Dynamique « ultra-compressée » sur l’ossature Collatz : potentiel, contraction r+→r+ et certificats
On conserve la géométrie compressée de Collatz (colonnes, fratries, diagonales), mais on « avale » la cascade de divisions par 2 en ne visitant que les impairs. On exhibe un potentiel entier $latex D$ qui décroît pour la règle étudiée, puis on construit un super-graphe sur les nœuds $latex r_+$ étiqueté par $latex \Delta D$. On donne des certificats (niveau nœud et niveau classes) et des observations numériques (b = 7, 8, 9).
Portée & niveau de preuve — à lire avant
- Théorème A (règle modifiée prouvée). Pour la dynamique $latex f(x)=\frac{x-1}{4}$ si $latex x\equiv1\pmod 4$ et $latex f(x)=2x-1$ sinon, le potentiel $latex D$ décroît strictement à chaque retour sur $latex r_+$ ; il n’existe aucun cycle impair non trivial (preuve §3).
- Lemme $latex R_+$ (classique). Tout cycle impair (s’il existait) contient un $latex r_+\equiv1\pmod 4$ (preuve éclair §4).
- Proposition B (réduction conditionnelle à Collatz). Si, dans la dynamique Collatz impaire, chaque segment $latex r_+\to r_+$ vérifie $latex \Delta D<0$, alors il n’existe aucun cycle impair (§5).
- Certificats obtenus. (i) Niveau nœud : certificat $latex \Phi$ avec $latex \varepsilon=3$ (mode « bonus ») pour b = 7, 8, 9 ; « worst » = −3.000000. (ii) Niveau classes : certificats compacts faisables avec $latex \varepsilon=2$ ; $latex \varepsilon=3$ est structurellement infaisable au quotient (2-cycles agrégés, cf. encadré §6).
- Limite claire. Ces résultats n’équivalent pas à une preuve complète de Collatz ; ils isolent une structure contractante et un programme de preuve (plan §12–13).
1) Règle et ossature Collatz
Règle étudiée (entiers ≥ 0) : $latex f(x)=\begin{cases}\frac{x-1}{4},& x\equiv 1\pmod 4,\\[4pt] 2x-1,& \text{sinon.}\end{cases}$
On garde la géométrie compressée : $latex L_{r,n}=\frac{(3r+1)4^n-1}{3}$ pour $latex n\ge1$. Chaque paire « racine ↔ lien » se code par une distance $latex D\in\mathbb N$ : $latex \ r_-=2D-1,\ Y_-=3D-1,\ \mathrm{med}=3D,\ Y_+=3D+1,\ r_+=4D+1$. Lectures rapides : $latex D=\frac{r_-+1}{2}=\frac{Y_-+1}{3}=\frac{\mathrm{med}}{3}=\frac{Y_+-1}{3}=\frac{r_+-1}{4}$. On a toujours $latex r_+\equiv1\pmod 4$.
« 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 fait $latex 3r_++1=4(3D+1)$ (≥ 2 divisions par 2), puis encore $latex j=\nu_2(3D+1)$. 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 (dynamique ci-dessus) : $latex D$ décroît
- Potentiel : sur $latex r_+=4D+1$, poser $latex D=\frac{r_+-1}{4}$.
- 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 un $latex r_+$, la distance baisse d’au moins 1. Il n’existe donc aucun cycle impair non trivial pour la règle $latex \big(\frac{x-1}{4}\ /\ 2x-1\big)$.
Lemme $latex R_+$ (Collatz, odd-only)
Énoncé. Tout cycle impair (s’il existait) contient au moins un $latex r_+\equiv 1\pmod 4$.
Preuve éclair. Soit $latex y^{\ast}$ le plus grand impair du cycle. S’il était $latex \equiv 3\pmod 4$, alors $latex v_2(3y^{\ast}+1)=1$ et $latex T(y^{\ast})=\frac{3y^{\ast}+1}{2}>y^{\ast}$, contradiction. Donc $latex y^{\ast}\equiv 1\pmod 4$.
5) Pont vers Collatz : segments r+→r+ et poids $latex \Delta D$
Dans Collatz impaire accéléré, $latex T(y)=\frac{3y+1}{2^{\,k}}$ avec $latex k=\nu_2(3y+1)$. En échantillonnant seulement les retours $latex r_+\to r_+$, on définit $latex \Delta D=D_{\text{arrivée}}-D_{\text{départ}}\le -1$. Version « bonus » : lire $latex k_0=\nu_2(3r_++1)$ au premier pas et poser $latex \Delta D_{\text{bonus}}=1-k_0\ (\le -1)$.
Idée-preuve. Par le lemme $latex R_+$, tout cycle impair se découpe en ces segments. Si la somme des $latex \Delta D$ sur un tour est strictement négative, alors aucun cycle n’est possible.
Passerelle entre distances : $latex D\mapsto 2D+1$
Pour $latex D_2=2D_1+1$ et $latex (r_-,Y_-,Y_+,r_+)=(2D-1,\,3D-1,\,3D+1,\,4D+1)$ : $latex r_+(D_1)=r_-(D_2)$ et $latex 2\,Y_+(D_1)=Y_-(D_2)$. Par récurrence, pour $latex D^{(k)}=2^kD+(2^k-1)$ : $latex 2^kY_+(D)=Y_-(D^{(k)})$.
6) Expériences numériques (b = 7, 8, 9)
Protocole : export du graphe odd-only cohérent, contraction $latex r_+\to r_+$, puis analyse (Karp, CFC). On observe un DAG côté super-graphe $latex r_+\mid\Delta D$ (aucun cycle), avec histogramme invariant des poids $latex \Delta D\in\{-10,-8,-6,-4,-2\}$ (multiplié par $latex 3^b$).
| 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 | $latex 88/13\approx 6{,}769$ | $latex -75/13\approx -5{,}769$ | $latex 3^9\times[1,4,16,1,4]$ |
Histogrammes $latex \Delta D$ (mode « bonus »)
b = 7 : [−10 : 2 187], [−8 : 8 748], [−6 : 34 992], [−4 : 2 187], [−2 : 8 748] — moyenne $latex \overline{\Delta D}\approx -5{,}77$.
b = 8 : [−10 : 6 561], [−8 : 26 244], [−6 : 104 976], [−4 : 6 561], [−2 : 26 244] — même moyenne.
b = 9 : [−10 : 19 683], [−8 : 78 732], [−6 : 314 928], [−4 : 19 683], [−2 : 78 732] — même moyenne.
Lecture. Le motif est invariant lorsqu’on augmente b ; seules les masses se multiplient par $latex 3^b$.
Certificats « nœud » vs « classes » : pourquoi $latex \varepsilon=2$ est optimal au quotient
Niveau nœud (bonus) : on construit $latex \Phi$ tel que, pour toute arête $latex u\!\to\!v$, $latex \Delta D_{\text{bonus}}(u,v)+\Phi(v)-\Phi(u)\le -3$. Vérifié pour b = 7, 8, 9 (DAG), « worst » = −3.000000.
Niveau classes (clés compactes : alpha8, alpha64, alpha64_k0, alpha64_r2m4_k0) : certificat faisable avec $latex \varepsilon=2$, mais $latex \varepsilon=3$ est infaisable. Raison : s’il existe des classes $latex A\leftrightarrow B$ liées par des allers-retours dont les poids sont $latex w=-2$ dans les deux sens, les contraintes classe-à-classe lisent $latex \Phi(B)\le\Phi(A)+(2-\varepsilon)$ et $latex \Phi(A)\le\Phi(B)+(2-\varepsilon)$ ; la somme sur ce 2-cycle vaut $latex 4-2\varepsilon$, négative dès $latex \varepsilon>2$.
Conséquence. Les certificats par classes restent solides (ε = 2), et le certificat « nœud » (ε = 3) apporte une marge supplémentaire. Comme $latex \Delta D\le \Delta D_{\text{bonus}}$, toute inégalité valide au mode bonus vaut a fortiori pour $latex \Delta D$ exact.
7) Vue « odd-only » en deux blocs affines
- Bloc 1-pas (descente forte) : si $latex y\equiv1\pmod 4$, alors $latex y\mapsto\frac{y-1}{4}$.
- Bloc 3-pas (montée modérée) : si $latex y\equiv3\pmod 4$, alors $latex y\to 3y-1\to 9y-2\ (\equiv1\!\!\pmod 4)\to \frac{9y-3}{4}$, i.e. $latex y\mapsto \frac94\,y-\frac34$.
Un tour de cycle impair avec $latex s$ blocs 1-pas et $latex t$ blocs 3-pas composerait en $latex y\mapsto Ay+B$ avec $latex A=\frac{9^t}{4^{s+t}}$. La contrainte $latex y=Ay+B$ donne $latex y=\frac{B\,4^{s+t}}{\,4^{s+t}-9^t\,}$, à concilier avec l’intégralité et les congruences (mod 3, mod 4) : restrictions fortes (les valuations 2-adiques étant figées).
8) Résidus utiles et « lectures rapides »
- $latex r_-\equiv1,3,5,7\pmod 8$ selon $latex D$.
- $latex Y_-\equiv2\pmod 3$, $latex \mathrm{med}\equiv0\pmod 3$, $latex Y_+\equiv1\pmod 3$.
- $latex r_+\equiv1\pmod 4$ ⇒ $latex D=\frac{r_+-1}{4}$ immédiatement.
Mnémo : $latex D=\frac{r_-+1}{2}=\frac{Y_-+1}{3}=\frac{\mathrm{med}}{3}=\frac{Y_+-1}{3}=\frac{r_+-1}{4}$.
Annexe A — Tableau distances et $latex j=\nu_2(3D+1)$ (extrait)
Pour chaque $latex D$, on liste $latex (r_-,Y_-,\mathrm{med},Y_+,r_+)$ et $latex j=\nu_2(3D+1)$ (ainsi $latex \nu_2(3r_++1)=2+j$). Extrait $latex D=1\ldots 16$ :
| D | $latex r_-$ | $latex Y_-$ | med | $latex Y_+$ | $latex r_+$ | $latex r_-\ (\bmod\ 8)$ | $latex Y_\pm\ (\bmod\ 3)$ | $latex r_+\ (\bmod\ 4)$ | $latex j$ | $latex 2{+}j$ |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 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 |
Annexe B — Générateur minimal (Python)
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
# v2(3D+1) j = (Y_p & -Y_p).bit_length() - 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))
Comparaison & limites — La dynamique étudiée n’est pas Collatz : son potentiel $latex D$ donne une preuve complète (Th. A), alors que, pour Collatz, la décroissance $latex \Delta D<0$ reste à établir pour tous les segments $latex r_+\to r_+$. Les vérifications numériques ici (jusqu’à b = 9) sont modestes par rapport aux explorations globales de Collatz ; leur intérêt est structurel : ossature contractée sans cycles et schéma 2-adique stable.
TL;DR — Même ossature que Collatz compressé. Sous la règle affine étudiée, le potentiel $latex D$ baisse strictement ⇒ pas de cycle impair. Côté Collatz, le lemme $latex R_+$ force un passage par $latex r_+$ ; instrumentés par $latex \Delta D$, les segments $latex r_+\to r_+$ fournissent un certificat robuste (numériquement : DAG pour b = 7–9). Les certificats « par classes » sont optimaux à $latex \varepsilon=2$ ; au niveau nœud, on atteint $latex \varepsilon=3$ (bonus).
Programme de preuve globale — combiner D et la passerelle D↦2D+1
- Espace d’états exact & contraction : classes finies $latex (\alpha\bmod 64\ \text{impair},\ \beta\bmod 3^b,\ r_2\bmod 2^q)$ (mémoire 2-adique $latex r_2$ sur la barrière $latex \alpha=21$). Super-graphe des retours $latex r_+\to r_+$ et variation réelle $latex \Delta D:=D(r_+’)-D(r_+)$.
- Bonus local : pour $latex r_+=4D+1$, poser $latex k_0=\nu_2(3r_++1)=2+\nu_2(3D+1)$, et $latex \Delta D_{\text{bonus}}:=1-k_0\le -1$.
- Objectif à montrer : pour chaque classe $latex (\alpha,\beta,r_2)$, établir $latex \Delta D\le 1-k_0$. Alors $latex D$ décroît strictement sur chaque retour ⇒ pas de cycle.
- Passerelle : prouver que l’inégalité est stable par $latex D\mapsto 2D+1$ (propagation par récurrence) ; on se ramène à un noyau fini de classes.
Deux voies concrètes
- (A) Lemme 2-adique local (structurel). Décomposer le segment réel $latex r_+\rightsquigarrow r_+’$. Hors barrière ($latex \alpha\neq 21$), $latex v_2(3y+1)\le 5$ est déterministe ; sur barrière ($latex \alpha=21$), $latex r_2$ code la solution 2-adique. Montrer que la longueur minimale du « couloir » jusqu’au prochain $latex 1\ (\bmod 4)$ consomme au moins $latex k_0-1$ unités de $latex D$, d’où $latex \Delta D\le 1-k_0$.
- (B) Certificat dual $latex \Phi$. Trouver $latex \Phi$ et $latex \varepsilon>0$ tels que, pour chaque arête $latex r_+\to r_+’$, $latex \Delta D_{\text{bonus}}+\Phi(r_+’)-\Phi(r_+)\le -\varepsilon$. Comme $latex \Delta D\le \Delta D_{\text{bonus}}$, on en déduit $latex \Delta D+\Delta\Phi\le -\varepsilon$ ⇒ aucun cycle.
Lemme local 2-adique — énoncé & squelette
Énoncé. Soit un état $latex (\alpha,\beta,r_2)$ représentant $latex r_+=4D+1$ (donc $latex r_+\equiv1\pmod4$). Posons $latex k_0=\nu_2(3r_++1)=2+j$ avec $latex j=\nu_2(3D+1)\ge 0$. Soit $latex r_+’$ le premier impair $latex \equiv 1\ (\bmod 4)$ atteint en itérant $latex T(y)=\frac{3y+1}{2^{\nu_2(3y+1)}}$ à partir de $latex r_+$. Alors $latex \Delta D:=D(r_+’)-D(r_+)\ \le\ 1-k_0.$
Preuve — squelette. Écrire $latex 3r_++1=4(3D+1)$ et $latex T(r_+)=m=(3D+1)/2^{\,j}$. Hors barrière, les valuations rencontrées sont bornées et déterministes selon $latex \alpha$ ; sur barrière, $latex r_2$ résout la congruence 2-adique. Dans les deux cas, on borne en dessous la longueur du couloir $latex (\bmod 4)$ entre $latex r_+$ et $latex r_+’$ et on comptabilise la diminution de $latex D$.
Stabilité par passerelle. Si $latex D_2=2D_1+1$, les identités $latex r_+(D_1)=r_-(D_2)$ et $latex 2Y_+(D_1)=Y_-(D_2)$ transportent l’inégalité de $latex D_1$ à $latex D_2$ ; par récurrence, on se ramène à un noyau fini.
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