+\mapsto D$. Option d’affichage : au retour sur $latex r_+$, afficher une (ou $latex j$) division(s) supplémentaire(s) pour visualiser le lien avec la classique.
- Ex. 1 (53 → 13 → 3) : $latex r_+=53$ donne $latex D=13$, $latex Y_+=3D+1=40$ (ici $latex j=\nu_2(40)=3$). Classique : $latex 3\cdot 53+1=160\to80\to40\to20\to10\to5$ (total $latex 2+j=5$ divisions). Nous : 53 → 13 → 3 (fratrie impaire).
- Ex. 2 (149 → 37 → 9) : $latex D=37$, $latex Y_+=112$ ($latex j=4$). Classique : $latex 448\to224\to112\to56\to28\to14\to7$ (total $latex 6=2+j$). Nous : 149 → 37 → 9 (et on peut « montrer » une $latex \div 2$ de plus si souhaité).
5) Exemples de trajectoires (complet & compressé)
Depuis 17 : impairs visités (compressé)
17 → 13 → 3 → 25 → 19 → 127 → 285 → 71 → 159 → 89 → …
Depuis 19 : premiers blocs
19 --(3-pas)→ 42 --(1-pas)→ 10 --(pair…)→ 127 --(3-pas)→ 285 --(1-pas)→ 71 …
6) Contraintes algébriques sur d’éventuels cycles
Si un tour de cycle impairs comporte $latex s$ blocs 1-pas et $latex t$ blocs 3-pas, la composition vaut $latex \ y\mapsto Ay+B$ avec $latex \ A=\frac{9^t}{4^{\,s+t}}$. La condition $latex y=Ay+B$ force $latex \ y=\dfrac{B}{1-A}=\dfrac{B\cdot 4^{\,s+t}}{\,4^{\,s+t}-9^{\,t}\,}$, à concilier avec l’intégralité et les congruences (mod 3, mod 4) — fortes restrictions, d’autant que les valuations 2-adiques sont ici figées.
Annexe : générer la table
def ligne_D(D:int):
r_m = 2*D - 1
Y_m = 3*D - 1
med = 3*D
Y_p = 3*D + 1
r_p = 4*D + 1
j = (Y_p & -Y_p).bit_length() - 1 # v2(3D+1)
return (D, r_m, Y_m, med, Y_p, r_p, j, 2 + j)
for D in range(1, 21):
print(ligne_D(D))
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