home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ Internet Info 1994 March / Internet Info CD-ROM (Walnut Creek) (March 1994).iso / answers / rec / puzzles / archive / pickover / part2 < prev    next >
Text File  |  1993-08-17  |  57KB  |  1,597 lines

  1. Newsgroups: rec.puzzles,news.answers,rec.answers
  2. Path: senator-bedfellow.mit.edu!bloom-beacon.mit.edu!spool.mu.edu!howland.reston.ans.net!europa.eng.gtefsd.com!uunet!questrel!chris
  3. From: chris@questrel.com (Chris Cole)
  4. Subject: rec.puzzles Archive (pickover), part 29 of 35
  5. Message-ID: <puzzles/archive/pickover/part2_745653851@questrel.com>
  6. Followup-To: rec.puzzles
  7. Summary: This is part of an archive of questions
  8.  and answers that may be of interest to
  9.  puzzle enthusiasts.
  10.  Part 1 contains the index to the archive.
  11.  Read the rec.puzzles FAQ for more information.
  12. Sender: chris@questrel.com (Chris Cole)
  13. Reply-To: archive-comment@questrel.com
  14. Organization: Questrel, Inc.
  15. References: <puzzles/archive/Instructions_745653851@questrel.com>
  16. Date: Wed, 18 Aug 1993 06:06:42 GMT
  17. Approved: news-answers-request@MIT.Edu
  18. Expires: Thu, 1 Sep 1994 06:04:11 GMT
  19. Lines: 1575
  20. Xref: senator-bedfellow.mit.edu rec.puzzles:25022 news.answers:11542 rec.answers:1942
  21.  
  22. Archive-name: puzzles/archive/pickover/part2
  23. Last-modified: 17 Aug 1993
  24. Version: 4
  25.  
  26.  
  27. ==> pickover/pickover.07.p <==
  28. Title: Cliff Puzzle 7: 3x3 Recursion
  29. From: cliff@watson.ibm.com
  30.  
  31. If you respond to this puzzle, if possible please send me your name,
  32. address, affiliation, e-mail address, so I can properly credit you if
  33. you provide unique information.  PLEASE ALSO directly mail me a copy of
  34. your response in addition to any responding you do in the newsgroup.  I
  35. will assume it is OK to describe your answer in any article or
  36. publication I may write in the future, with attribution to you, unless
  37. you state otherwise.  Thanks, Cliff Pickover
  38.  
  39. * * *
  40.  
  41. Consider the 3x3 array below.  All nine digits are used exactly once.
  42.  
  43. 1 9 2
  44. 3 8 4
  45. 5 7 6
  46.  
  47. Notice that "384" is twice the number in the first row, and that
  48. "576" is three times the number in the first row.
  49.  
  50. Questions:
  51. 1.  Are there other ways of arranging the number to produce the same
  52. result using each digit only once and the same rules?
  53. Remember, the second row must be twice the first.  The third row
  54. must be 3 times the first row.
  55.  
  56. 2.  Start with the number in the last row (e.g "576" or any other
  57. solution you may find) and continue to form another 3x3 matrix using the
  58. same rules with the new starting number.  In other words, the number in
  59. the second row must be twice the first.  The third row must be three
  60. times the first.  (For this problem you may truncate any digits in the
  61. beginning.  For example, 1384 would become 384.)
  62.  
  63. Keep going.  How many matrices can you create before it is impossible
  64. to continue.  Again, each digit must be used only once
  65. in each matrix.
  66.  
  67. ==> pickover/pickover.07.s <==
  68. -------------------------
  69.  
  70. > Title: Cliff Puzzle 7: 3x3 Recursion
  71. > Consider the 3x3 array below.  All nine digits are used exactly once.
  72. > 1 9 2
  73. > 3 8 4
  74. > 5 7 6
  75. > Questions:
  76. > 1.  Are there other ways of arranging the numbers to produce the same
  77. > result using each digit only once and the same rules?
  78.  
  79. YES .
  80.  
  81.  2 1 9       2 7 3        3 2 7
  82.  4 3 8       5 4 6        6 5 4
  83.  6 5 7       8 1 9        9 8 1
  84.  
  85. > same rules with the new starting number.  In other words,
  86. > the last number becomes the first, and the number in
  87. > the new second row must be twice the first.  The third row must be three
  88. > times the first.  (For this problem you may truncate any digits in the
  89. > beginning.  For example, 1384 would become 384.)
  90. NONE. There is no solution to the continuation problem.
  91.  
  92.  
  93. Bye.
  94.  
  95. Amit Agarwal
  96. > to continue?  Again, each digit must be used only once
  97. > in each matrix.
  98. >
  99. >
  100.  
  101. -------------------------
  102.  
  103. By exhaustive search I found that there are only four such arrays.
  104. Here they are:
  105.  
  106.   1 9 2        2 1 9        2 7 3        3 2 7
  107.   3 8 4        4 3 8        5 4 6        6 5 4
  108.   5 7 6        6 5 7        8 1 9        9 8 1
  109.  
  110. Since these are the only four it is clear from inspection that
  111. none of the last numbers ever begin another array with the desired
  112. properties.
  113.  
  114. Bob Murphy (rmurphy@aludra.usc.edu)
  115.  
  116. -------------------------
  117.  
  118.  
  119.  
  120. Well, I think I have an answer to both parts.  I did what should have been
  121. a complete analysis of all possible column combinations, but it is
  122. certainly possible that I missed a point somewhere.  If you don't get any
  123. answers contradicting this one, I'd be happy to send you my analysis.
  124. Anyway - for part 1, I found the following three matrices (in additionn
  125. to the one you gave):
  126.             2 1 9    2 7 3   3 2 7
  127.             4 3 8    5 4 6   6 5 4
  128.             6 5 7    8 1 9   9 8 1
  129.  
  130. Note that the first one of these can be generated from yours by moving
  131. the third column to the first position, and the third one can be generated
  132. from the second similarly.  In both cases, one column does not receive
  133. or produce any carryovers, so it can be placed at either end.
  134.  
  135. For part 2, there is obviously no solution, assuming that these are indeed
  136. the only four matrices satisfying the requirements.  In my analysis, I
  137. included columns with carryovers in all positions, so if there were any
  138. matrices that would satisfy the relaxed condition of part 2 I should
  139. have found them.
  140.  
  141.                             Dan Blum
  142.                             Institute for the
  143.                             Learning Sciences
  144.                             Northwestern U.
  145.                             blum@ils.nwu.edu
  146. -------------------------
  147.  
  148.  
  149. Cliff,
  150.  
  151. In article <1blrk9INN10s@aludra.usc.edu> (Bob Murphy) writes:
  152.  
  153. >By exhaustive search I found that there are only 4 starting numbers
  154. >which produce a 3x3 array with the desired property.  Here they are:
  155. >
  156. >   1 9 2        2 1 9        2 7 3        3 2 7
  157. >   3 8 4        4 3 8        5 4 6        6 5 4
  158. >   5 7 6        6 5 7        8 1 9        9 8 1
  159.  
  160.  
  161. For each of these solutions I happened to notice that the sum of each row
  162. is a constant:
  163.  
  164.     sum(row1) = 12
  165.     sum(row2) = 15
  166.     sum(row3) = 18
  167.  
  168. (necessary but not sufficient condition)
  169.  
  170. And the sums all differ by the same constant (3).  I wonder if this
  171. property may somehow be generalized to matrices of higher degree?
  172.  
  173.  
  174. Regards,
  175.  
  176.  
  177. -- Greg Schmidt        schmidtg@iccgcc.decnet.ab.com
  178.  
  179. -------------------------
  180.  
  181.  
  182. > If you respond to this puzzle, if possible please send me your name, address,
  183. > affiliation, and e-mail address so I can credit you in the future if needed.
  184. > If you like, tell me a little bit about yourself so I can cite you
  185. > appropriately if you provide unique information.  PLEASE ALSO directly mail
  186. > me a copy of your response in addition to any responding you do in the
  187. > newsgroup.  I will assume it is OK to describe your answer in any article or
  188. > publication I may write in the future, with attribution to you, unless you
  189. > state otherwise.
  190. > Thanks, Cliff Pickover
  191. >
  192. > Consider the 3x3 array below.  All nine digits are used exactly once.
  193. >
  194. > 1 9 2
  195. > 3 8 4
  196. > 5 7 6
  197. >
  198. > Notice that "384" is twice the number in the first row, and that
  199. > "576" is three times the number in the first row.
  200. >
  201. > Questions:
  202. > 1.  Are there other ways of arranging the numbers to produce the same
  203. > result using each digit only once and the same rules?
  204. > Remember, the second row must be twice the first.  The third row
  205. > must be 3 times the first row.
  206. >
  207. > 2.  Start with the number in the last row (e.g "576" or any other
  208. > solution you may find) and continue to form another 3x3 matrix using the
  209. > same rules with the new starting number.  In other words,
  210. > the last number becomes the first, and the number in
  211. > the new second row must be twice the first.  The third row must be three
  212. > times the first.  (For this problem you may truncate any digits in the
  213. > beginning.  For example, 1384 would become 384.)
  214. >
  215. > Keep going.  How many matrices can you create before it is impossible
  216. > to continue?  Again, each digit must be used only once
  217. > in each matrix.
  218.  
  219. Well, this is probably not news to you by now, but I only get four solutions
  220. to the original problem:
  221.  
  222. 1 9 2      2 1 9      2 7 3      3 2 7
  223. 3 8 4      4 3 8      5 4 6      6 5 4
  224. 5 7 6      6 5 7      8 1 9      9 8 1
  225.  
  226. If we relax the rules slightly and allow zeroes, and just specify that the nine
  227. numbers only have to be different, then we get two more solutions:
  228.  
  229. 0 7 8      2 6 7
  230. 1 5 6      5 3 4
  231. 2 3 4      8 0 1
  232.  
  233. both of which use the digits 0-8, which may be of interest.
  234.  
  235. The second problem (in either form) has only the above solutions, with only one
  236. matrix in each solution.
  237.  
  238. If we switch to base 9 (where we must use a zero), there is no solution to the
  239. first, and only one solution to the second (with only one matrix):
  240.  
  241. 4 8 1
  242. 0 7 2
  243. 5 6 3
  244.  
  245. In fact, I considered 3 versions of problem 2.  In all cases zeroes were
  246. allowed, but the 9 numbers had to be different.  For each of them the first 3x3
  247. matrix has to meet the original specifications; where they differ is in how the
  248. succeeding matrices are constructed.  In the ensuing discussion, the original
  249. number is called 'n'.  So in the example given with the problem, n is 192.
  250.  
  251. Version A:  The second matrix consists of rows with n*2, n*3 and n*4 in them.
  252.            (The last three digits of those, anyway.)  The next would have n*3,
  253.            n*4, and n*5, then n*4, n*5, n*6, etc.
  254.  
  255. Version B:  The second matrix consists of n*3, n*6, n*9.  (This is essentially
  256.             the second problem as given.)
  257.  
  258. Version C:  The second matrix consists of n*4, n*5, n*6.  The next would have
  259.             n*7, n*8, n*9 etc.
  260.  
  261. Results for various bases:
  262.  
  263. Base 9:
  264.   A, B, C:   4 8 1
  265.              0 7 2
  266.              5 6 3
  267.  
  268. Base 10:
  269.   A, B, C:   0 7 8    1 9 2    2 1 9    2 6 7    2 7 3    3 2 7
  270.              1 5 6    3 8 4    4 3 8    5 3 4    5 4 6    6 5 4
  271.              2 3 4    5 7 6    6 5 7    8 0 1    8 1 9    9 8 1
  272.  
  273.   In addition, with version C, we get a second matrix for 219.
  274.  
  275.      2 1 9     8 7 6
  276.      4 3 8 ==> 0 9 5
  277.      6 5 7     3 1 4
  278.  
  279. Base 11:   (A, B, etc. represent 10, 11, etc..)
  280.   A, B, C: 18 solutions.  From now on, I'll only show the multiple matrix ones.
  281.  
  282.   A:  5 A 1     0 9 2    6 7 4     2 3 8
  283.       0 9 2 ==> 6 8 3    2 3 8 ==> 9 0 1
  284.       6 8 3     1 7 4    9 0 1     4 7 5
  285.  
  286.   B:  9 3 4     5 A 1
  287.       7 6 8 ==> 0 9 2
  288.       5 A 1     6 8 3
  289.  
  290.   C:  8 9 1     2 3 4
  291.       6 7 2 ==> 0 1 5
  292.       4 5 3     8 A 6
  293.  
  294.   (Note that the B solution ends in an A solution matrix!)
  295.  
  296. Base 12:   19 solutions
  297.  
  298.   A:  7 3 4     2 6 8
  299.       2 6 8 ==> 9 A 0
  300.       9 A 0     5 1 4
  301.  
  302.   B:  None
  303.  
  304.   C:  3 5 7     1 A 4
  305.       6 B 2 ==> 5 3 B
  306.       A 4 9     8 9 6
  307.  
  308. Base 13:   71 solutions...and it rapidly increases from here....
  309.  
  310. The number of solutions rises rapidly, as we might expect, as the more possible
  311. values for digits there are in the base, the more likely the set of 9 will be
  312. distinct.  If we look at solutions which only involve the digits 1-9, then the
  313. following is a list of all solutions (for all bases):
  314.  
  315. Base 10:  1 9 2    2 1 9    2 7 3    3 2 7
  316.           3 8 4    4 3 8    5 4 6    6 5 4
  317.           5 7 6    6 5 7    8 1 9    9 8 1
  318.  
  319. Base 11:  7 8 3    8 4 6    8 9 1
  320.           4 5 6    5 9 1    6 7 2
  321.           1 2 9    3 2 7    4 5 3
  322.  
  323. (Tested all cases until base 17.  After that, no solution can involve a carry.
  324. But there are no solutions without carries.  So, no more solutions.)
  325.  
  326. I hope this is of some interest.
  327.  
  328. Cheers,
  329. Geoff.
  330.  
  331. -------------------------------------------------------------------------------
  332. Geoff Bailey (Fred the Wonder Worm)   |   Programmer by trade --
  333. ftww@cs.su.oz.au                      |       Gameplayer by vocation.
  334. -------------------------------------------------------------------------------
  335.  
  336.  
  337. -------------------------
  338.  
  339.  
  340. > Ref:  Your note of Mon, 19 Oct 92 22:24:47 EST
  341. >
  342. > Where are you from?
  343.  
  344. Whoops, knew I forgot to put something in.  I'm currently a student at the
  345. University of Sydney (Australia), doing Computer Science (Honours).
  346.  
  347. Cheers,
  348. Geoff.
  349.  
  350. -------------------------------------------------------------------------------
  351. Geoff Bailey (Fred the Wonder Worm)   |   Programmer by trade --
  352. ftww@cs.su.oz.au                      |       Gameplayer by vocation.
  353. -------------------------------------------------------------------------------
  354.  
  355.  
  356. -------------------------
  357.  
  358.  
  359. By the way, I tried searching for analogous solutions for other sizes and other
  360. bases.  So the new problems become:
  361.  
  362. Consider an n by n matrix containing the 'digits' from 1 to n^2 in a base b,
  363. where b > n^2.  The i'th row of the matrix consists of the last n 'digits' of
  364. i*(first row).  The versions differ in how succeeding matrices may be
  365. constructed.  Let f be the first row.
  366.  
  367. Version A:  The next matrix has rows with 2*f, 3*f, ... , (n+1)*f
  368.            The j'th matrix has rows j*f, (j+1)*f, ... , (n+1-j)*f
  369.  
  370. Version B:  The next matrix has rows with n*f, 2*n*f, ... , n*n*f
  371.            The j'th matrix has rows (n^(j-1))*f, 2*(n^(j-1))*f, .... , (n^j)*f
  372.  
  373. Version C:  The next matrix has rows with (n+1)*f, (n+2)*f, ... , 2*n*f
  374.            The j'th matrix has rows (1+n*(j-1))*f, (2+n*(j-1))*f, ..., j*n*f
  375.  
  376. Basically these are analogies of the three versions I wrote to you about
  377. before.  The results I get are:
  378.  
  379. n: 1    base: any above 1
  380.  
  381.     A, B, C:     1
  382.  
  383. n: 2    base: 5
  384.  
  385.     A, B, C:      3  2             4  1
  386.                   1  4             3  2
  387.  
  388.     In case B, the second one extends:
  389.  
  390.                   4  1 ==> 3  2
  391.                   3  2     1  4
  392.  
  393.     In case C, the second one also extends:
  394.  
  395.                   4  1 ==> 2  3
  396.                   3  2     1  4
  397.  
  398.         base: 6
  399.  
  400.     A, B, C:      1  4             3  4
  401.                   3  2             1  2
  402.  
  403.   Note that the only solution to the first problem (no overflow allowed) is
  404.                   1  4     (in base 6)
  405.                   3  2
  406.  
  407. n: 3    base: 10
  408.  
  409.     A, B, C:  1  9  2     2  1  9     2  7  3     3  2  7
  410.               3  8  4     4  3  8     5  4  6     6  5  4
  411.               5  7  6     6  5  7     8  1  9     9  8  1
  412.  
  413.         base: 11
  414.  
  415.     A, B, C:  7  8  3     8  4  6     8  9  1
  416.               4  5  6     5  9  1     6  7  2
  417.               1  2  9     3  2  7     4  5  3
  418.  
  419.   Note the base 10 solutions all solve the first problem, while none of the
  420.   base 11 solutions do, and there is no second matrix for any of them.
  421.  
  422. n: 4    base: 18
  423.  
  424.     A, B, C:  1 15 14  4    1 15 16  2    2  1 15 16    2  3 13 16
  425.               3 13 10  8    3 13 14  4    4  3 13 14    4  7  9 14
  426.               5 11  6 12    5 11 12  6    6  5 11 12    6 11  5 12
  427.               7  9  2 16    7  9 10  8    8  7  9 10    8 15  1 10
  428.  
  429.  
  430.               3 13 14  4    3 13 16  2    4  1 15 14    4  3 13 14
  431.               7  9 10  8    7  9 14  4    8  3 13 10    8  7  9 10
  432.              11  5  6 12   11  5 12  6   12  5 11  6   12 11  5  6
  433.              15  1  2 16   15  1 10  8   16  7  9  2   16 15  1  2
  434.  
  435.  
  436.     In case C, two of them extend:
  437.  
  438.    1 15 16  2      9  7  8 10      2  1 15 16     10  9  7  8
  439.    3 13 14  4 ==> 11  5  6 12      4  3 13 14 ==> 12 11  5  6
  440.    5 11 12  6     13  3  4 14      6  5 11 12     14 13  3  4
  441.    7  9 10  8     15  1  2 16      8  7  9 10     16 15  1  2
  442.  
  443.   Note all of these solutions solve the first problem (no overflow).
  444.  
  445. Unfortunately, my algorithm is O((n!)^2), so any results for n = 5 are not
  446. going to be forthcoming soon.
  447.  
  448. Cheers,
  449. Geoff.
  450.  
  451. -------------------------------------------------------------------------------
  452. Geoff Bailey (Fred the Wonder Worm)   |   Programmer by trade --
  453. ftww@cs.su.oz.au                      |       Gameplayer by vocation.
  454. -------------------------------------------------------------------------------
  455.  
  456.  
  457.  
  458. ==> pickover/pickover.08.p <==
  459. Title: Cliff Puzzle 8: Squares and Squares and Squares ....
  460. From: cliff@watson.ibm.com
  461.  
  462. If you respond to this puzzle, if possible please send me your name,
  463. address, affiliation, e-mail address, so I can properly credit you if
  464. you provide unique information.  PLEASE ALSO directly mail me a copy of
  465. your response in addition to any responding you do in the newsgroup.  I
  466. will assume it is OK to describe your answer in any article or
  467. publication I may write in the future, with attribution to you, unless
  468. you state otherwise.  Thanks, Cliff Pickover
  469.  
  470. * * *
  471.  
  472. 1.  What is the smallest square with leading digit 1 which remains a
  473. square when the leading 1 is replaced by a 2?
  474.  
  475. In other words, if x**2 = 1.........., is there a y**2 = 2.........  ?
  476.  
  477. 2.  What is the smallest square with leading digit 1 which remains a
  478. square when the leading 1 is replaced by a 2 and also remains a square
  479. when the leading digit is replaced by a 3?
  480.  
  481. 3.  What is the smallest square with leading digit 1 which remains a
  482. square when the leading 1 is replaced by a 2, and also remains a square
  483. when the leading digit is replaced by a 3, and also remains a square
  484. when the leading digit is replaced by a 4?
  485.  
  486. ==> pickover/pickover.08.s <==
  487. -------------------------
  488.  
  489.  
  490. > 1.  What is the smallest square with leading digit 1 which remains a
  491. > square when the leading 1 is replaced by a 2?
  492. >
  493.     11025 ( 105 * 105 )      ----       21025 ( 145 * 145 )
  494.  
  495. >
  496. > 2.  What is the smallest square with leading digit 1 which remains a
  497. > square when the leading 1 is replaced by a 2 and also remains a square
  498. > when the leading digit is replaced by a 3?
  499. >
  500.     No solution till 1,000,000,000.
  501.  
  502. > 3.  What is the smallest square with leading digit 1 which remains a
  503. > square when the leading 1 is replaced by a 2, and also remains a square
  504. > when the leading digit is replaced by a 3, and also remains a square
  505. > when the leading digit is replaced by a 4?
  506. >
  507. >
  508.    No solution till 1,000,000,000.
  509.  
  510.  
  511. The property that you are looking for ( however with different leading
  512.  
  513. digits ) is owned by the following numbers.
  514.  
  515.  
  516. 2025    3025
  517. -------------
  518. 11025   21025
  519. 57600   67600
  520. ---------------
  521. 202500   302500
  522. 342225   442225
  523. ------------------
  524. 1102500   2102500
  525. 3515625   4515625
  526. 5760000   6760000
  527. -------------------
  528. 11390625   21390625
  529. 20250000   30250000
  530. 34222500   44222500
  531. ----------------------
  532. 110250000     210250000
  533. 196700625     296700625
  534. 351562500     451562500
  535. 576000000     676000000
  536. -------------------------
  537.  
  538. This is probably of no use to you, but, anyway.
  539.  
  540. -------------------------
  541.  
  542. In article <1992Oct20.184149.51596@watson.ibm.com> you write:
  543. >Title: Cliff Puzzle 8: Squares and Squares and Squares ....
  544. >1.  What is the smallest square with leading digit 1 which remains a
  545. >square when the leading 1 is replaced by a 2?
  546.  
  547. >In other words, if x**2 = 1.........., is there a y**2 = 2.........  ?
  548.  
  549. (Isn't this first part an old puzzle?)
  550.  
  551. 105^2=11025; 145^2=21025.  In general we want 10^k=(y-x)(y+x) and
  552. 1.5 < (y/x)^2 < 2.  Thus y+x and y-x must be factors of 10^k of
  553. the same parity whose ratio is between 5.828... and 9.899...
  554. (these are (t+1)/(t-1) for t^2=2 and 1.5 respectively).  The
  555. smallest solution (x,y)=(105,145) corresponds to the factorization
  556. 10^4=40*250; gp/pari's "fordiv" function allows one to easily list
  557. all primitive solutions [i.e. not obtained from a smaller solution
  558. by multiplying x,y by the same power of 10] with x^2 and y^2 each
  559. having at most (say) 50 digits:
  560.  
  561. [x,y]=
  562.  
  563. [145, 105]
  564. [17225, 14025]
  565. [454625, 326625]
  566. [53948125, 43708125]
  567. [1425503125, 1015903125]
  568. [168971890625, 136203890625]
  569. [529265958203125, 424408358203125]
  570. [1657888279384765625, 1322343959384765625]
  571. [5193483785077392578125, 4119741961077392578125]
  572.  
  573. In fact it can be seen that the primitive solutions correspond to
  574. integer linear combinations of log(2) and log(5) lying in a certain
  575. fixed interval (determined by the bounds 5.828... and 9.899...),
  576. which probably explains the regular growth of this list.
  577.  
  578. >2.  What is the smallest square with leading digit 1 which remains a
  579. >square when the leading 1 is replaced by a 2 and also remains a square
  580. >when the leading digit is replaced by a 3?
  581.  
  582. There is no such beast, since the three squares would constitute an
  583. arithmetic progression of integer squares of common difference 10^k,
  584. and so give an A.P. of 3 rational squares of common difference 1 or 10 ---
  585. which is known to be impossible by a "2-descent" argument (the case of
  586. common difference 1 is already due to Fermat).  [We were lucky here:
  587. in a different number system this argument might fail; for instance the
  588. squares of 7/2, 17/2, 23/2 are an A.P. of common difference 60, the
  589. sexagesimal base.  (Some numerology: 7,17,23 are the first three primes
  590. of which 2 is a quadratic residue.)  Still, given the base b, the general
  591. theory of elliptic curves indicates that the rational solutions of
  592. Y^2-X^2=Z^2-X^2=b are rather sparsely distributed (the number of d-digit
  593. solutions growing as some power of d), and the extra condition that they
  594. arise by changing only the initial digits of three integer squares is
  595. strong enough to ensure that there are at most finitely many solutions;
  596. with yet more powerful methods one can even provably list them all.]
  597.  
  598. >3.  What is the smallest square with leading digit 1 which remains a
  599. >square when the leading 1 is replaced by a 2, and also remains a square
  600. >when the leading digit is replaced by a 3, and also remains a square
  601. >when the leading digit is replaced by a 4?
  602.  
  603. Of course the above solution to part 2 also disposes of this part;
  604. alternatively I could apeal to another classic result of Fermat:
  605. there is no 4-term A.P. of rational squares.
  606.  
  607. My question: why all the blank spaces at the end of every line?
  608.  
  609. --Noam D. Elkies (elkies@zariski.harvard.edu)
  610.   Dept. of Math., Harvard Univ., Cambridge, MA 02138
  611. -------------------------
  612.  
  613. I dunno the direct answer to your squares problem.  I do know,
  614. however, that phi (from the Golden Ratio--approx 0.61), which is
  615. defined as the number x such that  x + 1 = x^2.  It just so happens
  616. that phi+1 and (phi+1)^2 differ by only 1.  (1.61 and 2.61)  The
  617. rest of the digits are the SAME!  Phi = (Sqrt(5)-1)/2.
  618.  
  619. Phi+1 = (Sqrt(5)+1)/2    phi+2 = (Sqrt(5)+3)/2
  620. (Phi+1)^2= (5+2*Sqrt(5)*1+1)/4 = (2*Sqrt(x)+6)/4 = (Sqrt(x) + 3)/2
  621.  
  622. Notice how that all works out?  Perhaps this property will bring you
  623. closer to an answer.  I just sent you all my personal data in
  624. a previous letter concerning your 123 problem.  Let me know
  625. what you think of this approach, ok?  Thanks in advance!
  626.  
  627. --Joseph Zbiciak  im14u2c@camelot.bradley.edu
  628.  
  629.  
  630. -------------------------
  631.  
  632. In article <1992Oct20.184149.51596@watson.ibm.com> you write:
  633. : 2.  What is the smallest square with leading digit 1 which remains a
  634. : square when the leading 1 is replaced by a 2 and also remains a square
  635. : when the leading digit is replaced by a 3?
  636.  
  637. This is not possible.  One of these numbers would leave a remainder
  638. of 2 when divided by 3, and no square is congruent to 2 modulo 3.
  639.  
  640. --
  641. David Radcliffe
  642. radcliff@csd4.csd.uwm.edu
  643. -------------------------
  644.  
  645.  
  646. In article <1992Oct20.184149.51596@watson.ibm.com> you write:
  647. : 1.  What is the smallest square with leading digit 1 which remains a
  648. : square when the leading 1 is replaced by a 2?
  649.  
  650. 11025.  I found, by hand, all integral solutions to
  651. (x+y)(x-y) = 10000.  The solution (145,105) is the only
  652. one with 10000 < y^2 < 20000.
  653.  
  654. You have permission to use my solution, but not my name.
  655.  
  656. --
  657. David Radcliffe
  658. radcliff@csd4.csd.uwm.edu
  659. -------------------------
  660.  
  661. Well, as a previous poster already mentioned on Rec.puzzles, there are only 4
  662. solutions to the initial problem. They are 192, 219, 293, and 327. None of
  663. these solutions can be connected to others as in part 2 of your problem.
  664.  
  665. I first extended the problem to allow any multipliers. So the second row must
  666. be some multiple of the first and the third some other multiple of the first.
  667. I found 19 solutions to this problem. However, there is still no way to chain
  668. a second solution to the first.
  669.  
  670. Then I allowed 0s. Now there are 134 solutions. There are also 17 2-chains.
  671. There are two 3-chains which I will list here:
  672.     192     394
  673. *2= 384 *3=1182
  674. *3= 576 *4=1576
  675. *7=4032  now the same as the other solution.
  676. *9=5184
  677. *4= 736
  678. *5= 920
  679.  
  680. I will be more than happy to send you all 134 solutions if you really want
  681. them! I also have Pascal source code.
  682.  
  683. Comments on some of your other problems will follow.
  684.  
  685. Dan Cory
  686. Senior, Stanford
  687.  
  688. perm. address:
  689. 55 Cedar St.
  690. Chapel Hill, NC 27514
  691.  
  692. school address:
  693. PO Box 13113
  694. Stanford, CA 94309
  695.  
  696. Should you use any of my results, please send a copy of the work to the
  697. permanent address above.
  698. -------------------------
  699.  
  700.  
  701. In article <1992Oct20.184149.51596@watson.ibm.com>, you write:
  702. |> Title: Cliff Puzzle 8: Squares and Squares and Squares ....
  703. |> 1.  What is the smallest square with leading digit 1 which remains a
  704. |> square when the leading 1 is replaced by a 2?
  705.  
  706. 11025 = 105^2, 21025 = 145^2.
  707.  
  708. |> 2.  What is the smallest square with leading digit 1 which remains a
  709. |> square when the leading 1 is replaced by a 2 and also remains a square
  710. |> when the leading digit is replaced by a 3?
  711. |>
  712. |> 3.  What is the smallest square with leading digit 1 which remains a
  713. |> square when the leading 1 is replaced by a 2, and also remains a square
  714. |> when the leading digit is replaced by a 3, and also remains a square
  715. |> when the leading digit is replaced by a 4?
  716.  
  717. These two cases never occur.
  718.  
  719. Proof: (This was a LOT harder than I thought it would be when I started!)
  720. The original problem can be reduced to:
  721.  "Find positive integers x,y,n such that
  722.     y^2-x^2 = 10^n  and  10^n < x^2 < 2*10^n." [1]
  723.  
  724. The second problem amounts to finding x,y,z,n which meet the above
  725. conditions, plus z^2-y^2=10^n.
  726.  
  727. For the second problem, look at the set of solutions to
  728.   z^2-y^2 = 10^n,  2*10^n < y^2 < 3*10^n.  [2]
  729.  
  730. A solution to the second problem consists of x,y,z,n, where x,y,n solve
  731. the original problem and y,z,n solve the above system.
  732.  
  733. The first equation in [1] can be factored into (y-x)(y+x) = 10^n = 2^n * 5^n.
  734. Similarly (z-y)(z+y) = 10^n.  Since x,y,z are integers, we must have
  735. y+x = 2^a * 5^b,  y-x = 2^(n-a) * 5^(n-b)
  736. z+y = 2^c * 5^d,  z-y = 2^(n-c) * 5^(n-d)
  737. where a,b,c,d are integers.  When a=c and b=d, y+x = z+y and y-x = z-y,
  738. which leads to a contradiction.
  739.  
  740. Then 2y = 2^a * 5^b + 2^(n-a) * 5^(n-b) = 2^c * 5^d + 2^(n-c) * 5^(n-d)
  741. However, in the last equality above, divide both sides by 2^f, where f is
  742. the smallest of a, c, n-a, and n-c. The result is:
  743.  
  744. 2^(a-f) * 5^b + 2^(n-a-f) * 5^(n-b) = 2^(c-f) * 5^d + 2^(n-c-f) * 5^(n-d)   [3]
  745.  
  746. Now, at least one of the four products above is a product of only 5's, and
  747. is odd.  Only one is odd unless a=c, 2a=n, or 2c=n.
  748.     If a=c, then either b=d (contradiction) or z+y is at least
  749.   a factor of 5 larger than y+x.  However, considering
  750.     sqrt(3)*sqrt(10^n) < z < 2*sqrt(10^n)
  751.     sqrt(2)*sqrt(10^n) < y < sqrt(3)*sqrt(10^n)
  752.         sqrt(10^n) < x < sqrt(2)*sqrt(10^n)
  753.   we have:
  754.     (sqrt(3)+sqrt(2))*sqrt(10^n) < z+y <       (2+sqrt(3))*sqrt(10^n)
  755.       (1+sqrt(2))*sqrt(10^n) < y+x < (sqrt(3)+sqrt(2))*sqrt(10^n)
  756.   and then (z+y)/(y+x) < (2+sqrt(3))/(1+sqrt(2)) < 5.
  757.     If a exactly equals n/2:
  758.   In the case that b=a=n/2, y+x = y-x, so x=0 (not possible).
  759.   If b<n/2, y-x>y+x, but we want x to be positive, so b>n/2.  Since b and
  760.   n/2 are integers (remember n/2=a), b-(n-b) >= 2, and (y+x)/(y-x) >= 25.
  761.   This gives     (y+x) >= 25(y-x),
  762.     (y+x+y-x) = 2y >= 26(y-x),
  763.              y >= 13y-13x,
  764.            13x >= 12y,
  765.            x/y >= 12/13
  766.            x^2/y^2 >= 144/169
  767.  
  768.   However, we know 10^n < x^2 < 2*10^n, and y^2 = x^2 + 10^n, so x^2/y^2
  769.   varies between 1/2 and 2/3, and cannot be greater than 144/169.
  770.     Similarly, when c=n/2, the same argument applies, and in the final step
  771.   we know y^2/z^2 varies between 2/3 and 3/4.
  772. Finally, we've eliminated all cases where more than one of the terms in [3]
  773. is odd.  With exactly one term odd, we have odd=even, a contradiction,
  774. so there is no solution.
  775.  
  776. --
  777. ----w-w--------------Joseph  De Vincentis--jwd2@owlnet.rice.edu----------------
  778.    ( ^ )   Disclaimer: My opinions do not represent those of Owlnet.
  779.    (O O)   Owlnet: George R. Brown School of Engineering Educational Network.
  780.     v-v    (Unauthorized use is prohibited.)  (Being uwop-ap!sdn is allowed.)
  781. -------------------------
  782.  
  783.  
  784. G'day Cliff!
  785.  
  786. > * * *
  787. >
  788. > 1.  What is the smallest square with leading digit 1 which remains a
  789. > square when the leading 1 is replaced by a 2?
  790. >
  791. > In other words, if x**2 = 1.........., is there a y**2 = 2.........  ?
  792.  
  793. The smallest I could find was 105**2 = 11025
  794.                               145**2 = 21025
  795.  
  796. Indeed, an exhaustive search shows that this is the smallest.
  797.  
  798. The other pairs I found (after a few minutes playing with pen and paper - I
  799. could probably write a program to generate them ad nauseum, but I've got a
  800. draft thesis to write...) were:
  801.  
  802.     3375**2 = 11390625,       4625**2 = 21390625
  803.    14025**2 = 196700625,     17225**2 = 296700625
  804.   326625**2 = 106683890625, 454625**2 = 206683890625
  805.  
  806. I don't know what pattern there is in them.  Of course, if x is a solution,
  807. then so is 10*x.  So these give solutions for 1050*1050 = 1102500, etc.
  808.  
  809. > 2.  What is the smallest square with leading digit 1 which remains a
  810. > square when the leading 1 is replaced by a 2 and also remains a square
  811. > when the leading digit is replaced by a 3?
  812. >
  813. > 3.  What is the smallest square with leading digit 1 which remains a
  814. > square when the leading 1 is replaced by a 2, and also remains a square
  815. > when the leading digit is replaced by a 3, and also remains a square
  816. > when the leading digit is replaced by a 4?
  817.  
  818. I'll answer part 3 first.  If such a square exists, then observe that we have
  819. 4 squares in arithmetic progression (common difference a power of 10).  There
  820. is a well known theorem that there is no set of four squares in arithmetic
  821. progression, so there is no solution to part 3.
  822.  
  823. Now, for part 2.  We have 3 squares in arithmetic progression.  Another well
  824. known (and not too hard to derive) theorem states that for three squares in
  825. arithmetic progression, their common difference is of the form:
  826.  
  827. D = 4 * K^2 * m * n * (m^2 - n^2) = 4 * K^2 * m * n * (m + n) * (m - n)
  828.  
  829. Now, this value is a power of 10.  So the only primes in its factorisation are
  830. 2 and 5.  Hence neither m nor n is divisible by 3.  So (m^2 - n^2) is
  831. divisible by 3.  Hence a power of 10 is divisible by 3.  Contradiction.  So
  832. now such set of three squares exist (which also proves part 3).
  833.  
  834. Cheers,
  835. Geoff.
  836.  
  837. PS: I assume you still have whatever details of mine you care about.
  838.  
  839. -------------------------------------------------------------------------------
  840. Geoff Bailey (Fred the Wonder Worm)   |   Programmer by trade --
  841. ftww@cs.su.oz.au                      |       Gameplayer by vocation.
  842. -------------------------------------------------------------------------------
  843.  
  844.  
  845. -------------------------
  846.  
  847. Here is the solution I just posted to rec.puzzles. Note that I changed my mind
  848. on this puzzle!
  849.  
  850. Dan Cory
  851. Senior, Stanford
  852. PO Box 13113
  853. Stanford, CA 94309
  854. ypay@leland.stanford.edu
  855.  
  856. Newsgroups: rec.puzzles
  857. Subject: Re: Cliff Puzzle 8: Squares and Squares ... (SPOILER)
  858. Approved: news-answers-request@MIT.Edu
  859. Summary: solutions to part 1, no solutions to parts 2 or 3
  860. Expires:
  861. References: <1992Oct20.184149.51596@watson.ibm.com>
  862. Sender:
  863. Followup-To:
  864. Distribution:
  865. Organization: DSG, Stanford University, CA 94305, USA
  866. Keywords: squares, cliff, 8, gcd
  867.  
  868. In article <1992Oct20.184149.51596@watson.ibm.com> cliff@watson.ibm.com (cliff)
  869. >1.  What is the smallest square with leading digit 1 which remains a
  870. >square when the leading 1 is replaced by a 2?
  871. >In other words, if x**2 = 1.........., is there a y**2 = 2.........  ?
  872.  
  873. We write this condition as the following equations with x,y,a integers:
  874. y^2-x^2=10^a
  875. 1*10^a<=x^2<=2*10^a
  876. 2*10^a<=y^2<=3*10^a
  877. We factor the first equation:
  878. (y-x)(y+x)=10^a.
  879. Let u=x+y. Then 10^a/u=x-y. Since x+y>x-y, u>10^a/u so u>10^(a/2)
  880. Then x=(u-10^a/u)/2 and y=(u+10^a/u)/2.
  881.  
  882. Subsitute these equations into the inequalities above.
  883. For x we get:
  884. 10^a<=((u-10^a/u)/2)^2<=2*10^a
  885. Take the square root of both (all three?) sides:
  886. 10^(a/2)<=(u-10^a/u)/2<=sqrt(2)*10^(a/2)
  887. Multiply through by 2 and divide through by 10^(a/2).
  888. 2<=u/10^(a/2)-10^(a/2)/u<=2*sqrt(2)
  889. Let v=u/10^(a/2). So v>1. Then:
  890. 2<=v-1/v<=2*sqrt(2).
  891.  
  892. We solve these two inequalities. First the left:
  893. v-1/v>=2
  894. v^2-2v-1>=0
  895. v>=(1+sqrt(2)) or v<=(1-sqrt(2)).
  896. v-1/v<=2*sqrt(2)
  897. v>=(sqrt(2)+sqrt(3)) or v<=(sqrt(2)-sqrt(3)).
  898. Since v>1, we drop the negative solutions and find:
  899. 1+sqrt(2) <= v <= sqrt(2)+sqrt(3).
  900. or
  901. 1+sqrt(2) <= u/10^(a/2) <= sqrt(2)+sqrt(3).
  902.  
  903. We can do the same for y but we will find the same restriction on u.
  904.  
  905. Now we remember that u|10^a (u divides 10^a). Therefore u must be a power of
  906. 2 times a power of 5. Let u=5^b*2^c with b,c integers less than or equal to a.
  907. Since we are going to divide it by 2, we must have c>=1.
  908. Then we need to find a,b,c such that:
  909. 1+sqrt(2) <= 5^b*2^c/10^(a/2) <= sqrt(2)+sqrt(3)
  910. These will give us u which will in turn determine x and y.
  911. So take the log base 10 of all three sides. Since log is increasing, we do not
  912. change the direction of inequality. Thus:
  913. log(1+sqrt(2)) <= b*log(5)+c*log(2)-a/2 <= log(sqrt(2)+sqrt(3))
  914. Multiply through by 2:
  915. 2*log(1+sqrt(2)) <= 2*b*log(5)+2*c*log(2)-a <= 2*log(sqrt(2)+sqrt(3))
  916.  
  917. If we approximate log(5) and log(2), this is sort of a Diophantine equation.
  918. Since log(5) is very very close to 0.7 and log(2) is very very close to 0.3,
  919. our approximations will be okay to find low solutions. If we want big solutions
  920. then we need to use better convergents. We can calculate the boundary logs
  921. as accurately as necessary. So:
  922. 0.77 <= 7/5*b+3/5*c-a <= 0.99
  923. Multiply through by 5:
  924. 3.8 <= 7*b+3*c-5*a <= 4.9
  925. So we must find a,b,c such that 7*b+3*c-5*a = 4, with a>b>=0 and a>=c>0.
  926. There are many good ways to solve this but we will just pick a small solution.
  927. b=3, c=1, a=4 (7*3+3-5*4=21+3-20=4)
  928. Then u=5^3*2^1=250.
  929. So y+x=250 and y-x=10^a/u=10^4/250=40.
  930. Then y=145 and x=105.
  931. y^2=21025 and x^2=11025.
  932.  
  933. This is, in fact, the smallest solution (it is easy to show that there is no
  934. solution to the 7*b+3*c-5*a with a<4 and a>b>=0,a>=c>0).
  935.  
  936. >2.  What is the smallest square with leading digit 1 which remains a
  937. >square when the leading 1 is replaced by a 2 and also remains a square
  938. >when the leading digit is replaced by a 3?
  939.  
  940. We note from above that y=(5^b*2^c+10^a/(5^b*2^c)/2 or
  941. 2y=5^b*2^c+5^(a-b)*2^(a-c).
  942.  
  943. Should we now repeat the problem for a square with leading digit 2 that is
  944. replaced by a 3, everything is the same except that y is now the smaller of the
  945. pair. Thus:
  946. 2y=5^B*2^C-5^(a-B)*2^(a-C)
  947. where B and C are different from b and c above but a is necessarily the same
  948. (since we want the difference to be the same power of 10 for each transition).
  949.  
  950. Combining the two we get:
  951. 5^b*5^c+5^(a-b)*2^(a-b)=5^B*2^C-5^(a-B)*2^(a-C).
  952. The proof that this has no solutions is too small to fit in the margin of this
  953. posting.
  954.  
  955. >3.  What is the smallest square with leading digit 1 which remains a
  956. >square when the leading 1 is replaced by a 2, and also remains a square
  957. >when the leading digit is replaced by a 3, and also remains a square
  958. >when the leading digit is replaced by a 4?
  959. There is no solution since there is no solution to part 2.
  960.  
  961. Dan Cory
  962.  
  963.  
  964. ==> pickover/pickover.09.p <==
  965. Title: Cliff Puzzle 9: 3-Atoms and Growth
  966. From: cliff@watson.ibm.com
  967.  
  968. If you respond to this puzzle, if possible please send me your name,
  969. address, affiliation, e-mail address, so I can properly credit you if
  970. you provide unique information.  PLEASE ALSO directly mail me a copy of
  971. your response in addition to any responding you do in the newsgroup.  I
  972. will assume it is OK to describe your answer in any article or
  973. publication I may write in the future, with attribution to you, unless
  974. you state otherwise.  Thanks, Cliff Pickover
  975.  
  976.       * * *
  977.  
  978.     Start with 3 digits: 1, 2, and 3.
  979. Each succeding row repeats the previous three rows, in order,
  980. as you can see from the following diagram.
  981.  
  982. 1
  983. 2
  984. 3
  985. 123
  986. 23123
  987. 312323123
  988. 12323123312323123
  989. 2312331232312312323123312323123
  990.  
  991. 1. What is the sum of digits in the 100th row?
  992.  
  993. 2. Get rid of all the twos.  Here I've replaced each of them with a "."
  994.  
  995. 1
  996. .
  997. 3
  998. 1.3
  999. .31.3
  1000. 31.3.31.3
  1001. 1.3.31.331.3.31.3
  1002. .31.331.3.31.31.3.31.331.3.31.3
  1003.  
  1004. In the last row of this diagram, there are three different species:  31,
  1005. 331 and 3.  How many different species are there in row 30?
  1006.  
  1007. 3.  When the sequence first hits a three, it now undergoes an enzymatic
  1008. cleavage, and the digits on the right of the 3 are swapped with the
  1009. digits on the left.
  1010.  
  1011. 1
  1012. 2
  1013. 3
  1014. 123
  1015. 23123 now becomes 12323
  1016. 312312323 now becomes 123123233
  1017. Now answer the question posed in question 2.
  1018.  
  1019. ==> pickover/pickover.09.s <==
  1020. -------------------------
  1021.  
  1022. Subject: Re: Cliff Puzzle 9: 3-Atoms and Growth (PARTIAL SPOILER)
  1023. Newsgroups: rec.puzzles
  1024. References: <1992Oct20.184304.37364@watson.ibm.com>
  1025.  
  1026. In article <1992Oct20.184304.37364@watson.ibm.com>, Cliff Pickover writes:
  1027.  
  1028. > Start with 3 digits: 1, 2, and 3.
  1029. > Each succeding row repeats the previous three rows, in order
  1030. > as you can see from the following diagram.
  1031. > 1
  1032. > 2
  1033. > 3
  1034. > 123
  1035. > 1. What is the sum of digits in the 100th row?
  1036.  
  1037. This one's easy.  You basically have a Tribonacci sequence with
  1038. the initial conditions S_1 = 1, S_2 = 2, S_3 = 3 and S_n = S_{n-1} +
  1039. S_{n-2} + S_{n-3} for n>3.  Thus, it's possible to find a closed
  1040. form of the type c_1*r_1^n + c_2*r_2^n + c_3*r_3^n.  Indeed, letting
  1041. T_i be the standard Tribonnaci sequence which has initial values
  1042. T_1 = 1, T_2 = 1, T_3 = 1 we can play a little game by noting the
  1043. T's go 1 1 1 3 5, and so by linearity S_i = ( T_i + T_{i+2} )/2, hence
  1044. S_100 = ( T_100 + T_102 )/2.
  1045. -------------------------
  1046.  
  1047.  
  1048. Dear Mr. Pickover,
  1049.  
  1050. I found your "123" problem interesting.  Here's the answers that I
  1051. came up with.  (Note: my personal info that you requested that I
  1052. include is at the end of the document.)
  1053.  
  1054. >      * * *
  1055.  
  1056.     >Start with 3 digits: 1, 2, and 3.
  1057. >Each succeding row repeats the previous three rows, in order,
  1058. >as you can see from the following diagram.
  1059.  
  1060. >1
  1061. >2
  1062. >3
  1063. >123
  1064. >23123
  1065. >312323123
  1066. >12323123312323123
  1067. >2312331232312312323123312323123
  1068.  
  1069. >1. What is the sum of digits in the 100th row?
  1070.  
  1071. Define an arithmetic series as follows:
  1072.  
  1073. (Note: Read a_1 as "a sub 1" and a_(n-1) as "a sub n-1".  I have
  1074. to do this because I can't use subscripts here.)
  1075.  
  1076.  a_1 = 1
  1077.  a_2 = 2
  1078.  a_3 = 3
  1079.  a_n = a_(n-3) + a_(n-2) + a_(n-1);  n>=4
  1080.  
  1081. The sum of each line is the sum of it's parts, so therefore, the
  1082. sum of each row is the sum of the previous three rows' sums.
  1083.  
  1084. a_30 = 45152016  (I wrote a simple basic program to calculate it.)
  1085.  
  1086. >2. Get rid of all the twos.  Here I've replaced each of them with a "."
  1087.  
  1088. >.31.3
  1089. >31.3.31.3
  1090. >1.3.31.331.3.31.3
  1091. >.31.331.3.31.31.3.31.331.3.31.3
  1092.  
  1093. >In the last row of this diagram, there are three different species:  31,
  1094. >331 and 3.  How many different species are there in row 30?
  1095.  
  1096. First, let me show that no "new" species will develop, other than those
  1097. seen in the sample few lines above:
  1098.  
  1099.     First, notice that there are four unique species above:
  1100.     "1","3","31","331".  Next, notice that the first species
  1101.     on a line goes in cycles of 3.  (Remember how we're building
  1102.     successive rows.  The first row repeated on a line is the
  1103.     row three back.  Hence the repeating pattern.)  Also notice
  1104.     that the ends of the rows do not change, this time because
  1105.     the last row represented on the current row is the row
  1106.     directly previous (and hence, it ends the same.)
  1107.  
  1108.     Because we are building successive rows via concatination,
  1109.     then only locations within new rows where "new" species may
  1110.     be found ("new" meaning not seen in any previous rows) is
  1111.     where the ends of two rows meet in the new row.  Since we
  1112.     know that the "end" of each row is limited to ".3" and
  1113.     the "beginnings" of each row cycle through "31", "1", ".",
  1114.     the only possible combinations we can make are "331", "31",
  1115.     and "3".  Since we alreadly have seen these, it is now
  1116.     obvious that we will create no more new species.
  1117.  
  1118. Next, let me show what species we WILL see:
  1119.  
  1120.     The species "3" is on the end of every line.  Therefore
  1121.     it will be in row 30.
  1122.  
  1123.     The species "31"  and the species "331" are both imbedded
  1124.     in a row previous to row 30.  Therefore they will be in
  1125.     row 30, because the "middle parts" of each row are
  1126.     duplicated down the list, not modified.
  1127.  
  1128.     The species "1" only shows up every third row.  It happens
  1129.     to occur on rows such that (Row #) mod 3 = 1.  Because
  1130.     30 mod 3=0, the species "1" will NOT occur in row 30.
  1131.  
  1132.     Hence, we have the three species "3","31","331" occuring
  1133.     in row 30.
  1134.  
  1135. >3.  When the sequence first hits a three, it now undergoes an enzymatic
  1136. >cleavage, and the digits on the right of the 3 are swapped with the
  1137. >digits on the left.
  1138.  
  1139. >1
  1140. >2
  1141. >3
  1142. >123
  1143. >23123 now becomes 12323
  1144. >312312323 now becomes 123123233
  1145. >Now answer the question posed in question 2.
  1146. I'm not taking the time to work this one out entirely.  It appears that
  1147. this algorithm forces 1's out in front all of the time, and keeps
  1148. appending 3's on the end of the row.  Hence, you'll see a proliferation
  1149. of species such as "3331","33331","333331", etc.  It also appears that
  1150. in row 30, you will have all the species from "3" , "31", "331","3331",
  1151. "33331", etc up to "33333333333333333333333331".  Now, I haven't
  1152. doublechecked my work here... I've been up all night, and am too
  1153. tired to double check my conjecture here.  But, I believe that I am
  1154. right, or at least on the right track.
  1155.  
  1156.  
  1157. I hope these answers help you.  I have two questions in return:
  1158. "Are you the 'pickover' responsible for many of the Fractint
  1159. fractal types?" and "Were my answers above even close?"  I apologize
  1160. if my answers seemed a little rough & non-formal at points.  I
  1161. hope you understand my explanation above.
  1162.  
  1163. Thanks for the mental workout.  I hope that this helps you, once again.
  1164.  
  1165. Hope to hear from you soon!
  1166.  
  1167. -- Joseph Zbiciak   im14u2c@camelot.bradley.edu
  1168.  
  1169. Here's that personal data to requested that I include:
  1170.  
  1171. I am Joseph Zbiciak, an Electrical/Computer Engineering Major at
  1172. Bradley University, Peoria, IL.   My current address is as follows:
  1173.  
  1174. Room 121, Heitz Hall
  1175. 912 N Elmwood,
  1176. Peoria, IL  61606
  1177.  
  1178. My e-mail address is im14u2c@camelot.bradley.edu.
  1179. Other info:  Year in school: Freshman,  DOB: 08/29/75
  1180.          Academic standing: good    Favorite toy: his computer
  1181.          Favorite hobby: spelunking through the internet looking
  1182.                 for tidbits like this question here.
  1183.  
  1184. If you need any more information, let me know.
  1185. Note:  I did not post this on the nn yet.  Feel free to for me, however.
  1186.     Thanks!
  1187.  
  1188.  
  1189. --
  1190. -------------------------
  1191.  
  1192. |> 3.When the sequence first hits a three, it now undergoes an enzymatic
  1193. |> cleavage, and the digits on the right of the 3 are swapped with the
  1194. |> digits on the left.
  1195. |>
  1196. |> 1
  1197. |> 2
  1198. |> 3
  1199. |> 123
  1200. |> 23123 now becomes 12323
  1201. |> 312312323 now becomes 123123233
  1202.  
  1203. >From how I understand the descriptive rule I get:
  1204.  
  1205. 1
  1206. 2
  1207. 3
  1208. 123 becomes 312
  1209. 23123 becomes 12332
  1210. 331223123 becomes 312231233
  1211.  
  1212. >From your example it seems that the trailing 3 is not regarded as a
  1213. 'first' 3 (123 is not changed), nor is it regarded as a digit to be
  1214. swapped (as in the two other examples).
  1215. Is this how the rule should be interpreted?
  1216.  
  1217.  
  1218. And ... Keep up the good work, these are really good puzzles!!
  1219.  
  1220. --
  1221. stein.kulseth@nta.no (Norwegian Telecom Research)
  1222.  'When murders are committed by mathematics, they can be solved by
  1223.  mathematics. Most of them aren't, and this one wasn't'
  1224.  - Nick Charles (Dashiell Hammett's "The Thin Man")
  1225. -------------------------
  1226.  
  1227.  
  1228. Dear Dr. Pickover,
  1229.  
  1230. I found your "123" problem interesting.  Here's the answers that I
  1231. came up with.  (Note: my personal info that you requested that I
  1232. include is at the end of the document.)
  1233.  
  1234. >      * * *
  1235.  
  1236.     >Start with 3 digits: 1, 2, and 3.
  1237. >Each succeding row repeats the previous three rows, in order,
  1238. >as you can see from the following diagram.
  1239.  
  1240. >1
  1241. >2
  1242. >3
  1243. >123
  1244. >23123
  1245. >312323123
  1246. >12323123312323123
  1247. >2312331232312312323123312323123
  1248.  
  1249. >1. What is the sum of digits in the 100th row?
  1250.  
  1251. Define an arithmetic series as follows:
  1252.  
  1253. (Note: Read a_1 as "a sub 1" and a_(n-1) as "a sub n-1".  I have
  1254. to do this because I can't use subscripts here.)
  1255.  
  1256.  a_1 = 1
  1257.  a_2 = 2
  1258.  a_3 = 3
  1259.  a_n = a_(n-3) + a_(n-2) + a_(n-1);  n>=4
  1260.  
  1261. The sum of each line is the sum of it's parts, so therefore, the
  1262. sum of each row is the sum of the previous three rows' sums.
  1263.  
  1264. a_30 = 45152016  (I wrote a simple basic program to calculate it.)
  1265.  
  1266. >2. Get rid of all the twos.  Here I've replaced each of them with a "."
  1267.  
  1268. >.31.3
  1269. >31.3.31.3
  1270. >1.3.31.331.3.31.3
  1271. >.31.331.3.31.31.3.31.331.3.31.3
  1272.  
  1273. >In the last row of this diagram, there are three different species:  31,
  1274. >331 and 3.  How many different species are there in row 30?
  1275.  
  1276. First, let me show that no "new" species will develop, other than those
  1277. seen in the sample few lines above:
  1278.  
  1279.         First, notice that there are four unique species above:
  1280.         "1","3","31","331".  Next, notice that the first species
  1281.         on a line goes in cycles of 3.  (Remember how we're building
  1282.         successive rows.  The first row repeated on a line is the
  1283.         row three back.  Hence the repeating pattern.)  Also notice
  1284.         that the ends of the rows do not change, this time because
  1285.         the last row represented on the current row is the row
  1286.         directly previous (and hence, it ends the same.)
  1287.  
  1288.         Because we are building successive rows via concatination,
  1289.         then only locations within new rows where "new" species may
  1290.         be found ("new" meaning not seen in any previous rows) is
  1291.         where the ends of two rows meet in the new row.  Since we
  1292.         know that the "end" of each row is limited to ".3" and
  1293.         the "beginnings" of each row cycle through "31", "1", ".",
  1294.         the only possible combinations we can make are "331", "31",
  1295.         and "3".  Since we alreadly have seen these, it is now
  1296.         obvious that we will create no more new species.
  1297.  
  1298. Next, let me show what species we WILL see:
  1299.  
  1300.         The species "3" is on the end of every line.  Therefore
  1301.         it will be in row 30.
  1302.  
  1303.         The species "31"  and the species "331" are both imbedded
  1304.         in a row previous to row 30.  Therefore they will be in
  1305.         row 30, because the "middle parts" of each row are
  1306.         duplicated down the list, not modified.
  1307.  
  1308.         The species "1" only shows up every third row.  It happens
  1309.         to occur on rows such that (Row #) mod 3 = 1.  Because
  1310.         30 mod 3=0, the species "1" will NOT occur in row 30.
  1311.  
  1312.         Hence, we have the three species "3","31","331" occuring
  1313.         in row 30.
  1314.  
  1315. >3.  When the sequence first hits a three, it now undergoes an enzymatic
  1316. >cleavage, and the digits on the right of the 3 are swapped with the
  1317. >digits on the left.
  1318.  
  1319. >1
  1320. >2
  1321. >3
  1322. >123
  1323. >23123 now becomes 12323
  1324. >312312323 now becomes 123123233
  1325. >Now answer the question posed in question 2.
  1326. I'm not taking the time to work this one out entirely.  It appears that
  1327. this algorithm forces 1's out in front all of the time, and keeps
  1328. appending 3's on the end of the row.  Hence, you'll see a proliferation
  1329. of species such as "3331","33331","333331", etc.  It also appears that
  1330.  
  1331. in row 30, you will have all the species from "3" , "31", "331","3331",
  1332. "33331", etc up to "33333333333333333333333331".  Now, I haven't
  1333. doublechecked my work here... I've been up all night, and am too
  1334. tired to double check my conjecture here.  But, I believe that I am
  1335. right, or at least on the right track.
  1336.  
  1337. Thanks for the mental workout.  I anxiously await more such puzzles!
  1338.  
  1339. Hope to hear from you soon!
  1340.  
  1341. -- Joseph Zbiciak   im14u2c@camelot.bradley.edu
  1342.  
  1343. Here's that personal data to requested that I include:
  1344.  
  1345. I am Joseph Zbiciak, an Electrical/Computer Engineering Major at
  1346. Bradley University, Peoria, IL.   My current address is as follows:
  1347.  
  1348. Room 121, Heitz Hall
  1349. B
  1350. 912 N Elmwood,
  1351. Peoria, IL  61606
  1352.  
  1353. My e-mail address is im14u2c@camelot.bradley.edu.
  1354. Other info:  Year in school: Freshman,  DOB: 08/29/75
  1355.              Academic standing: good    Favorite toy: his computer
  1356.              Favorite hobby: spelunking through the internet looking
  1357.                                 for tidbits like this question here.
  1358.  
  1359.  
  1360. ==> pickover/pickover.10.p <==
  1361. Title: Cliff Puzzle 10: The Ark Series
  1362. From: cliff@watson.ibm.com
  1363.  
  1364. If you respond to this puzzle, if possible please send me your name,
  1365. address, affiliation, e-mail address, so I can properly credit you if
  1366. you provide unique information.  PLEASE ALSO directly mail me a copy of
  1367. your response in addition to any responding you do in the newsgroup.  I
  1368. will assume it is OK to describe your answer in any article or
  1369. publication I may write in the future, with attribution to you, unless
  1370. you state otherwise.  Thanks, Cliff Pickover
  1371.  
  1372.       * * *
  1373.  
  1374. 1.  Given a large ark containing 2 individuals of every animal species
  1375. in the world, what would be the approximate total weight of all the
  1376. organisms?  How would your answer differ if you included every plant,
  1377. bacterial, and fungal organism?
  1378.  
  1379. 2.  Assume that all other organisms on earth were dead except for those
  1380. on the ark in question 1, and that the animals were released 1000 years
  1381. ago.  What would you expect to be surviving today?  (Assume that, where
  1382. applicable, a male and female were used for each species.)
  1383.  
  1384. 3.  Assume that the year is 1992 and that it rained for 40 days, and the
  1385. rain covered all the land on the earth.  Further assume that the flood
  1386. waters receded to pre-flood days within several months.
  1387.  
  1388.    What would be the geopolitical changes as a result of the
  1389. temporary flood?
  1390.  
  1391.    What would be the ecological changes as a result of the
  1392. temporary flood?
  1393.  
  1394. ==> pickover/pickover.10.s <==
  1395. -------------------------
  1396.  
  1397. In article <1992Oct20.184354.165170@watson.ibm.com> you write:
  1398. |> Title: Cliff Puzzle 10: The Ark Series
  1399. |> From: cliff@watson.ibm.com
  1400. |>
  1401. [ lotsa lines deleted ]
  1402. |>
  1403. |> 2.  Assume that all other organisms on earth were dead except for those
  1404. |> on the ark in question 1, and that the animals were released 1000 years
  1405. |> ago.  What would you expect to be surviving today?  (Assume that, where
  1406.                                                                      ^^^^^^^
  1407.  
  1408. |> applicable, a male and female were used for each species.)
  1409.  
  1410. Were you thinking of parthenogenesis or something ???
  1411. |>
  1412. |> 3.  Assume that the year is 1992 and that it rained for 40 days, and the
  1413. |> rain covered all the land on the earth.  Further assume that the flood
  1414. |> waters receded to pre-flood days within several months.
  1415. |>
  1416. |>    What would be the geopolitical changes as a result of the
  1417. |> temporary flood?
  1418.  
  1419. Dunno about this but it's a safe bet that the Netherlands _wouldn't_ get flooded
  1420. We've been blocking the sea out for hundreds of years, so we've more experience
  1421. at it than anyone else.
  1422. |>
  1423. |>    What would be the ecological changes as a result of the
  1424. |> temporary flood?
  1425.  
  1426. Andy.
  1427.  
  1428. Just my opinions, nobody else's, especially not Oracle's
  1429. -------------------------
  1430.  
  1431. > 1.  Given a large ark containing 2 individuals of every animal species
  1432. > in the world, what would be the approximate total weight of all the
  1433. > organisms?  How would your answer differ if you included every plant,
  1434. > bacterial, and fungal organism?
  1435.  
  1436. 1000 tons (guessed 10 million species with an average weight of 100 grams,
  1437. insects push this number down with their huge number of species).
  1438. No increase through bacteriae or fungi, but maybe with plants.
  1439. (You were unspecific:  All living species?)
  1440.  
  1441. > 2.  Assume that all other organisms on earth were dead except for those
  1442. > on the ark in question 1, and that the animals were released 1000 years
  1443. > ago.  What would you expect to be surviving today?  (Assume that, where
  1444. > applicable, a male and female were used for each species.)
  1445.  
  1446. None.  I think it's common knowledge with biologists that you need at least
  1447. ~50 individuals of a species to keep genetic health --- aside from the
  1448. problem of both a male and female baby surviving.
  1449.  
  1450. > 3.  Assume that the year is 1992 and that it rained for 40 days, and the
  1451. > rain covered all the land on the earth.  Further assume that the flood
  1452. > waters receded to pre-flood days within several months.
  1453.  
  1454. "Covers the land."  How deep?  To cover *all* land (Himalaya) evenly, you
  1455. need a depth of 9000 m in most regions, so the question is, how fast will
  1456. it rise?  Do we just have time to put some tins in the boat?  Most people
  1457. don't have one.  Most airplanes cannot land but maybe some of them swim.
  1458. One has to calculate the distribution of swimming things in usual locations.
  1459. For if people have to swim 500-1000 m in cold water to a beam, most will
  1460. drown.
  1461.  
  1462. >    What would be the geopolitical changes as a result of the
  1463. > temporary flood?
  1464.  
  1465. With the survival of at most 1 percent of the population there will be a
  1466. completely new beginning.  Don't know if they would make the same mistakes,
  1467. though.  Technology will be thrown back, and science more than that.
  1468. Niven/Pournelle's "Lucifer's Hammer" is an accurate description.
  1469.  
  1470. >    What would be the ecological changes as a result of the
  1471. > temporary flood?
  1472.  
  1473. Lack of most animals, especially those dependent of plants (many of them
  1474. can't live without a day of food).  Most plants will grow again after some
  1475. time.
  1476.  
  1477. --ralf
  1478.   ************************************************************************
  1479.   After some tests, I decided to put 4 lines of sig here, because I really
  1480.   like the optical effect.  Now there's the problem what to write in it...
  1481.   ************************************************************************
  1482.  
  1483.  
  1484. ==> pickover/pickover.11.p <==
  1485. Title: Cliff Puzzle 11: The Leviathan Number
  1486. From: cliff@watson.ibm.com
  1487.  
  1488. If you respond to this puzzle, if possible please send me your name,
  1489. address, affiliation, e-mail address, so I can properly credit you if
  1490. you provide unique information.  PLEASE ALSO directly mail me a copy of
  1491. your response in addition to any responding you do in the newsgroup.  I
  1492. will assume it is OK to describe your answer in any article or
  1493. publication I may write in the future, with attribution to you, unless
  1494. you state otherwise.  Thanks, Cliff Pickover
  1495.  
  1496.       * * *
  1497.  
  1498.  
  1499.    Many interesting observations have recently been published
  1500. concerning various number theory properties of the "number of the
  1501. beast", 666.  In this new
  1502. puzzle here I ask you to consider the monstrous
  1503. "leviathan number",
  1504. a number so large as to make the number of electrons,
  1505. protons, and neutrons in the universe (10**79) pale in comparison.  (It
  1506. also makes a googol (10**100) look kind of small).
  1507.  
  1508. The leviathan number is defined as (10**666)!, where the "!" indicates
  1509. factorial.
  1510.  
  1511. 1.  What are the first 6 digits of the leviathan number?  Hint:  you
  1512. need not actually compute the leviathan to determine this.  If you can
  1513. determine the first 6 digits, please carefully spell out your method.
  1514.  
  1515. 2. Could modern supercomputers compute the leviathan, or will this
  1516. beyond the realm of humankind for the next century?
  1517.  
  1518. 3. Even if we cannot compute the leviathan, how many other
  1519. characteristics of this number can we write down.
  1520.  
  1521. ==> pickover/pickover.11.s <==
  1522. -------------------------
  1523.  
  1524. Subject: Re: Cliff Puzzle 11: The Leviathan Number (PARTIAL SPOILER)
  1525. Newsgroups: rec.puzzles
  1526. References: <1992Oct21.135208.119425@watson.ibm.com>
  1527.  
  1528. In article <1992Oct21.135208.119425@watson.ibm.com>, Cliff Pickover writes:
  1529.  
  1530. > The leviathan number is defined as (10**666)!, where the "!" indicates
  1531. > factorial.
  1532.  
  1533. > 1.  What are the first 6 digits of the leviathan number?
  1534.  
  1535. The simplest technique would be to use Stirling's formula to compute
  1536. the mantissa, i.e. frac( log(n) ) = frac( log(2*pi)/2 + log(n)/2
  1537. n*(log(n)-log(e)) ).  In our case n = 10^666, so this equals
  1538. frac( log(2*pi)/2 + 333 + 10^666*(666-log(e)) ) =
  1539. frac( log(2*pi)/2 + 10^666*(1-log(e)) ), so we'd basically need
  1540. to know something like 10 digits to the right of the decimal point
  1541. for log(2*pi)/2, and something like 700 digits for log(e) (which is
  1542. easily doable).  We then compute (1-log(e)), shift the digits 666
  1543. spaces to the left, and we're all set.
  1544.  
  1545. > 2. Could modern supercomputers compute the leviathan, or will this
  1546. > beyond the realm of humankind for the next century?
  1547.  
  1548. The number of digits is more than 10^668, and this compares
  1549. unfavorably to the number of particles in the universe.  Furthermore,
  1550. even if a googol digits could be output per second, you'd never
  1551. make it before the end of the universe.  So, I'd say it's beyond
  1552. the realm of humanity, period.
  1553.  
  1554. > 3. Even if we cannot compute the leviathan, how many other
  1555. > characteristics of this number can we write down.
  1556.  
  1557. As another puzzle, how many zeroes does it end with, and what are
  1558. the last two non-zero digits?
  1559. .qq
  1560. &EXIT
  1561.                     THIS FILE HAS BEEN RECEIVED FROM BITNET
  1562.  
  1563.           The file may be executable.  Before removing this header you
  1564.           must understand  what the code  will do. You must  also have
  1565.           the  appropriate intellectual  property agreements  in place
  1566.           before receiving the code into IBM.
  1567.  
  1568.           If you have any questions, contact your manager.
  1569.  
  1570.  
  1571. The contents of the file has been shifted right by one character.
  1572.    Filename=(none) Filetype=(none) RECFM=F LRECL=80 Records=21
  1573. The file received from the BITNET gateway begins below the next line.
  1574. ------------------------------------------------------------------------
  1575.  Date:     Thu, 22 Oct 1992 07:12 EDT
  1576.  From:     <FRAMEM@UNION>
  1577.  Subject:  RE: googol!
  1578.  To:       CLIFF@YKTVMV
  1579.  Original_To:  Jnet%"CLIFF@YKTVMV"
  1580.  
  1581.  Hi, Cliff.
  1582.  
  1583.  The log10(e) comes from applying Stirling's approximation
  1584.  for the factorial: for large n, n! is approximately
  1585.  sqrt(2*pi*n)*((n/e)^n).  Substitute googol for n, take
  1586.  log10 of both sides, and recall the mantissa of the log10
  1587.  gives the digits of the original number.
  1588.  
  1589.  In these days of fast symbolic packages allowing exact
  1590.  computation of large factorials (though presumably not
  1591.  so large as a googol), people forget Stirling's formula.
  1592.  Until a few years ago, this was the only way to find
  1593.  factorials (albeit, only approximately) for large numbers.
  1594.  
  1595.  Mike
  1596.  
  1597.