Jaki jest następny wyraz tego ciągu?
3, 7, 31, 211, 2311, ... – jaki jest następny wyraz tego ciągu? Jakiś czas temu taka zagadka pojawiła się na jednej z polskich rozrywkowych stron internetowych. Niemal od razu w komentarzach pod nią rozpoczął się spór o poprawne, prawdziwe rozwiązanie. Czytelnik zapewne zechce podjąć wyzwanie samodzielnego odnalezienia następnego elementu ciągu i jego ogólnej reguły. Zatem zatrzymajmy się tu i pozwólmy sobie na chwilę namysłu; w dalszej części tekstu pojawi się rozwiązanie (autorowi niniejszego tekstu zajęło kilka dłuższych chwil znalezienie formuły).

Autor myślał tak: wszystkie te liczby są nieparzyste, a nawet pierwsze;
początkowe dwie są jednocyfrowe, następne mają jedynkę jako cyfrę jedności.
Z braku lepszych pomysłów odejmijmy
od każdej z tych
liczb – otrzymamy wtedy:
Łatwo można
zauważyć, że
i szybko sprawdzić,
że
Czyli zaczynamy od
mnożymy
przez
potem wynik mnożymy przez
kolejny
wynik mnożymy przez
a ten z kolej przez
nie,
nie przez
Przez
Czemu nie przez
Widać
nie chodzi o kolejne liczby nieparzyste. Więc może kolejne liczby
pierwsze? Jak dotąd, iloczyny budowaliśmy z kolejnych liczb pierwszych:
więc pewnie to o to tu chodzi. Kolejną liczbą pierwszą
jest
zatem Czytelnik Sprawny szybko obliczy w pamięci
(a mniej sprawny za pomocą kalkulatora, jak to i autor uczynił), że
Teraz trzeba jeszcze tylko dodać do tego jedynkę
i mamy rozwiązanie zagadki: następną liczbą jest
zaś
-ty
wyraz ciągu powstaje przez dodanie jedynki do iloczynu
kolejnych
liczb pierwszych.
Po uzyskaniu powyższego wyniku zadowolony z siebie autor (niechaj
Czytelnik Przezorny zawsze strzeże się nadmiernego zadowolenia z siebie –
niewiele jest rzeczy równie pewnie wiodących do zguby!) postanowił
skonfrontować swoje rozumowanie z tymi przedstawionymi w komentarzach.
Był więcej niż zdziwiony, gdy zobaczył odpowiedź:
– i to
bez słowa wyjaśnienia. Cóż więc pozostało uczynić, jak nie zwrócić się
po pomoc do mądrzejszych od siebie? Wolfram Alpha rzeczywiście
podaje
jako kolejny prawdopodobny wyraz podanego ciągu,
z wyjaśnieniem odsyłając do The On-Line Encyclopedia of Integer Sequences.
Tam możemy przeczytać, że
-ty element badanego ciągu to
największy dzielnik pierwszy iloczynu
kolejnych liczb pierwszych
powiększonego o jeden, a dalej, że pomysł tego ciągu wywodzi się z dowodu
Euklidesa, iż istnieje nieskończenie wiele liczb pierwszych. Zamiast się
wyjaśnić, sprawa stała się jeszcze bardziej zagmatwana. Co do rzeczy
ma Euklides? Przypomnijmy może twierdzenie i dowód (mówiąc
ściślej, współczesną interpretację tego dowodu), które zamieścił
w swoich Elementach.
Dowód Euklidesa. Swój dowód Euklides przeprowadził metodą
reductio ad absurdum. Podążając tropem jego myśli, załóżmy, że
istnieje skończenie wiele liczb pierwszych. Oznaczmy je w kolejności
rosnącej jako:
Zdefiniujmy
liczbę
Nie dzieli się ona przez żadną z liczb
pierwszych
bo reszta z dzielenia zawsze wynosi
nie jest
więc złożona. Jest też większa od każdej z liczb
nie jest
więc także pierwsza. Ale przecież każda liczba naturalna (większa
od
) jest albo pierwsza, albo złożona, z definicji pierwszości.
Otrzymana sprzeczność pokazuje, że poczynione przez nas założenie
było fałszywe, a więc, że jest nieskończenie wiele liczb pierwszych.
Czytając powyższy dowód nie dość uważnie, można by w pierwszej
chwili pomyśleć, że skonstruowana w powyższym dowodzie
liczba
jest kolejną liczbą pierwszą, którą można równie
dobrze oznaczyć jako
Otóż
nie musi być
kolejną liczbą pierwszą, mogą istnieć inne liczby pierwsze większe niż
każda z
ale mniejsze niż
W istocie
nie musi
być w ogóle liczbą pierwszą – może być iloczynem kilku liczb pierwszych
większych niż liczby
Obrazują to dwa przykłady.
Przykład 1.
Załóżmy, że jest tylko pięć liczb pierwszych:
Wtedy
konstruujemy liczbę
Liczba ta nie dzieli
się przez żadną z wybranych liczb pierwszych. W istocie nie dzieli się przez
żadną liczbę mniejszą od siebie (nie licząc jedynki), zatem jest to liczba
pierwsza, jednak inna niż te z poczynionego założenia – sprzeczność.
Przy czym istnieją też inne, mniejsze liczby pierwsze, np.
Przykład 2. Załóżmy, że jest tylko
sześć liczb pierwszych:
Wtedy konstruujemy liczbę
Liczba ta nie dzieli się przez żadną
z wybranych
liczb pierwszych. Ale okazuje się, że
przy czym
tak
jak i
są pierwsze, choć nie zostały wymienione
w założeniu. Znów sprzeczność.
A więc to o to w tym wszystkim chodziło – o ilustrację powyższego dowodu,
w szczególności niuansu zilustrowanego przykładami. Teraz już wiadomo,
jak i dlaczego badany ciąg został określony. No dobrze, czy w takim razie 30031
jest złą odpowiedzią? Nie, odpowiedź ta jest zgodna z treścią zadania – jest to
ciąg o zadanych początkowych elementach i prostej regule tworzenia kolejnych
wyrazów. Tyle, że to inny ciąg niż oczekiwany przez twórcę zadania.
Zbieżność początkowych wyrazów obu ciągów wynika z faktu, że owe
wyrazy są liczbami pierwszymi, a więc ich największymi dzielnikami pierwszymi
są one same. Dopiero następny iloczyn,
czy też jego największy
dzielnik pierwszy,
ujawniają różnice. Gdyby w zagadce
podano o jedną liczbę więcej, byłoby jasne, o który ciąg chodzi: ciąg
będzie kontynuowany przez
zaś
ciąg
przez
Właśnie ta niejednoznaczność wywołała burzliwą dyskusję, zresztą zupełnie
niepotrzebną. Dla matematyka jest oczywiste, że gdy w zadaniu należy
znaleźć obiekt o pewnych własnościach określonych w treści zadania, to
próbuje znaleźć wszystkie obiekty spełniające zadane warunki. Na przykład,
kiedy szuka rozwiązań równania
nie zadowala się
samą jedynką, czy też samym zerem – jako rozwiązania podaje obie
te liczby. Problem leży raczej po stronie samych zagadek pt. jaka jest
następna liczba?. Jeżeli podamy kilka liczb, możemy dobrać do nich
nieprzeliczalnie wiele nieskończonych ciągów, których początkowe wyrazy
będą takie, jak te podane, np.
albo
żeby już trzymać się
naszego ciągu.
Oczywiście, nie o to chodzi w zagadkach, ale o to, by na podstawie podanych
początkowych wyrazów znaleźć metodę otrzymywania kolejnych, by znaleźć
ogólny schemat. Ale nawet przy takim ograniczeniu nadal mamy nieskończenie
wiele różnych wzorów. Do węzłów
możemy (nawet nie musimy) dołożyć sobie dowolne kolejne,
np.
znaleźć jakąś funkcję określoną na całej
prostej i przechodzącą przez podane punkty (najprościej numerycznie,
za pomocą komputera), by na koniec ograniczyć dziedzinę do argumentów
naturalnych, otrzymując w ten sposób ciąg spełniający warunki zadania, wraz ze
sposobem obliczania kolejnych jego wyrazów. Możemy nawet z góry zadać
następny element, jak w przypadku węzła
– to właśnie on
wygeneruje kolejny wyraz równy
I tu właśnie leży sedno: ściśle poprawna odpowiedź musiałaby zawierać wszystkie ciągi rozpoczynające się zadanymi liczbami, a zagadka, jako łamigłówka, powinna mieć jedną, stosunkowo łatwą do znalezienia odpowiedź. Rzecz jasna, jej znalezienie wcale nie musi być łatwe, ale rozwiązania nie powinny wymagać zaawansowanych studiów (w każdym razie tak autor postrzega zagadki i chyba nie jest w tym odosobniony). Stąd niejawne założenie jednoznaczności. Czy nonsensowne? Raczej nie, choć wymaga ostrożności przy takim konstruowaniu zagadek, by oczekiwane rozwiązanie było naturalne i wyraźnie łatwiejsze do znalezienia niż pozostałe, nienaturalne i nieoczekiwane. Ta naturalność wymaga pewnej intuicji i wyczucia przy tworzeniu zagadek. Czy w takim razie opisana zagadka jest zła? Chyba nie, skoro skłoniła do przemyśleń co najmniej jedną osobę (autora), czego efektem jest niniejszy tekst.