home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ ftp.pasteur.org/FAQ/ / ftp-pasteur-org-FAQ.zip / FAQ / puzzles / archive / pickover / part2 < prev    next >
Encoding:
Internet Message Format  |  1996-04-26  |  35.1 KB

  1. Received: from MIT.EDU (SOUTH-STATION-ANNEX.MIT.EDU [18.72.1.2]) by bloom-picayune.MIT.EDU (8.6.13/2.3JIK) with SMTP id OAA02531; Sat, 20 Apr 1996 14:42:45 -0400
  2. Received: from [199.164.164.1] by MIT.EDU with SMTP
  3.     id AA07854; Sat, 20 Apr 96 14:11:51 EDT
  4. Received: by questrel.questrel.com (940816.SGI.8.6.9/940406.SGI)
  5.     for news-answers-request@mit.edu id LAA25234; Sat, 20 Apr 1996 11:12:41 -0700
  6. Newsgroups: rec.puzzles,news.answers,rec.answers
  7. Path: senator-bedfellow.mit.edu!bloom-beacon.mit.edu!spool.mu.edu!howland.reston.ans.net!europa.eng.gtefsd.com!uunet!questrel!chris
  8. From: chris@questrel.questrel.com (Chris Cole)
  9. Subject: rec.puzzles Archive (pickover), part 29 of 35
  10. Message-Id: <puzzles/archive/pickover/part2_745653851@questrel.com>
  11. Followup-To: rec.puzzles
  12. Summary: This is part of an archive of questions
  13.  and answers that may be of interest to
  14.  puzzle enthusiasts.
  15.  Part 1 contains the index to the archive.
  16.  Read the rec.puzzles FAQ for more information.
  17. Sender: chris@questrel.questrel.com (Chris Cole)
  18. Reply-To: archive-comment@questrel.questrel.com
  19. Organization: Questrel, Inc.
  20. References: <puzzles/archive/Instructions_745653851@questrel.com>
  21. Date: Wed, 18 Aug 1993 06:06:42 GMT
  22. Approved: news-answers-request@MIT.Edu
  23. Expires: Thu, 1 Sep 1994 06:04:11 GMT
  24. Lines: 1575
  25. Xref: senator-bedfellow.mit.edu rec.puzzles:25022 news.answers:11542 rec.answers:1942
  26. Apparently-To: news-answers-request@mit.edu
  27.  
  28. Archive-name: puzzles/archive/pickover/part2
  29. Last-modified: 17 Aug 1993
  30. Version: 4
  31.  
  32.  
  33. ==> pickover/pickover.07.p <==
  34. Title: Cliff Puzzle 7: 3x3 Recursion
  35. From: cliff@watson.ibm.com
  36.  
  37. If you respond to this puzzle, if possible please send me your name,
  38. address, affiliation, e-mail address, so I can properly credit you if
  39. you provide unique information.  PLEASE ALSO directly mail me a copy of
  40. your response in addition to any responding you do in the newsgroup.  I
  41. will assume it is OK to describe your answer in any article or
  42. publication I may write in the future, with attribution to you, unless
  43. you state otherwise.  Thanks, Cliff Pickover
  44.  
  45. * * *
  46.  
  47. Consider the 3x3 array below.  All nine digits are used exactly once.
  48.  
  49. 1 9 2
  50. 3 8 4
  51. 5 7 6
  52.  
  53. Notice that "384" is twice the number in the first row, and that
  54. "576" is three times the number in the first row.
  55.  
  56. Questions:
  57. 1.  Are there other ways of arranging the number to produce the same
  58. result using each digit only once and the same rules?
  59. Remember, the second row must be twice the first.  The third row
  60. must be 3 times the first row.
  61.  
  62. 2.  Start with the number in the last row (e.g "576" or any other
  63. solution you may find) and continue to form another 3x3 matrix using the
  64. same rules with the new starting number.  In other words, the number in
  65. the second row must be twice the first.  The third row must be three
  66. times the first.  (For this problem you may truncate any digits in the
  67. beginning.  For example, 1384 would become 384.)
  68.  
  69. Keep going.  How many matrices can you create before it is impossible
  70. to continue.  Again, each digit must be used only once
  71. in each matrix.
  72.  
  73. ==> pickover/pickover.07.s <==
  74. -------------------------
  75.  
  76. > Title: Cliff Puzzle 7: 3x3 Recursion
  77. > Consider the 3x3 array below.  All nine digits are used exactly once.
  78. > 1 9 2
  79. > 3 8 4
  80. > 5 7 6
  81. > Questions:
  82. > 1.  Are there other ways of arranging the numbers to produce the same
  83. > result using each digit only once and the same rules?
  84.  
  85. YES .
  86.  
  87.  2 1 9       2 7 3        3 2 7
  88.  4 3 8       5 4 6        6 5 4
  89.  6 5 7       8 1 9        9 8 1
  90.  
  91. > same rules with the new starting number.  In other words,
  92. > the last number becomes the first, and the number in
  93. > the new second row must be twice the first.  The third row must be three
  94. > times the first.  (For this problem you may truncate any digits in the
  95. > beginning.  For example, 1384 would become 384.)
  96. NONE. There is no solution to the continuation problem.
  97.  
  98.  
  99. Bye.
  100.  
  101. Amit Agarwal
  102. > to continue?  Again, each digit must be used only once
  103. > in each matrix.
  104. >
  105. >
  106.  
  107. -------------------------
  108.  
  109. By exhaustive search I found that there are only four such arrays.
  110. Here they are:
  111.  
  112.   1 9 2        2 1 9        2 7 3        3 2 7
  113.   3 8 4        4 3 8        5 4 6        6 5 4
  114.   5 7 6        6 5 7        8 1 9        9 8 1
  115.  
  116. Since these are the only four it is clear from inspection that
  117. none of the last numbers ever begin another array with the desired
  118. properties.
  119.  
  120. Bob Murphy (rmurphy@aludra.usc.edu)
  121.  
  122. -------------------------
  123.  
  124.  
  125.  
  126. Well, I think I have an answer to both parts.  I did what should have been
  127. a complete analysis of all possible column combinations, but it is
  128. certainly possible that I missed a point somewhere.  If you don't get any
  129. answers contradicting this one, I'd be happy to send you my analysis.
  130. Anyway - for part 1, I found the following three matrices (in additionn
  131. to the one you gave):
  132.             2 1 9    2 7 3   3 2 7
  133.             4 3 8    5 4 6   6 5 4
  134.             6 5 7    8 1 9   9 8 1
  135.  
  136. Note that the first one of these can be generated from yours by moving
  137. the third column to the first position, and the third one can be generated
  138. from the second similarly.  In both cases, one column does not receive
  139. or produce any carryovers, so it can be placed at either end.
  140.  
  141. For part 2, there is obviously no solution, assuming that these are indeed
  142. the only four matrices satisfying the requirements.  In my analysis, I
  143. included columns with carryovers in all positions, so if there were any
  144. matrices that would satisfy the relaxed condition of part 2 I should
  145. have found them.
  146.  
  147.                             Dan Blum
  148.                             Institute for the
  149.                             Learning Sciences
  150.                             Northwestern U.
  151.                             blum@ils.nwu.edu
  152. -------------------------
  153.  
  154.  
  155. Cliff,
  156.  
  157. In article <1blrk9INN10s@aludra.usc.edu> (Bob Murphy) writes:
  158.  
  159. >By exhaustive search I found that there are only 4 starting numbers
  160. >which produce a 3x3 array with the desired property.  Here they are:
  161. >
  162. >   1 9 2        2 1 9        2 7 3        3 2 7
  163. >   3 8 4        4 3 8        5 4 6        6 5 4
  164. >   5 7 6        6 5 7        8 1 9        9 8 1
  165.  
  166.  
  167. For each of these solutions I happened to notice that the sum of each row
  168. is a constant:
  169.  
  170.     sum(row1) = 12
  171.     sum(row2) = 15
  172.     sum(row3) = 18
  173.  
  174. (necessary but not sufficient condition)
  175.  
  176. And the sums all differ by the same constant (3).  I wonder if this
  177. property may somehow be generalized to matrices of higher degree?
  178.  
  179.  
  180. Regards,
  181.  
  182.  
  183. -- Greg Schmidt        schmidtg@iccgcc.decnet.ab.com
  184.  
  185. -------------------------
  186.  
  187.  
  188. > If you respond to this puzzle, if possible please send me your name, address,
  189. > affiliation, and e-mail address so I can credit you in the future if needed.
  190. > If you like, tell me a little bit about yourself so I can cite you
  191. > appropriately if you provide unique information.  PLEASE ALSO directly mail
  192. > me a copy of your response in addition to any responding you do in the
  193. > newsgroup.  I will assume it is OK to describe your answer in any article or
  194. > publication I may write in the future, with attribution to you, unless you
  195. > state otherwise.
  196. > Thanks, Cliff Pickover
  197. >
  198. > Consider the 3x3 array below.  All nine digits are used exactly once.
  199. >
  200. > 1 9 2
  201. > 3 8 4
  202. > 5 7 6
  203. >
  204. > Notice that "384" is twice the number in the first row, and that
  205. > "576" is three times the number in the first row.
  206. >
  207. > Questions:
  208. > 1.  Are there other ways of arranging the numbers to produce the same
  209. > result using each digit only once and the same rules?
  210. > Remember, the second row must be twice the first.  The third row
  211. > must be 3 times the first row.
  212. >
  213. > 2.  Start with the number in the last row (e.g "576" or any other
  214. > solution you may find) and continue to form another 3x3 matrix using the
  215. > same rules with the new starting number.  In other words,
  216. > the last number becomes the first, and the number in
  217. > the new second row must be twice the first.  The third row must be three
  218. > times the first.  (For this problem you may truncate any digits in the
  219. > beginning.  For example, 1384 would become 384.)
  220. >
  221. > Keep going.  How many matrices can you create before it is impossible
  222. > to continue?  Again, each digit must be used only once
  223. > in each matrix.
  224.  
  225. Well, this is probably not news to you by now, but I only get four solutions
  226. to the original problem:
  227.  
  228. 1 9 2      2 1 9      2 7 3      3 2 7
  229. 3 8 4      4 3 8      5 4 6      6 5 4
  230. 5 7 6      6 5 7      8 1 9      9 8 1
  231.  
  232. If we relax the rules slightly and allow zeroes, and just specify that the nine
  233. numbers only have to be different, then we get two more solutions:
  234.  
  235. 0 7 8      2 6 7
  236. 1 5 6      5 3 4
  237. 2 3 4      8 0 1
  238.  
  239. both of which use the digits 0-8, which may be of interest.
  240.  
  241. The second problem (in either form) has only the above solutions, with only one
  242. matrix in each solution.
  243.  
  244. If we switch to base 9 (where we must use a zero), there is no solution to the
  245. first, and only one solution to the second (with only one matrix):
  246.  
  247. 4 8 1
  248. 0 7 2
  249. 5 6 3
  250.  
  251. In fact, I considered 3 versions of problem 2.  In all cases zeroes were
  252. allowed, but the 9 numbers had to be different.  For each of them the first 3x3
  253. matrix has to meet the original specifications; where they differ is in how the
  254. succeeding matrices are constructed.  In the ensuing discussion, the original
  255. number is called 'n'.  So in the example given with the problem, n is 192.
  256.  
  257. Version A:  The second matrix consists of rows with n*2, n*3 and n*4 in them.
  258.            (The last three digits of those, anyway.)  The next would have n*3,
  259.            n*4, and n*5, then n*4, n*5, n*6, etc.
  260.  
  261. Version B:  The second matrix consists of n*3, n*6, n*9.  (This is essentially
  262.             the second problem as given.)
  263.  
  264. Version C:  The second matrix consists of n*4, n*5, n*6.  The next would have
  265.             n*7, n*8, n*9 etc.
  266.  
  267. Results for various bases:
  268.  
  269. Base 9:
  270.   A, B, C:   4 8 1
  271.              0 7 2
  272.              5 6 3
  273.  
  274. Base 10:
  275.   A, B, C:   0 7 8    1 9 2    2 1 9    2 6 7    2 7 3    3 2 7
  276.              1 5 6    3 8 4    4 3 8    5 3 4    5 4 6    6 5 4
  277.              2 3 4    5 7 6    6 5 7    8 0 1    8 1 9    9 8 1
  278.  
  279.   In addition, with version C, we get a second matrix for 219.
  280.  
  281.      2 1 9     8 7 6
  282.      4 3 8 ==> 0 9 5
  283.      6 5 7     3 1 4
  284.  
  285. Base 11:   (A, B, etc. represent 10, 11, etc..)
  286.   A, B, C: 18 solutions.  From now on, I'll only show the multiple matrix ones.
  287.  
  288.   A:  5 A 1     0 9 2    6 7 4     2 3 8
  289.       0 9 2 ==> 6 8 3    2 3 8 ==> 9 0 1
  290.       6 8 3     1 7 4    9 0 1     4 7 5
  291.  
  292.   B:  9 3 4     5 A 1
  293.       7 6 8 ==> 0 9 2
  294.       5 A 1     6 8 3
  295.  
  296.   C:  8 9 1     2 3 4
  297.       6 7 2 ==> 0 1 5
  298.       4 5 3     8 A 6
  299.  
  300.   (Note that the B solution ends in an A solution matrix!)
  301.  
  302. Base 12:   19 solutions
  303.  
  304.   A:  7 3 4     2 6 8
  305.       2 6 8 ==> 9 A 0
  306.       9 A 0     5 1 4
  307.  
  308.   B:  None
  309.  
  310.   C:  3 5 7     1 A 4
  311.       6 B 2 ==> 5 3 B
  312.       A 4 9     8 9 6
  313.  
  314. Base 13:   71 solutions...and it rapidly increases from here....
  315.  
  316. The number of solutions rises rapidly, as we might expect, as the more possible
  317. values for digits there are in the base, the more likely the set of 9 will be
  318. distinct.  If we look at solutions which only involve the digits 1-9, then the
  319. following is a list of all solutions (for all bases):
  320.  
  321. Base 10:  1 9 2    2 1 9    2 7 3    3 2 7
  322.           3 8 4    4 3 8    5 4 6    6 5 4
  323.           5 7 6    6 5 7    8 1 9    9 8 1
  324.  
  325. Base 11:  7 8 3    8 4 6    8 9 1
  326.           4 5 6    5 9 1    6 7 2
  327.           1 2 9    3 2 7    4 5 3
  328.  
  329. (Tested all cases until base 17.  After that, no solution can involve a carry.
  330. But there are no solutions without carries.  So, no more solutions.)
  331.  
  332. I hope this is of some interest.
  333.  
  334. Cheers,
  335. Geoff.
  336.  
  337. -------------------------------------------------------------------------------
  338. Geoff Bailey (Fred the Wonder Worm)   |   Programmer by trade --
  339. ftww@cs.su.oz.au                      |       Gameplayer by vocation.
  340. -------------------------------------------------------------------------------
  341.  
  342.  
  343. -------------------------
  344.  
  345.  
  346. > Ref:  Your note of Mon, 19 Oct 92 22:24:47 EST
  347. >
  348. > Where are you from?
  349.  
  350. Whoops, knew I forgot to put something in.  I'm currently a student at the
  351. University of Sydney (Australia), doing Computer Science (Honours).
  352.  
  353. Cheers,
  354. Geoff.
  355.  
  356. -------------------------------------------------------------------------------
  357. Geoff Bailey (Fred the Wonder Worm)   |   Programmer by trade --
  358. ftww@cs.su.oz.au                      |       Gameplayer by vocation.
  359. -------------------------------------------------------------------------------
  360.  
  361.  
  362. -------------------------
  363.  
  364.  
  365. By the way, I tried searching for analogous solutions for other sizes and other
  366. bases.  So the new problems become:
  367.  
  368. Consider an n by n matrix containing the 'digits' from 1 to n^2 in a base b,
  369. where b > n^2.  The i'th row of the matrix consists of the last n 'digits' of
  370. i*(first row).  The versions differ in how succeeding matrices may be
  371. constructed.  Let f be the first row.
  372.  
  373. Version A:  The next matrix has rows with 2*f, 3*f, ... , (n+1)*f
  374.            The j'th matrix has rows j*f, (j+1)*f, ... , (n+1-j)*f
  375.  
  376. Version B:  The next matrix has rows with n*f, 2*n*f, ... , n*n*f
  377.            The j'th matrix has rows (n^(j-1))*f, 2*(n^(j-1))*f, .... , (n^j)*f
  378.  
  379. Version C:  The next matrix has rows with (n+1)*f, (n+2)*f, ... , 2*n*f
  380.            The j'th matrix has rows (1+n*(j-1))*f, (2+n*(j-1))*f, ..., j*n*f
  381.  
  382. Basically these are analogies of the three versions I wrote to you about
  383. before.  The results I get are:
  384.  
  385. n: 1    base: any above 1
  386.  
  387.     A, B, C:     1
  388.  
  389. n: 2    base: 5
  390.  
  391.     A, B, C:      3  2             4  1
  392.                   1  4             3  2
  393.  
  394.     In case B, the second one extends:
  395.  
  396.                   4  1 ==> 3  2
  397.                   3  2     1  4
  398.  
  399.     In case C, the second one also extends:
  400.  
  401.                   4  1 ==> 2  3
  402.                   3  2     1  4
  403.  
  404.         base: 6
  405.  
  406.     A, B, C:      1  4             3  4
  407.                   3  2             1  2
  408.  
  409.   Note that the only solution to the first problem (no overflow allowed) is
  410.                   1  4     (in base 6)
  411.                   3  2
  412.  
  413. n: 3    base: 10
  414.  
  415.     A, B, C:  1  9  2     2  1  9     2  7  3     3  2  7
  416.               3  8  4     4  3  8     5  4  6     6  5  4
  417.               5  7  6     6  5  7     8  1  9     9  8  1
  418.  
  419.         base: 11
  420.  
  421.     A, B, C:  7  8  3     8  4  6     8  9  1
  422.               4  5  6     5  9  1     6  7  2
  423.               1  2  9     3  2  7     4  5  3
  424.  
  425.   Note the base 10 solutions all solve the first problem, while none of the
  426.   base 11 solutions do, and there is no second matrix for any of them.
  427.  
  428. n: 4    base: 18
  429.  
  430.     A, B, C:  1 15 14  4    1 15 16  2    2  1 15 16    2  3 13 16
  431.               3 13 10  8    3 13 14  4    4  3 13 14    4  7  9 14
  432.               5 11  6 12    5 11 12  6    6  5 11 12    6 11  5 12
  433.               7  9  2 16    7  9 10  8    8  7  9 10    8 15  1 10
  434.  
  435.  
  436.               3 13 14  4    3 13 16  2    4  1 15 14    4  3 13 14
  437.               7  9 10  8    7  9 14  4    8  3 13 10    8  7  9 10
  438.              11  5  6 12   11  5 12  6   12  5 11  6   12 11  5  6
  439.              15  1  2 16   15  1 10  8   16  7  9  2   16 15  1  2
  440.  
  441.  
  442.     In case C, two of them extend:
  443.  
  444.    1 15 16  2      9  7  8 10      2  1 15 16     10  9  7  8
  445.    3 13 14  4 ==> 11  5  6 12      4  3 13 14 ==> 12 11  5  6
  446.    5 11 12  6     13  3  4 14      6  5 11 12     14 13  3  4
  447.    7  9 10  8     15  1  2 16      8  7  9 10     16 15  1  2
  448.  
  449.   Note all of these solutions solve the first problem (no overflow).
  450.  
  451. Unfortunately, my algorithm is O((n!)^2), so any results for n = 5 are not
  452. going to be forthcoming soon.
  453.  
  454. Cheers,
  455. Geoff.
  456.  
  457. -------------------------------------------------------------------------------
  458. Geoff Bailey (Fred the Wonder Worm)   |   Programmer by trade --
  459. ftww@cs.su.oz.au                      |       Gameplayer by vocation.
  460. -------------------------------------------------------------------------------
  461.  
  462.  
  463.  
  464. ==> pickover/pickover.08.p <==
  465. Title: Cliff Puzzle 8: Squares and Squares and Squares ....
  466. From: cliff@watson.ibm.com
  467.  
  468. If you respond to this puzzle, if possible please send me your name,
  469. address, affiliation, e-mail address, so I can properly credit you if
  470. you provide unique information.  PLEASE ALSO directly mail me a copy of
  471. your response in addition to any responding you do in the newsgroup.  I
  472. will assume it is OK to describe your answer in any article or
  473. publication I may write in the future, with attribution to you, unless
  474. you state otherwise.  Thanks, Cliff Pickover
  475.  
  476. * * *
  477.  
  478. 1.  What is the smallest square with leading digit 1 which remains a
  479. square when the leading 1 is replaced by a 2?
  480.  
  481. In other words, if x**2 = 1.........., is there a y**2 = 2.........  ?
  482.  
  483. 2.  What is the smallest square with leading digit 1 which remains a
  484. square when the leading 1 is replaced by a 2 and also remains a square
  485. when the leading digit is replaced by a 3?
  486.  
  487. 3.  What is the smallest square with leading digit 1 which remains a
  488. square when the leading 1 is replaced by a 2, and also remains a square
  489. when the leading digit is replaced by a 3, and also remains a square
  490. when the leading digit is replaced by a 4?
  491.  
  492. ==> pickover/pickover.08.s <==
  493. -------------------------
  494.  
  495.  
  496. > 1.  What is the smallest square with leading digit 1 which remains a
  497. > square when the leading 1 is replaced by a 2?
  498. >
  499.     11025 ( 105 * 105 )      ----       21025 ( 145 * 145 )
  500.  
  501. >
  502. > 2.  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?
  505. >
  506.     No solution till 1,000,000,000.
  507.  
  508. > 3.  What is the smallest square with leading digit 1 which remains a
  509. > square when the leading 1 is replaced by a 2, and also remains a square
  510. > when the leading digit is replaced by a 3, and also remains a square
  511. > when the leading digit is replaced by a 4?
  512. >
  513. >
  514.    No solution till 1,000,000,000.
  515.  
  516.  
  517. The property that you are looking for ( however with different leading
  518.  
  519. digits ) is owned by the following numbers.
  520.  
  521.  
  522. 2025    3025
  523. -------------
  524. 11025   21025
  525. 57600   67600
  526. ---------------
  527. 202500   302500
  528. 342225   442225
  529. ------------------
  530. 1102500   2102500
  531. 3515625   4515625
  532. 5760000   6760000
  533. -------------------
  534. 11390625   21390625
  535. 20250000   30250000
  536. 34222500   44222500
  537. ----------------------
  538. 110250000     210250000
  539. 196700625     296700625
  540. 351562500     451562500
  541. 576000000     676000000
  542. -------------------------
  543.  
  544. This is probably of no use to you, but, anyway.
  545.  
  546. -------------------------
  547.  
  548. In article <1992Oct20.184149.51596@watson.ibm.com> you write:
  549. >Title: Cliff Puzzle 8: Squares and Squares and Squares ....
  550. >1.  What is the smallest square with leading digit 1 which remains a
  551. >square when the leading 1 is replaced by a 2?
  552.  
  553. >In other words, if x**2 = 1.........., is there a y**2 = 2.........  ?
  554.  
  555. (Isn't this first part an old puzzle?)
  556.  
  557. 105^2=11025; 145^2=21025.  In general we want 10^k=(y-x)(y+x) and
  558. 1.5 < (y/x)^2 < 2.  Thus y+x and y-x must be factors of 10^k of
  559. the same parity whose ratio is between 5.828... and 9.899...
  560. (these are (t+1)/(t-1) for t^2=2 and 1.5 respectively).  The
  561. smallest solution (x,y)=(105,145) corresponds to the factorization
  562. 10^4=40*250; gp/pari's "fordiv" function allows one to easily list
  563. all primitive solutions [i.e. not obtained from a smaller solution
  564. by multiplying x,y by the same power of 10] with x^2 and y^2 each
  565. having at most (say) 50 digits:
  566.  
  567. [x,y]=
  568.  
  569. [145, 105]
  570. [17225, 14025]
  571. [454625, 326625]
  572. [53948125, 43708125]
  573. [1425503125, 1015903125]
  574. [168971890625, 136203890625]
  575. [529265958203125, 424408358203125]
  576. [1657888279384765625, 1322343959384765625]
  577. [5193483785077392578125, 4119741961077392578125]
  578.  
  579. In fact it can be seen that the primitive solutions correspond to
  580. integer linear combinations of log(2) and log(5) lying in a certain
  581. fixed interval (determined by the bounds 5.828... and 9.899...),
  582. which probably explains the regular growth of this list.
  583.  
  584. >2.  What is the smallest square with leading digit 1 which remains a
  585. >square when the leading 1 is replaced by a 2 and also remains a square
  586. >when the leading digit is replaced by a 3?
  587.  
  588. There is no such beast, since the three squares would constitute an
  589. arithmetic progression of integer squares of common difference 10^k,
  590. and so give an A.P. of 3 rational squares of common difference 1 or 10 ---
  591. which is known to be impossible by a "2-descent" argument (the case of
  592. common difference 1 is already due to Fermat).  [We were lucky here:
  593. in a different number system this argument might fail; for instance the
  594. squares of 7/2, 17/2, 23/2 are an A.P. of common difference 60, the
  595. sexagesimal base.  (Some numerology: 7,17,23 are the first three primes
  596. of which 2 is a quadratic residue.)  Still, given the base b, the general
  597. theory of elliptic curves indicates that the rational solutions of
  598. Y^2-X^2=Z^2-X^2=b are rather sparsely distributed (the number of d-digit
  599. solutions growing as some power of d), and the extra condition that they
  600. arise by changing only the initial digits of three integer squares is
  601. strong enough to ensure that there are at most finitely many solutions;
  602. with yet more powerful methods one can even provably list them all.]
  603.  
  604. >3.  What is the smallest square with leading digit 1 which remains a
  605. >square when the leading 1 is replaced by a 2, and also remains a square
  606. >when the leading digit is replaced by a 3, and also remains a square
  607. >when the leading digit is replaced by a 4?
  608.  
  609. Of course the above solution to part 2 also disposes of this part;
  610. alternatively I could apeal to another classic result of Fermat:
  611. there is no 4-term A.P. of rational squares.
  612.  
  613. My question: why all the blank spaces at the end of every line?
  614.  
  615. --Noam D. Elkies (elkies@zariski.harvard.edu)
  616.   Dept. of Math., Harvard Univ., Cambridge, MA 02138
  617. -------------------------
  618.  
  619. I dunno the direct answer to your squares problem.  I do know,
  620. however, that phi (from the Golden Ratio--approx 0.61), which is
  621. defined as the number x such that  x + 1 = x^2.  It just so happens
  622. that phi+1 and (phi+1)^2 differ by only 1.  (1.61 and 2.61)  The
  623. rest of the digits are the SAME!  Phi = (Sqrt(5)-1)/2.
  624.  
  625. Phi+1 = (Sqrt(5)+1)/2    phi+2 = (Sqrt(5)+3)/2
  626. (Phi+1)^2= (5+2*Sqrt(5)*1+1)/4 = (2*Sqrt(x)+6)/4 = (Sqrt(x) + 3)/2
  627.  
  628. Notice how that all works out?  Perhaps this property will bring you
  629. closer to an answer.  I just sent you all my personal data in
  630. a previous letter concerning your 123 problem.  Let me know
  631. what you think of this approach, ok?  Thanks in advance!
  632.  
  633. --Joseph Zbiciak  im14u2c@camelot.bradley.edu
  634.  
  635.  
  636. -------------------------
  637.  
  638. In article <1992Oct20.184149.51596@watson.ibm.com> you write:
  639. : 2.  What is the smallest square with leading digit 1 which remains a
  640. : square when the leading 1 is replaced by a 2 and also remains a square
  641. : when the leading digit is replaced by a 3?
  642.  
  643. This is not possible.  One of these numbers would leave a remainder
  644. of 2 when divided by 3, and no square is congruent to 2 modulo 3.
  645.  
  646. --
  647. David Radcliffe
  648. radcliff@csd4.csd.uwm.edu
  649. -------------------------
  650.  
  651.  
  652. In article <1992Oct20.184149.51596@watson.ibm.com> you write:
  653. : 1.  What is the smallest square with leading digit 1 which remains a
  654. : square when the leading 1 is replaced by a 2?
  655.  
  656. 11025.  I found, by hand, all integral solutions to
  657. (x+y)(x-y) = 10000.  The solution (145,105) is the only
  658. one with 10000 < y^2 < 20000.
  659.  
  660. You have permission to use my solution, but not my name.
  661.  
  662. --
  663. David Radcliffe
  664. radcliff@csd4.csd.uwm.edu
  665. -------------------------
  666.  
  667. Well, as a previous poster already mentioned on Rec.puzzles, there are only 4
  668. solutions to the initial problem. They are 192, 219, 293, and 327. None of
  669. these solutions can be connected to others as in part 2 of your problem.
  670.  
  671. I first extended the problem to allow any multipliers. So the second row must
  672. be some multiple of the first and the third some other multiple of the first.
  673. I found 19 solutions to this problem. However, there is still no way to chain
  674. a second solution to the first.
  675.  
  676. Then I allowed 0s. Now there are 134 solutions. There are also 17 2-chains.
  677. There are two 3-chains which I will list here:
  678.     192     394
  679. *2= 384 *3=1182
  680. *3= 576 *4=1576
  681. *7=4032  now the same as the other solution.
  682. *9=5184
  683. *4= 736
  684. *5= 920
  685.  
  686. I will be more than happy to send you all 134 solutions if you really want
  687. them! I also have Pascal source code.
  688.  
  689. Comments on some of your other problems will follow.
  690.  
  691. Dan Cory
  692. Senior, Stanford
  693.  
  694. perm. address:
  695. 55 Cedar St.
  696. Chapel Hill, NC 27514
  697.  
  698. school address:
  699. PO Box 13113
  700. Stanford, CA 94309
  701.  
  702. Should you use any of my results, please send a copy of the work to the
  703. permanent address above.
  704. -------------------------
  705.  
  706.  
  707. In article <1992Oct20.184149.51596@watson.ibm.com>, you write:
  708. |> Title: Cliff Puzzle 8: Squares and Squares and Squares ....
  709. |> 1.  What is the smallest square with leading digit 1 which remains a
  710. |> square when the leading 1 is replaced by a 2?
  711.  
  712. 11025 = 105^2, 21025 = 145^2.
  713.  
  714. |> 2.  What is the smallest square with leading digit 1 which remains a
  715. |> square when the leading 1 is replaced by a 2 and also remains a square
  716. |> when the leading digit is replaced by a 3?
  717. |>
  718. |> 3.  What is the smallest square with leading digit 1 which remains a
  719. |> square when the leading 1 is replaced by a 2, and also remains a square
  720. |> when the leading digit is replaced by a 3, and also remains a square
  721. |> when the leading digit is replaced by a 4?
  722.  
  723. These two cases never occur.
  724.  
  725. Proof: (This was a LOT harder than I thought it would be when I started!)
  726. The original problem can be reduced to:
  727.  "Find positive integers x,y,n such that
  728.     y^2-x^2 = 10^n  and  10^n < x^2 < 2*10^n." [1]
  729.  
  730. The second problem amounts to finding x,y,z,n which meet the above
  731. conditions, plus z^2-y^2=10^n.
  732.  
  733. For the second problem, look at the set of solutions to
  734.   z^2-y^2 = 10^n,  2*10^n < y^2 < 3*10^n.  [2]
  735.  
  736. A solution to the second problem consists of x,y,z,n, where x,y,n solve
  737. the original problem and y,z,n solve the above system.
  738.  
  739. The first equation in [1] can be factored into (y-x)(y+x) = 10^n = 2^n * 5^n.
  740. Similarly (z-y)(z+y) = 10^n.  Since x,y,z are integers, we must have
  741. y+x = 2^a * 5^b,  y-x = 2^(n-a) * 5^(n-b)
  742. z+y = 2^c * 5^d,  z-y = 2^(n-c) * 5^(n-d)
  743. where a,b,c,d are integers.  When a=c and b=d, y+x = z+y and y-x = z-y,
  744. which leads to a contradiction.
  745.  
  746. Then 2y = 2^a * 5^b + 2^(n-a) * 5^(n-b) = 2^c * 5^d + 2^(n-c) * 5^(n-d)
  747. However, in the last equality above, divide both sides by 2^f, where f is
  748. the smallest of a, c, n-a, and n-c. The result is:
  749.  
  750. 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]
  751.  
  752. Now, at least one of the four products above is a product of only 5's, and
  753. is odd.  Only one is odd unless a=c, 2a=n, or 2c=n.
  754.     If a=c, then either b=d (contradiction) or z+y is at least
  755.   a factor of 5 larger than y+x.  However, considering
  756.     sqrt(3)*sqrt(10^n) < z < 2*sqrt(10^n)
  757.     sqrt(2)*sqrt(10^n) < y < sqrt(3)*sqrt(10^n)
  758.         sqrt(10^n) < x < sqrt(2)*sqrt(10^n)
  759.   we have:
  760.     (sqrt(3)+sqrt(2))*sqrt(10^n) < z+y <       (2+sqrt(3))*sqrt(10^n)
  761.       (1+sqrt(2))*sqrt(10^n) < y+x < (sqrt(3)+sqrt(2))*sqrt(10^n)
  762.   and then (z+y)/(y+x) < (2+sqrt(3))/(1+sqrt(2)) < 5.
  763.     If a exactly equals n/2:
  764.   In the case that b=a=n/2, y+x = y-x, so x=0 (not possible).
  765.   If b<n/2, y-x>y+x, but we want x to be positive, so b>n/2.  Since b and
  766.   n/2 are integers (remember n/2=a), b-(n-b) >= 2, and (y+x)/(y-x) >= 25.
  767.   This gives     (y+x) >= 25(y-x),
  768.     (y+x+y-x) = 2y >= 26(y-x),
  769.              y >= 13y-13x,
  770.            13x >= 12y,
  771.            x/y >= 12/13
  772.            x^2/y^2 >= 144/169
  773.  
  774.   However, we know 10^n < x^2 < 2*10^n, and y^2 = x^2 + 10^n, so x^2/y^2
  775.   varies between 1/2 and 2/3, and cannot be greater than 144/169.
  776.     Similarly, when c=n/2, the same argument applies, and in the final step
  777.   we know y^2/z^2 varies between 2/3 and 3/4.
  778. Finally, we've eliminated all cases where more than one of the terms in [3]
  779. is odd.  With exactly one term odd, we have odd=even, a contradiction,
  780. so there is no solution.
  781.  
  782. --
  783. ----w-w--------------Joseph  De Vincentis--jwd2@owlnet.rice.edu----------------
  784.    ( ^ )   Disclaimer: My opinions do not represent those of Owlnet.
  785.    (O O)   Owlnet: George R. Brown School of Engineering Educational Network.
  786.     v-v    (Unauthorized use is prohibited.)  (Being uwop-ap!sdn is allowed.)
  787. -------------------------
  788.  
  789.  
  790. G'day Cliff!
  791.  
  792. > * * *
  793. >
  794. > 1.  What is the smallest square with leading digit 1 which remains a
  795. > square when the leading 1 is replaced by a 2?
  796. >
  797. > In other words, if x**2 = 1.........., is there a y**2 = 2.........  ?
  798.  
  799. The smallest I could find was 105**2 = 11025
  800.                               145**2 = 21025
  801.  
  802. Indeed, an exhaustive search shows that this is the smallest.
  803.  
  804. The other pairs I found (after a few minutes playing with pen and paper - I
  805. could probably write a program to generate them ad nauseum, but I've got a
  806. draft thesis to write...) were:
  807.  
  808.     3375**2 = 11390625,       4625**2 = 21390625
  809.    14025**2 = 196700625,     17225**2 = 296700625
  810.   326625**2 = 106683890625, 454625**2 = 206683890625
  811.  
  812. I don't know what pattern there is in them.  Of course, if x is a solution,
  813. then so is 10*x.  So these give solutions for 1050*1050 = 1102500, etc.
  814.  
  815. > 2.  What is the smallest square with leading digit 1 which remains a
  816. > square when the leading 1 is replaced by a 2 and also remains a square
  817. > when the leading digit is replaced by a 3?
  818. >
  819. > 3.  What is the smallest square with leading digit 1 which remains a
  820. > square when the leading 1 is replaced by a 2, and also remains a square
  821. > when the leading digit is replaced by a 3, and also remains a square
  822. > when the leading digit is replaced by a 4?
  823.  
  824. I'll answer part 3 first.  If such a square exists, then observe that we have
  825. 4 squares in arithmetic progression (common difference a power of 10).  There
  826. is a well known theorem that there is no set of four squares in arithmetic
  827. progression, so there is no solution to part 3.
  828.  
  829. Now, for part 2.  We have 3 squares in arithmetic progression.  Another well
  830. known (and not too hard to derive) theorem states that for three squares in
  831. arithmetic progression, their common difference is of the form:
  832.  
  833. D = 4 * K^2 * m * n * (m^2 - n^2) = 4 * K^2 * m * n * (m + n) * (m - n)
  834.  
  835. Now, this value is a power of 10.  So the only primes in its factorisation are
  836. 2 and 5.  Hence neither m nor n is divisible by 3.  So (m^2 - n^2) is
  837. divisible by 3.  Hence a power of 10 is divisible by 3.  Contradiction.  So
  838. now such set of three squares exist (which also proves part 3).
  839.  
  840. Cheers,
  841. Geoff.
  842.  
  843. PS: I assume you still have whatever details of mine you care about.
  844.  
  845. -------------------------------------------------------------------------------
  846. Geoff Bailey (Fred the Wonder Worm)   |   Programmer by trade --
  847. ftww@cs.su.oz.au                      |       Gameplayer by vocation.
  848. -------------------------------------------------------------------------------
  849.  
  850.  
  851. -------------------------
  852.  
  853. Here is the solution I just posted to rec.puzzles. Note that I changed my mind
  854. on this puzzle!
  855.  
  856. Dan Cory
  857. Senior, Stanford
  858. PO Box 13113
  859. Stanford, CA 94309
  860. ypay@leland.stanford.edu
  861.  
  862. Newsgroups: rec.puzzles
  863. Subject: Re: Cliff Puzzle 8: Squares and Squares ... (SPOILER)
  864. Approved: news-answers-request@MIT.Edu
  865. Summary: solutions to part 1, no solutions to parts 2 or 3
  866. Expires:
  867. References: <1992Oct20.184149.51596@watson.ibm.com>
  868. Sender:
  869. Followup-To:
  870. Distribution:
  871. Organization: DSG, Stanford University, CA 94305, USA
  872. Keywords: squares, cliff, 8, gcd
  873.  
  874. In article <1992Oct20.184149.51596@watson.ibm.com> cliff@watson.ibm.com (cliff)
  875. >1.  What is the smallest square with leading digit 1 which remains a
  876. >square when the leading 1 is replaced by a 2?
  877. >In other words, if x**2 = 1.........., is there a y**2 = 2.........  ?
  878.  
  879. We write this condition as the following equations with x,y,a integers:
  880. y^2-x^2=10^a
  881. 1*10^a<=x^2<=2*10^a
  882. 2*10^a<=y^2<=3*10^a
  883. We factor the first equation:
  884. (y-x)(y+x)=10^a.
  885. Let u=x+y. Then 10^a/u=x-y. Since x+y>x-y, u>10^a/u so u>10^(a/2)
  886. Then x=(u-10^a/u)/2 and y=(u+10^a/u)/2.
  887.  
  888. Subsitute these equations into the inequalities above.
  889. For x we get:
  890. 10^a<=((u-10^a/u)/2)^2<=2*10^a
  891. Take the square root of both (all three?) sides:
  892. 10^(a/2)<=(u-10^a/u)/2<=sqrt(2)*10^(a/2)
  893. Multiply through by 2 and divide through by 10^(a/2).
  894. 2<=u/10^(a/2)-10^(a/2)/u<=2*sqrt(2)
  895. Let v=u/10^(a/2). So v>1. Then:
  896. 2<=v-1/v<=2*sqrt(2).
  897.  
  898. We solve these two inequalities. First the left:
  899. v-1/v>=2
  900. v^2-2v-1>=0
  901. v>=(1+sqrt(2)) or v<=(1-sqrt(2)).
  902. v-1/v<=2*sqrt(2)
  903. v>=(sqrt(2)+sqrt(3)) or v<=(sqrt(2)-sqrt(3)).
  904. Since v>1, we drop the negative solutions and find:
  905. 1+sqrt(2) <= v <= sqrt(2)+sqrt(3).
  906. or
  907. 1+sqrt(2) <= u/10^(a/2) <= sqrt(2)+sqrt(3).
  908.  
  909. We can do the same for y but we will find the same restriction on u.
  910.  
  911. Now we remember that u|10^a (u divides 10^a). Therefore u must be a power of
  912. 2 times a power of 5. Let u=5^b*2^c with b,c integers less than or equal to a.
  913. Since we are going to divide it by 2, we must have c>=1.
  914. Then we need to find a,b,c such that:
  915. 1+sqrt(2) <= 5^b*2^c/10^(a/2) <= sqrt(2)+sqrt(3)
  916. These will give us u which will in turn determine x and y.
  917. So take the log base 10 of all three sides. Since log is increasing, we do not
  918. change the direction of inequality. Thus:
  919. log(1+sqrt(2)) <= b*log(5)+c*log(2)-a/2 <= log(sqrt(2)+sqrt(3))
  920. Multiply through by 2:
  921. 2*log(1+sqrt(2)) <= 2*b*log(5)+2*c*log(2)-a <= 2*log(sqrt(2)+sqrt(3))
  922.  
  923. If we approximate log(5) and log(2), this is sort of a Diophantine equation.
  924. Since log(5) is very very close to 0.7 and log(2) is very very close to 0.3,
  925. our approximations will be okay to find low solutions. If we want big solutions
  926. then we need to use better convergents. We can calculate the boundary logs
  927. as accurately as necessary. So:
  928. 0.77 <= 7/5*b+3/5*c-a <= 0.99
  929. Multiply through by 5:
  930. 3.8 <= 7*b+3*c-5*a <= 4.9
  931. So we must find a,b,c such that 7*b+3*c-5*a = 4, with a>b>=0 and a>=c>0.
  932. There are many good ways to solve this but we will just pick a small solution.
  933. b=3, c=1, a=4 (7*3+3-5*4=21+3-20=4)
  934. Then u=5^3*2^1=250.
  935. So y+x=250 and y-x=10^a/u=10^4/250=40.
  936. Then y=145 and x=105.
  937. y^2=21025 and x^2=11025.
  938.  
  939. This is, in fact, the smallest solution (it is easy to show that there is no
  940. solution to the 7*b+3*c-5*a with a<4 and a>b>=0,a>=c>0).
  941.  
  942. >2.  What is the smallest square with leading digit 1 which remains a
  943. >square when the leading 1 is replaced by a 2 and also remains a square
  944. >when the leading digit is replaced by a 3?
  945.  
  946. We note from above that y=(5^b*2^c+10^a/(5^b*2^c)/2 or
  947. 2y=5^b*2^c+5^(a-b)*2^(a-c).
  948.  
  949. Should we now repeat the problem for a square with leading digit 2 that is
  950. replaced by a 3, everything is the same except that y is now the smaller of the
  951. pair. Thus:
  952. 2y=5^B*2^C-5^(a-B)*2^(a-C)
  953. where B and C are different from b and c above but a is necessarily the same
  954. (since we want the difference to be the same power of 10 for each transition).
  955.  
  956. Combining the two we get:
  957. 5^b*5^c+5^(a-b)*2^(a-b)=5^B*2^C-5^(a-B)*2^(a-C).
  958. The proof that this has no solutions is too small to fit in the margin of this
  959. posting.
  960.  
  961. >3.  What is the smallest square with leading digit 1 which remains a
  962. >square when the leading 1 is replaced by a 2, and also remains a square
  963. >when the leading digit is replaced by a 3, and also remains a square
  964. >when the leading digit is replaced by a 4?
  965. There is no solution since there is no solution to part 2.
  966.  
  967. Dan Cory
  968.  
  969.  
  970. ==> pickover/pickover.09.p <==
  971. Title: Cliff Puzzle 9: 3-Atoms and Growth
  972. From: cliff@watson.ibm.com
  973.  
  974. If you respond to this puzzle, if possible please send me your name,
  975. address, affiliation, e-mail address, so I can properly credit you if
  976. you provide unique information.  PLEASE ALSO directly mail me a copy of
  977. your response in addition to any responding you do in the newsgroup.  I
  978. will assume it is OK to describe your answer in any article or
  979. publication I may write in the future, with attribution to you, unless
  980. you state otherwise.  Thanks, Cliff Pickover
  981.  
  982.       * * *
  983.  
  984.     Start with 3 digits: 1, 2, and 3.
  985. Each succeding row repeats the previous three rows, in order,
  986. as you can see from the following diagram.
  987.  
  988. 1
  989. 2
  990. 3
  991. 123
  992. 23123
  993. 312323123
  994. 12323123312323123
  995. 2312331232312312323123312323123
  996.  
  997. 1. What is the sum of digits in the 100th row?
  998.  
  999. 2. Get rid of all the twos.  Here I've replaced each of them with a "."
  1000.  
  1001. 1
  1002.  
  1003.