为什么上万个不同的数字,最后都会落入同一个陷阱?我们可以用代数来揭开谜底。设这个四位数的四个数字从大到小依次为 $a, b, c, d$。
将两数相减,我们可以提取出一个决定数字走向的核心表达式。令 $x = a - d$,$y = b - c$:
因为原数字是从大到小排列的,所以必然有 $x \ge y$,$x \in [1, 9]$,$y \in [0, 9]$。这个极其简单的代数式,将广阔的数字空间瞬间进行了降维打击。
为了知道下一步进行操作的数字具体是什么,我们需要将上式展开为标准的十进制四位数。由于存在向高位借位的情况,等式会发生极其优美的分化:
我们需要从百位借 1 给十位,从十位借 1 给个位,等式可以化为:
由此可见,此时得到的四位数,它的四个数字分别是:
$x$ , $(y - 1)$ , $(9 - y)$ , $(10 - x)$
由于 $y=0$,百位变成了 0,必须向千位借 1,等式化为:
此时得到的四位数,它的四个数字分别是:
$(x - 1)$ , $9$ , $9$ , $(10 - x)$
结合前面的约束条件:$x \in [1, 9]$,$y \in [0, 9]$,且必须满足 $x \ge y$。我们可以列举出所有合法的 $(x, y)$ 组合数量:
将它们全部加起来,这就是一个简单的等差数列求和:
这就证明了,不论最初的四位数是什么,经过第一次相减后,结果必然落在这 54 种数字组合之内。
更奇妙的是,因为卡布列克操作的下一步是“重新打乱排序”,我们根本不需要关心生成的这四个数字的位置,只需要看它们的“内容组合”。
观察上述两种情况的生成结果,你会发现它们具有强烈的加法对称性。通过剔除本质上相同的数字池,数学家们证明:这 54 种结果实际上只包含了 30 种完全不重复的数字池。最初的 10000 个状态,在一步之内就坍缩到了仅仅 30 个核心节点!