<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?><!DOCTYPE article PUBLIC "-//NLM//DTD Journal Publishing DTD v3.0 20080202//EN" "http://dtd.nlm.nih.gov/publishing/3.0/journalpublishing3.dtd">
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  <journal-meta>
   <journal-id journal-id-type="publisher-id">
    jamp
   </journal-id>
   <journal-title-group>
    <journal-title>
     Journal of Applied Mathematics and Physics
    </journal-title>
   </journal-title-group>
   <issn pub-type="epub">
    2327-4352
   </issn>
   <issn publication-format="print">
    2327-4379
   </issn>
   <publisher>
    <publisher-name>
     Scientific Research Publishing
    </publisher-name>
   </publisher>
  </journal-meta>
  <article-meta>
   <article-id pub-id-type="doi">
    10.4236/jamp.2025.135109
   </article-id>
   <article-id pub-id-type="publisher-id">
    jamp-142989
   </article-id>
   <article-categories>
    <subj-group subj-group-type="heading">
     <subject>
      Articles
     </subject>
    </subj-group>
    <subj-group subj-group-type="Discipline-v2">
     <subject>
      Physics 
     </subject>
     <subject>
       Mathematics
     </subject>
    </subj-group>
   </article-categories>
   <title-group>
    Solving the Collatz Conjecture, Using Gaussian Arithmetic
   </title-group>
   <contrib-group>
    <contrib contrib-type="author" xlink:type="simple">
     <name name-style="western">
      <surname>
       Emilio A.
      </surname>
      <given-names>
       Diarte-Carot
      </given-names>
     </name> 
     <xref ref-type="aff" rid="aff1"> 
      <sup>1</sup>
     </xref> 
     <xref ref-type="aff" rid="aff2"> 
      <sup>2</sup>
     </xref>
    </contrib>
   </contrib-group> 
   <aff id="aff1">
    <addr-line>
     aThe Official College of Telecommunications Engineers, Madrid, Spain
    </addr-line> 
   </aff> 
   <aff id="aff2">
    <addr-line>
     aIndependent Researcher, Majadahonda, Spain
    </addr-line> 
   </aff> 
   <pub-date pub-type="epub">
    <day>
     08
    </day> 
    <month>
     05
    </month>
    <year>
     2025
    </year>
   </pub-date> 
   <volume>
    13
   </volume> 
   <issue>
    05
   </issue>
   <fpage>
    1960
   </fpage>
   <lpage>
    1968
   </lpage>
   <history>
    <date date-type="received">
     <day>
      18,
     </day>
     <month>
      April
     </month>
     <year>
      2025
     </year>
    </date>
    <date date-type="published">
     <day>
      27,
     </day>
     <month>
      April
     </month>
     <year>
      2025
     </year> 
    </date> 
    <date date-type="accepted">
     <day>
      27,
     </day>
     <month>
      May
     </month>
     <year>
      2025
     </year> 
    </date>
   </history>
   <permissions>
    <copyright-statement>
     © Copyright 2014 by authors and Scientific Research Publishing Inc. 
    </copyright-statement>
    <copyright-year>
     2014
    </copyright-year>
    <license>
     <license-p>
      This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
     </license-p>
    </license>
   </permissions>
   <abstract>
    We prove that the Collatz, 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mn>
       3
      </mn>
      <mi>
       n
      </mi>
      <mo>
       +
      </mo>
      <mn>
       1
      </mn>
     </mrow> 
    </math> , conjecture is true. To prove this statement, we will first see that, if a number 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
      n
     </mi> 
    </math> starts a sequence that satisfies the Collatz conjecture then all sequences containing that number 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
      n
     </mi> 
    </math> satisfy the conjecture. We will call these sequences Collatz trajectories. Then, we will study trajectories over equivalence classes defined by the congruences modulo 6, which were already discussed by Carl F. Gauss in 1798, and we will show that all Collatz trajectories contain some number belonging to the class 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mrow> 
        <mrow>
         <mo>
          [
         </mo> 
         <mn>
          4
         </mn> 
         <mo>
          ]
         </mo>
        </mrow>
       </mrow> 
       <mn>
        6
       </mn> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math> . Finally, we will prove that all numbers belonging to class 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mrow> 
        <mrow>
         <mo>
          [
         </mo> 
         <mn>
          4
         </mn> 
         <mo>
          ]
         </mo>
        </mrow>
       </mrow> 
       <mn>
        6
       </mn> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math> initiate trajectories that satisfy the conjecture. All this proves the first statement: The Collatz conjecture is true.
   </abstract>
   <kwd-group> 
    <kwd>
     Collatz Conjecture
    </kwd> 
    <kwd>
      Gaussian Arithmetic
    </kwd>
   </kwd-group>
  </article-meta>
 </front>
 <body>
  <sec id="s1">
   <title>1. Introduction</title>
   <p>In 1937 the German mathematician Lothar Collatz considered, for the set of positive integers 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
       N 
     </mi> 
    </math>, the function 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        C 
      </mi> 
      <mo>
        : 
      </mo> 
      <mi>
        N 
      </mi> 
      <mo>
        → 
      </mo> 
      <mi>
        N 
      </mi> 
     </mrow> 
    </math> defined by</p>
   <p>
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        C 
      </mi> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mi>
         k 
       </mi> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        : 
      </mo> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mrow> 
       <mo>
         { 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mtable columnalign="left"> 
         <mtr columnalign="left"> 
          <mtd columnalign="left"> 
           <mrow> 
            <mn>
              3 
            </mn> 
            <mi>
              k 
            </mi> 
            <mo>
              + 
            </mo> 
            <mn>
              1 
            </mn> 
           </mrow> 
          </mtd> 
          <mtd columnalign="left"> 
           <mrow> 
            <mtext>
              if 
            </mtext> 
            <mtext>
                
            </mtext> 
            <mi>
              k 
            </mi> 
            <mtext>
                
            </mtext> 
            <mtext>
              odd 
            </mtext> 
            <mo>
              , 
            </mo> 
           </mrow> 
          </mtd> 
         </mtr> 
         <mtr columnalign="left"> 
          <mtd columnalign="left"> 
           <mrow> 
            <mfrac> 
             <mi>
               k 
             </mi> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
            </mfrac> 
           </mrow> 
          </mtd> 
          <mtd columnalign="left"> 
           <mrow> 
            <mtext>
              if 
            </mtext> 
            <mtext>
                
            </mtext> 
            <mi>
              k 
            </mi> 
            <mtext>
                
            </mtext> 
            <mtext>
              even 
            </mtext> 
            <mo>
              . 
            </mo> 
           </mrow> 
          </mtd> 
         </mtr> 
        </mtable> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math></p>
   <p>Collatz conjectured that, for any starting point 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        k 
      </mi> 
      <mo>
        ∈ 
      </mo> 
      <mi>
        N 
      </mi> 
     </mrow> 
    </math>, the sequence obtained by successive applications of the function 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
       C 
     </mi> 
    </math> would eventually arrive at 1 (so that the cycle 4, 2,1 is repeated indefinitely).</p>
   <p>Numerical computation was used to prove that all numbers equal to or less than 2.95147⋅10<sup>20</sup> satisfy the Collatz conjecture; see <xref ref-type="bibr" rid="scirp.142989-1">
     [1]
    </xref>. The limits of the orbits have been studied in detail; see <xref ref-type="bibr" rid="scirp.142989-2">
     [2]
    </xref> <xref ref-type="bibr" rid="scirp.142989-3">
     [3]
    </xref>.</p>
   <p>A reduced conjecture, equivalent to the Collatz conjecture, has been proposed; see <xref ref-type="bibr" rid="scirp.142989-4">
     [4]
    </xref>.</p>
   <p>Finally, empirical-heuristic approaches to prove the conjecture have also been carried out using appropriate algorithms; see <xref ref-type="bibr" rid="scirp.142989-5">
     [5]
    </xref> and <xref ref-type="bibr" rid="scirp.142989-6">
     [6]
    </xref>.</p>
   <p>For a historical view of the study of the Collatz conjecture; see <xref ref-type="bibr" rid="scirp.142989-7">
     [7]
    </xref> and <xref ref-type="bibr" rid="scirp.142989-8">
     [8]
    </xref>.</p>
   <p>This approach to the Collatz conjecture is based on mathematics from the early nineteenth century. More specifically, we use the “number congruences in general” that were discussed by Carl F. Gauss already in 1798 and published in 1801, in chapter 1 of his Disquisitiones Arithmeticae <xref ref-type="bibr" rid="scirp.142989-9">
     [9]
    </xref>.</p>
   <p>The paper is organized as follows. In Section 2 we use residue classes modulo 6 to study the iterations of 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
       C 
     </mi> 
    </math>. Using these tools, in Section 3 we prove the Collatz conjecture.</p>
   <p>Notation</p>
   <p>1) 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
       ℤ 
     </mi> 
    </math>: the set of integers.</p>
   <p>2) 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        ℕ 
      </mi> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mrow> 
       <mo>
         { 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mi>
          k 
        </mi> 
        <mo>
          | 
        </mo> 
        <mi>
          k 
        </mi> 
        <mo>
          ∈ 
        </mo> 
        <mi>
          ℤ 
        </mi> 
        <mo>
          , 
        </mo> 
        <mi>
          k 
        </mi> 
        <mo>
          &gt; 
        </mo> 
        <mn>
          0 
        </mn> 
       </mrow> 
       <mo>
         } 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math>: the set of natural numbers.</p>
   <p>3) 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         ℕ 
       </mi> 
       <mn>
         0 
       </mn> 
      </msub> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mrow> 
       <mo>
         { 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mi>
          k 
        </mi> 
        <mo>
          | 
        </mo> 
        <mi>
          k 
        </mi> 
        <mo>
          ∈ 
        </mo> 
        <mi>
          ℤ 
        </mi> 
        <mo>
          , 
        </mo> 
        <mi>
          k 
        </mi> 
        <mo>
          ≥ 
        </mo> 
        <mn>
          0 
        </mn> 
       </mrow> 
       <mo>
         } 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math>: the set 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
       ℕ 
     </mi> 
    </math> including cero.</p>
   <p>4) 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           [ 
         </mo> 
         <mrow> 
          <msub> 
           <mi>
             k 
           </mi> 
           <mi>
             r 
           </mi> 
          </msub> 
         </mrow> 
         <mo>
           ] 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mn>
         6 
       </mn> 
      </msub> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mrow> 
       <mo>
         { 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mi>
          n 
        </mi> 
        <mo>
          | 
        </mo> 
        <mi>
          n 
        </mi> 
        <mo>
          ≡ 
        </mo> 
        <msub> 
         <mi>
           k 
         </mi> 
         <mi>
           r 
         </mi> 
        </msub> 
        <mtext>
            
        </mtext> 
        <mi>
          m 
        </mi> 
        <mi>
          o 
        </mi> 
        <mi>
          d 
        </mi> 
        <mn>
          .6 
        </mn> 
        <mo>
          , 
        </mo> 
        <mi>
          n 
        </mi> 
        <mo>
          ∈ 
        </mo> 
        <mi>
          ℕ 
        </mi> 
       </mrow> 
       <mo>
         } 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        , 
      </mo> 
      <mn>
        0 
      </mn> 
      <mo>
        ≤ 
      </mo> 
      <msub> 
       <mi>
         k 
       </mi> 
       <mi>
         r 
       </mi> 
      </msub> 
      <mo>
        &lt; 
      </mo> 
      <mn>
        6 
      </mn> 
     </mrow> 
    </math>, and also.</p>
   <p>5) 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           [ 
         </mo> 
         <mrow> 
          <msub> 
           <mi>
             k 
           </mi> 
           <mi>
             r 
           </mi> 
          </msub> 
         </mrow> 
         <mo>
           ] 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mn>
         6 
       </mn> 
      </msub> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mrow> 
       <mo>
         { 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mi>
          n 
        </mi> 
        <mo>
          | 
        </mo> 
        <mi>
          n 
        </mi> 
        <mo>
          = 
        </mo> 
        <mn>
          6 
        </mn> 
        <mi>
          k 
        </mi> 
        <mo>
          + 
        </mo> 
        <msub> 
         <mi>
           k 
         </mi> 
         <mi>
           r 
         </mi> 
        </msub> 
        <mo>
          , 
        </mo> 
        <mi>
          k 
        </mi> 
        <mo>
          ∈ 
        </mo> 
        <msub> 
         <mi>
           ℕ 
         </mi> 
         <mn>
           0 
         </mn> 
        </msub> 
       </mrow> 
       <mo>
         } 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        , 
      </mo> 
      <mn>
        0 
      </mn> 
      <mo>
        ≤ 
      </mo> 
      <msub> 
       <mi>
         k 
       </mi> 
       <mi>
         r 
       </mi> 
      </msub> 
      <mo>
        &lt; 
      </mo> 
      <mn>
        6 
      </mn> 
     </mrow> 
    </math>.</p>
  </sec><sec id="s2">
   <title>2. Trajectories, Transitions, Loops and Modular Arithmetic</title>
   <p>The problem in proving Collatz’ conjecture is that the number of trajectories is equal to the cardinality of 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
       ℕ 
     </mi> 
    </math>, which is infinite, 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mrow> 
       <mo>
         | 
       </mo> 
       <mi>
         ℕ 
       </mi> 
       <mo>
         | 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mi>
        ∞ 
      </mi> 
     </mrow> 
    </math>.</p>
   <p>To analyze and solve the problem without losing generality and completeness, we will use the congruences of natural numbers, modulo 6.</p>
   <p>In this section, let’s see the basic elements, trajectory, transition, and loop, as well as the concept and properties of the congruences that we will use in the proof.</p>
   <p>For 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        k 
      </mi> 
      <mo>
        ∈ 
      </mo> 
      <mi>
        N 
      </mi> 
     </mrow> 
    </math>, the Trajectory of 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
       k 
     </mi> 
    </math> is the sequence obtained by successively applying the function 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
       C 
     </mi> 
    </math> to 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
       k 
     </mi> 
    </math>. We will denote it by 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        T 
      </mi> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mi>
         k 
       </mi> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math>. Hence,</p>
   <p>
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        T 
      </mi> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mi>
         k 
       </mi> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        : 
      </mo> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <msubsup> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           { 
         </mo> 
         <mrow> 
          <msup> 
           <mi>
             C 
           </mi> 
           <mi>
             n 
           </mi> 
          </msup> 
          <mrow> 
           <mo>
             ( 
           </mo> 
           <mi>
             k 
           </mi> 
           <mo>
             ) 
           </mo> 
          </mrow> 
         </mrow> 
         <mo>
           } 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mrow> 
        <mi>
          n 
        </mi> 
        <mo>
          = 
        </mo> 
        <mn>
          0 
        </mn> 
       </mrow> 
       <mi>
         ∞ 
       </mi> 
      </msubsup> 
      <mo>
        , 
      </mo> 
      <mtext>
          
      </mtext> 
      <mtext>
          
      </mtext> 
      <mtext>
        where 
      </mtext> 
      <mtext>
          
      </mtext> 
      <msup> 
       <mi>
         C 
       </mi> 
       <mi>
         n 
       </mi> 
      </msup> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mi>
         k 
       </mi> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        : 
      </mo> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mrow> 
       <mo>
         { 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mtable columnalign="left"> 
         <mtr columnalign="left"> 
          <mtd columnalign="left"> 
           <mi>
             k 
           </mi> 
          </mtd> 
          <mtd columnalign="left"> 
           <mrow> 
            <mtext>
              if 
            </mtext> 
            <mtext>
                
            </mtext> 
            <mi>
              n 
            </mi> 
            <mo>
              = 
            </mo> 
            <mn>
              0 
            </mn> 
            <mo>
              , 
            </mo> 
           </mrow> 
          </mtd> 
         </mtr> 
         <mtr columnalign="left"> 
          <mtd columnalign="left"> 
           <mrow> 
            <mover> 
             <mover> 
              <mrow> 
               <mi>
                 C 
               </mi> 
               <mo>
                 ∘ 
               </mo> 
               <mi>
                 C 
               </mi> 
               <mo>
                 ⋯ 
               </mo> 
               <mo>
                 ∘ 
               </mo> 
               <mi>
                 C 
               </mi> 
              </mrow> 
              <mo stretchy="true">
                ︷ 
              </mo> 
             </mover> 
             <mrow> 
              <mi>
                n 
              </mi> 
              <mtext>
                  
              </mtext> 
              <mtext>
                times 
              </mtext> 
             </mrow> 
            </mover> 
            <mrow> 
             <mo>
               ( 
             </mo> 
             <mi>
               k 
             </mi> 
             <mo>
               ) 
             </mo> 
            </mrow> 
           </mrow> 
          </mtd> 
          <mtd columnalign="left"> 
           <mrow> 
            <mtext>
              for 
            </mtext> 
            <mtext>
                
            </mtext> 
            <mi>
              n 
            </mi> 
            <mo>
              ≥ 
            </mo> 
            <mn>
              1. 
            </mn> 
           </mrow> 
          </mtd> 
         </mtr> 
        </mtable> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math></p>
   <p>Then, 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        k 
      </mi> 
      <mo>
        ∈ 
      </mo> 
      <mi>
        N 
      </mi> 
     </mrow> 
    </math> satisfies the Collatz conjecture whenever 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mn>
        1 
      </mn> 
      <mo>
        ∈ 
      </mo> 
      <mi>
        T 
      </mi> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mi>
         k 
       </mi> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math>.</p>
   <p>As an example of a trajectory, here is the trajectory that begins with number 72.</p>
   <p>
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        T 
      </mi> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mn>
          72 
        </mn> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mrow> 
       <mo>
         { 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mn>
          72 
        </mn> 
        <mo>
          , 
        </mo> 
        <mn>
          36 
        </mn> 
        <mo>
          , 
        </mo> 
        <mn>
          18 
        </mn> 
        <mo>
          , 
        </mo> 
        <mn>
          9 
        </mn> 
        <mo>
          , 
        </mo> 
        <mn>
          28 
        </mn> 
        <mo>
          , 
        </mo> 
        <mn>
          14 
        </mn> 
        <mo>
          , 
        </mo> 
        <mn>
          7 
        </mn> 
        <mo>
          , 
        </mo> 
        <mn>
          22 
        </mn> 
        <mo>
          , 
        </mo> 
        <mn>
          11 
        </mn> 
        <mo>
          , 
        </mo> 
        <mn>
          34 
        </mn> 
        <mo>
          , 
        </mo> 
        <mn>
          17 
        </mn> 
        <mo>
          , 
        </mo> 
        <mn>
          52 
        </mn> 
        <mo>
          , 
        </mo> 
        <mn>
          26 
        </mn> 
        <mo>
          , 
        </mo> 
        <mn>
          13 
        </mn> 
        <mo>
          , 
        </mo> 
        <mn>
          40 
        </mn> 
        <mo>
          , 
        </mo> 
        <mn>
          20 
        </mn> 
        <mo>
          , 
        </mo> 
        <mn>
          10 
        </mn> 
        <mo>
          , 
        </mo> 
        <mn>
          5 
        </mn> 
        <mo>
          , 
        </mo> 
        <mn>
          16 
        </mn> 
        <mo>
          , 
        </mo> 
        <mn>
          8 
        </mn> 
        <mo>
          , 
        </mo> 
        <mn>
          4 
        </mn> 
        <mo>
          , 
        </mo> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
        <mo>
          , 
        </mo> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
        <mo>
          , 
        </mo> 
        <mo>
          ⋯ 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         } 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math></p>
   <p>The process is simple:</p>
   <p>72 is even, so we divide by 2 to get 36; 36 is even, so we divide by 2 to get 18; 18 is even, so we divide by 2 to get 9; 9 is odd, so we multiply by 3 and add 1 to get 28; 28 is even, so we divide by 2 to get 14; 14 is even, then we divide by 2 to get 7; 7 is odd, then we multiply by 3 and add 1 to get 22, and so on.</p>
   <p>As we can see, the trajectory is a sequence of numbers, apparently without any recognizable pattern, except that each number is followed by another, which is always the same, since the Collatz function is linear and that, by the definition of the function, every odd number is always followed by an even number.</p>
   <p>However, if we use congruences of natural numbers, the view of the structure of the trajectory changes completely. Patterns appear, which will allow us to tackle and complete the proof of the conjecture.</p>
   <p>So, we will now discuss congruences of natural numbers modulo 6, the concept and the properties that are relevant for the proof.</p>
   <p>Remark 1. Congruences of natural numbers modulo 6:</p>
   <p>1) General definition of congruences, modulo 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
       k 
     </mi> 
    </math>: 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
       m 
     </mi> 
    </math> is congruent to 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
       r 
     </mi> 
    </math>, modulo 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
       k 
     </mi> 
    </math>, ( 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        m 
      </mi> 
      <mo>
        ≡ 
      </mo> 
      <mi>
        r 
      </mi> 
     </mrow> 
    </math>), if 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        m 
      </mi> 
      <mo>
        − 
      </mo> 
      <mi>
        r 
      </mi> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mi>
        k 
      </mi> 
      <mi>
        n 
      </mi> 
     </mrow> 
    </math>, with 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        k 
      </mi> 
      <mo>
        , 
      </mo> 
      <mi>
        n 
      </mi> 
      <mo>
        ∈ 
      </mo> 
      <mi>
        ℕ 
      </mi> 
     </mrow> 
    </math>.</p>
   <p>2) The choice of 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        k 
      </mi> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mn>
        6 
      </mn> 
     </mrow> 
    </math> meets the following three criteria:</p>
   <p>a) Keep odd and even numbers in separate sets, as the definition of the conjecture does ( 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        k 
      </mi> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mn>
        5 
      </mn> 
     </mrow> 
    </math> does not).</p>
   <p>b) Contain, as representatives of the residue classes, the numbers 4, 2, and 1, which form the final loop of the conjecture.</p>
   <p>c) Facilitate the analysis necessary to find a set such that all trajectories contain at least one number belonging to that set. As we will see later, this will be one of the key points in proving the conjecture.</p>
   <p>3) In the following points, we will use module 6. Thus, if we rewrite, 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        m 
      </mi> 
      <mo>
        − 
      </mo> 
      <mi>
        r 
      </mi> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mn>
        6 
      </mn> 
      <mi>
        n 
      </mi> 
     </mrow> 
    </math> as 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        m 
      </mi> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mn>
        6 
      </mn> 
      <mi>
        n 
      </mi> 
      <mo>
        + 
      </mo> 
      <mi>
        r 
      </mi> 
     </mrow> 
    </math>, with 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        n 
      </mi> 
      <mo>
        ∈ 
      </mo> 
      <mi>
        ℕ 
      </mi> 
     </mrow> 
    </math>, we can restate the congruence of natural numbers modulo 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mn>
       6 
     </mn> 
    </math> as follows: 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
       m 
     </mi> 
    </math> is congruent to 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
       r 
     </mi> 
    </math>, modulo 6, ( 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        m 
      </mi> 
      <mo>
        ≡ 
      </mo> 
      <mi>
        r 
      </mi> 
     </mrow> 
    </math>), if 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
       r 
     </mi> 
    </math> is the remainder when 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
       m 
     </mi> 
    </math> is divided by 6.</p>
   <p>4) An equality relation between remainders satisfies the reflexive, symmetric, and transitive properties, so, by definition, it is an equivalence relation.</p>
   <p>5) The remainders of dividing any natural number by 6 are 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mrow> 
       <mo>
         { 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mn>
          0 
        </mn> 
        <mo>
          , 
        </mo> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
        <mo>
          , 
        </mo> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
        <mo>
          , 
        </mo> 
        <mn>
          3 
        </mn> 
        <mo>
          , 
        </mo> 
        <mn>
          4 
        </mn> 
        <mtext>
            
        </mtext> 
        <mtext>
          and 
        </mtext> 
        <mtext>
            
        </mtext> 
        <mn>
          5 
        </mn> 
       </mrow> 
       <mo>
         } 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math>. These numbers will be the representatives of the equivalence classes, also called residue classes. See notation 4.</p>
   <p>6) The residue classes are well defined by the arithmetic progressions of difference 6: 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           [ 
         </mo> 
         <mi>
           r 
         </mi> 
         <mo>
           ] 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mn>
         6 
       </mn> 
      </msub> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mn>
        6 
      </mn> 
      <mi>
        k 
      </mi> 
      <mo>
        + 
      </mo> 
      <mi>
        r 
      </mi> 
     </mrow> 
    </math>, with 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        k 
      </mi> 
      <mo>
        ∈ 
      </mo> 
      <msub> 
       <mi>
         ℕ 
       </mi> 
       <mn>
         0 
       </mn> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math>. See notation 5.</p>
   <p>7) Since, this is an equivalence relation, the 6 residue classes form a partition of 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
       ℕ 
     </mi> 
    </math> which is exhaustive, i.e. every 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        n 
      </mi> 
      <mo>
        ∈ 
      </mo> 
      <mi>
        ℕ 
      </mi> 
     </mrow> 
    </math> belongs to one of the classes. In other words, every natural number has a remainder when divided by 6, so, every natural number belongs to one of the residue classes.</p>
   <p>8) The general terms of these progressions, whatever the value of 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
       n 
     </mi> 
    </math> and 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
       r 
     </mi> 
    </math>, are natural numbers and, therefore, the Collatz function can be applied. In this sense, we can say that this function is applicable to residue classes: 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        C 
      </mi> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mn>
          6 
        </mn> 
        <mi>
          k 
        </mi> 
        <mo>
          + 
        </mo> 
        <mi>
          r 
        </mi> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mi>
        C 
      </mi> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <msub> 
         <mrow> 
          <mrow> 
           <mo>
             [ 
           </mo> 
           <mi>
             r 
           </mi> 
           <mo>
             ] 
           </mo> 
          </mrow> 
         </mrow> 
         <mn>
           6 
         </mn> 
        </msub> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math>. This allows us to define the transition between residue classes and describe a trajectory as a series of linked transitions.</p>
   <p>A Transition, denoted by,</p>
   <p>
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           [ 
         </mo> 
         <mrow> 
          <msub> 
           <mi>
             k 
           </mi> 
           <mn>
             1 
           </mn> 
          </msub> 
         </mrow> 
         <mo>
           ] 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mn>
         6 
       </mn> 
      </msub> 
      <mo>
        → 
      </mo> 
      <msub> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           [ 
         </mo> 
         <mrow> 
          <msub> 
           <mi>
             k 
           </mi> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
          </msub> 
         </mrow> 
         <mo>
           ] 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mn>
         6 
       </mn> 
      </msub> 
      <mo>
        , 
      </mo> 
      <mtext>
          
      </mtext> 
      <mtext>
          
      </mtext> 
      <mtext>
          
      </mtext> 
      <mn>
        0 
      </mn> 
      <mo>
        ≤ 
      </mo> 
      <msub> 
       <mi>
         k 
       </mi> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
      </msub> 
      <mo>
        , 
      </mo> 
      <msub> 
       <mi>
         k 
       </mi> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
      </msub> 
      <mo>
        &lt; 
      </mo> 
      <mn>
        6 
      </mn> 
      <mo>
        , 
      </mo> 
      <mo>
        ⋯ 
      </mo> 
     </mrow> 
    </math></p>
   <p>corresponds to the Collatz Function, which maps the residue class 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           [ 
         </mo> 
         <mrow> 
          <msub> 
           <mi>
             k 
           </mi> 
           <mn>
             1 
           </mn> 
          </msub> 
         </mrow> 
         <mo>
           ] 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mn>
         6 
       </mn> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math> into the residue class 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           [ 
         </mo> 
         <mrow> 
          <msub> 
           <mi>
             k 
           </mi> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
          </msub> 
         </mrow> 
         <mo>
           ] 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mn>
         6 
       </mn> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math>, that is, if 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        n 
      </mi> 
      <mo>
        ∈ 
      </mo> 
      <msub> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           [ 
         </mo> 
         <mrow> 
          <msub> 
           <mi>
             k 
           </mi> 
           <mn>
             1 
           </mn> 
          </msub> 
         </mrow> 
         <mo>
           ] 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mn>
         6 
       </mn> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math> then 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        C 
      </mi> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mi>
         n 
       </mi> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        ∈ 
      </mo> 
      <msub> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           [ 
         </mo> 
         <mrow> 
          <msub> 
           <mi>
             k 
           </mi> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
          </msub> 
         </mrow> 
         <mo>
           ] 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mn>
         6 
       </mn> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math>.</p>
   <p>The evolution of the trajectory, 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        T 
      </mi> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mn>
          72 
        </mn> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math> from the example above, as a sequence of transitions between residue classes, completely changes the view of the structure, since:</p>
   <p>Dividing 72 by 6 we get remainder 0, so dividing 36 by 6 we get remainder 0, so dividing 18 by 6 we get remainder 0, so dividing 9 by 6 we get remainder 3, so dividing 28 by 6 we get remainder 4, so dividing 14 by 6 we get remainder 2, so dividing 7 by 6 we get remainder 1, so dividing 22 by 6 we get remainder 4, so dividing 11 by 6 we get remainder 5, so dividing 34 by 6 we get remainder 4, so dividing 17 by 6 we get remainder 5, so dividing 52 by 6 we get remainder 4, and so on.</p>
   <p>Then,</p>
   <p>
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        T 
      </mi> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mtext>
          72 
        </mtext> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mrow> 
       <mo>
         { 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mn>
          0 
        </mn> 
        <mo>
          , 
        </mo> 
        <mn>
          0 
        </mn> 
        <mo>
          , 
        </mo> 
        <mn>
          0 
        </mn> 
        <mo>
          , 
        </mo> 
        <mtext>
          3 
        </mtext> 
        <mo>
          , 
        </mo> 
        <mtext>
          4 
        </mtext> 
        <mo>
          , 
        </mo> 
        <mtext>
          2 
        </mtext> 
        <mo>
          , 
        </mo> 
        <mtext>
          1 
        </mtext> 
        <mo>
          , 
        </mo> 
        <mtext>
          4 
        </mtext> 
        <mo>
          , 
        </mo> 
        <mtext>
          5 
        </mtext> 
        <mo>
          , 
        </mo> 
        <mtext>
          4 
        </mtext> 
        <mo>
          , 
        </mo> 
        <mtext>
          5 
        </mtext> 
        <mo>
          , 
        </mo> 
        <mtext>
          4 
        </mtext> 
        <mo>
          , 
        </mo> 
        <mtext>
          2 
        </mtext> 
        <mo>
          , 
        </mo> 
        <mtext>
          1 
        </mtext> 
        <mo>
          , 
        </mo> 
        <mtext>
          4 
        </mtext> 
        <mo>
          , 
        </mo> 
        <mtext>
          2 
        </mtext> 
        <mo>
          , 
        </mo> 
        <mtext>
          4 
        </mtext> 
        <mo>
          , 
        </mo> 
        <mtext>
          5 
        </mtext> 
        <mo>
          , 
        </mo> 
        <mtext>
          4 
        </mtext> 
        <mo>
          , 
        </mo> 
        <mtext>
          2 
        </mtext> 
        <mo>
          , 
        </mo> 
        <mtext>
          4 
        </mtext> 
        <mo>
          , 
        </mo> 
        <mtext>
          2 
        </mtext> 
        <mo>
          , 
        </mo> 
        <mtext>
          1, 
        </mtext> 
        <mo>
          ⋯ 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         } 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math></p>
   <p>Now, we can see the following patterns:</p>
   <p>a) The transitions of the even classes are: 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mn>
        0 
      </mn> 
      <mo>
        → 
      </mo> 
      <mn>
        0 
      </mn> 
     </mrow> 
    </math> or 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mn>
        0 
      </mn> 
      <mo>
        → 
      </mo> 
      <mn>
        3 
      </mn> 
     </mrow> 
    </math>; 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mn>
        2 
      </mn> 
      <mo>
        → 
      </mo> 
      <mn>
        1 
      </mn> 
     </mrow> 
    </math> or 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mn>
        2 
      </mn> 
      <mo>
        → 
      </mo> 
      <mn>
        4 
      </mn> 
     </mrow> 
    </math> and 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mn>
        4 
      </mn> 
      <mo>
        → 
      </mo> 
      <mn>
        2 
      </mn> 
     </mrow> 
    </math> or 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mn>
        4 
      </mn> 
      <mo>
        → 
      </mo> 
      <mn>
        5 
      </mn> 
     </mrow> 
    </math>.</p>
   <p>b) The transitions of the odd classes are: 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mn>
        1 
      </mn> 
      <mo>
        → 
      </mo> 
      <mn>
        4 
      </mn> 
     </mrow> 
    </math>; 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mn>
        3 
      </mn> 
      <mo>
        → 
      </mo> 
      <mn>
        4 
      </mn> 
     </mrow> 
    </math> and 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mn>
        5 
      </mn> 
      <mo>
        → 
      </mo> 
      <mn>
        4 
      </mn> 
     </mrow> 
    </math>.</p>
   <p>In Section 3, we will generalize these results to all possible trajectories, and we will see that, in any trajectory, there are only a maximum of 9 types of transitions, which we have just seen in 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        T 
      </mi> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mn>
          72 
        </mn> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math>. For this reason, it is important that we work with congruences, Module 6, since:</p>
   <p>1) We can draw a directed graph of these transitions, and</p>
   <p>2) We reduce the study of infinite trajectories to a continuous movement in that graph.</p>
   <p>3) Furthermore, it is shown that all trajectories, regardless of where they start, eventually reach residue class 4.</p>
   <p>A Loop, is a concatenation of transitions, which ends when the initial residue class reappears in the concatenation.</p>
   <p>The directed graph in Section 3 shows four loops:</p>
   <p>
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mn>
        0 
      </mn> 
      <mo>
        → 
      </mo> 
      <mn>
        0 
      </mn> 
      <mo>
        ; 
      </mo> 
      <mtext>
          
      </mtext> 
      <mtext>
          
      </mtext> 
      <mn>
        4 
      </mn> 
      <mo>
        → 
      </mo> 
      <mn>
        2 
      </mn> 
      <mo>
        → 
      </mo> 
      <mn>
        4 
      </mn> 
      <mo>
        ; 
      </mo> 
      <mtext>
          
      </mtext> 
      <mtext>
          
      </mtext> 
      <mn>
        4 
      </mn> 
      <mo>
        → 
      </mo> 
      <mn>
        2 
      </mn> 
      <mo>
        → 
      </mo> 
      <mn>
        1 
      </mn> 
      <mo>
        → 
      </mo> 
      <mn>
        4 
      </mn> 
      <mtext>
          
      </mtext> 
      <mtext>
          
      </mtext> 
      <mtext>
        and 
      </mtext> 
      <mtext>
          
      </mtext> 
      <mtext>
          
      </mtext> 
      <mn>
        4 
      </mn> 
      <mo>
        → 
      </mo> 
      <mn>
        5 
      </mn> 
      <mo>
        → 
      </mo> 
      <mn>
        4. 
      </mn> 
     </mrow> 
    </math></p>
   <p>Applying of proof by contradiction to loops 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mn>
        4 
      </mn> 
      <mo>
        → 
      </mo> 
      <mn>
        2 
      </mn> 
      <mo>
        → 
      </mo> 
      <mn>
        4 
      </mn> 
     </mrow> 
    </math> and 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mn>
        4 
      </mn> 
      <mo>
        → 
      </mo> 
      <mn>
        2 
      </mn> 
      <mo>
        → 
      </mo> 
      <mn>
        1 
      </mn> 
      <mo>
        → 
      </mo> 
      <mn>
        4 
      </mn> 
     </mrow> 
    </math>, and the principle of mathematical induction to loop 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mn>
        4 
      </mn> 
      <mo>
        → 
      </mo> 
      <mn>
        5 
      </mn> 
      <mo>
        → 
      </mo> 
      <mn>
        4 
      </mn> 
     </mrow> 
    </math>; we will complete the proof.</p>
  </sec><sec id="s3">
   <title>3. Proof of the Collatz Conjecture</title>
   <p>Proposition 1. Let be 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        n 
      </mi> 
      <mo>
        ∈ 
      </mo> 
      <mi>
        T 
      </mi> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mi>
         k 
       </mi> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math>, and let 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        T 
      </mi> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mi>
         n 
       </mi> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math> be the trajectory starting from 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
       n 
     </mi> 
    </math>, if 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        T 
      </mi> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mi>
         n 
       </mi> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math> satisfies the conjecture, then so does 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        T 
      </mi> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mi>
         k 
       </mi> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math>.</p>
   <p>Proof. By the definition of trajectory, if 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        n 
      </mi> 
      <mo>
        ∈ 
      </mo> 
      <mi>
        T 
      </mi> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mi>
         k 
       </mi> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math>, 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mo>
        ∃ 
      </mo> 
      <mo> 
      </mo> 
      <mo> 
      </mo> 
      <mi>
        i 
      </mi> 
      <mo>
        ∈ 
      </mo> 
      <mi>
        ℕ 
      </mi> 
     </mrow> 
    </math> such that 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msup> 
       <mi>
         C 
       </mi> 
       <mi>
         i 
       </mi> 
      </msup> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mi>
         k 
       </mi> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mi>
        n 
      </mi> 
     </mrow> 
    </math> and, from 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
       n 
     </mi> 
    </math>, it follows that 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msup> 
       <mi>
         C 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mi>
          i 
        </mi> 
        <mo>
          + 
        </mo> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
       </mrow> 
      </msup> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mi>
         k 
       </mi> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mi>
        C 
      </mi> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mi>
         n 
       </mi> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math> and 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msup> 
       <mi>
         C 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mi>
          i 
        </mi> 
        <mo>
          + 
        </mo> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
       </mrow> 
      </msup> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mi>
         k 
       </mi> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <msup> 
       <mi>
         C 
       </mi> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
      </msup> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mi>
         n 
       </mi> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math> and 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msup> 
       <mi>
         C 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mi>
          i 
        </mi> 
        <mo>
          + 
        </mo> 
        <mn>
          3 
        </mn> 
       </mrow> 
      </msup> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mi>
         k 
       </mi> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <msup> 
       <mi>
         C 
       </mi> 
       <mn>
         3 
       </mn> 
      </msup> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mi>
         n 
       </mi> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math> and so on.</p>
   <p>Then, from 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
       n 
     </mi> 
    </math>, 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        T 
      </mi> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mi>
         k 
       </mi> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math> and 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        T 
      </mi> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mi>
         n 
       </mi> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math> are equal. Thus, if 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        T 
      </mi> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mi>
         n 
       </mi> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math> satisfies the conjecture, then 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mn>
        1 
      </mn> 
      <mo>
        ∈ 
      </mo> 
      <mi>
        T 
      </mi> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mi>
         n 
       </mi> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math> and also 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mn>
        1 
      </mn> 
      <mo>
        ∈ 
      </mo> 
      <mi>
        T 
      </mi> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mi>
         k 
       </mi> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math>. Therefore 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        T 
      </mi> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mi>
         k 
       </mi> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math> also satisfies the conjecture. □</p>
   <p>Remark 2. According to this proposition 1 the steps to prove the conjecture are as follows:</p>
   <p>1) Find a set 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        S 
      </mi> 
      <mo>
        ⊂ 
      </mo> 
      <mi>
        N 
      </mi> 
     </mrow> 
    </math>, well defined, such that all 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        T 
      </mi> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mi>
         k 
       </mi> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math> contain some number 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        n 
      </mi> 
      <mo>
        ∈ 
      </mo> 
      <mi>
        S 
      </mi> 
     </mrow> 
    </math>.</p>
   <p>2) Prove that every 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        T 
      </mi> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mi>
         n 
       </mi> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math>, with 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        n 
      </mi> 
      <mo>
        ∈ 
      </mo> 
      <mi>
        S 
      </mi> 
     </mrow> 
    </math>, satisfies the Collatz conjecture.</p>
   <p>If we get these points, proposition 1 will complete the proof of the conjecture.</p>
   <p>Proposition 2. All trajectories 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        T 
      </mi> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mi>
         k 
       </mi> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math> contain numbers 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
       n 
     </mi> 
    </math> belonging to the residue class 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           [ 
         </mo> 
         <mn>
           4 
         </mn> 
         <mo>
           ] 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mn>
         6 
       </mn> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math>, independent of the starting number, since the following holds.</p>
   <p>1) 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           [ 
         </mo> 
         <mn>
           0 
         </mn> 
         <mo>
           ] 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mn>
         6 
       </mn> 
      </msub> 
      <mo>
        → 
      </mo> 
      <msub> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           [ 
         </mo> 
         <mn>
           0 
         </mn> 
         <mo>
           ] 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mn>
         6 
       </mn> 
      </msub> 
      <mo>
        ∪ 
      </mo> 
      <msub> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           [ 
         </mo> 
         <mn>
           3 
         </mn> 
         <mo>
           ] 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mn>
         6 
       </mn> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math>.</p>
   <p>2) 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           [ 
         </mo> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
         <mo>
           ] 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mn>
         6 
       </mn> 
      </msub> 
      <mo>
        → 
      </mo> 
      <msub> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           [ 
         </mo> 
         <mn>
           4 
         </mn> 
         <mo>
           ] 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mn>
         6 
       </mn> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math>.</p>
   <p>3) 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           [ 
         </mo> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
         <mo>
           ] 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mn>
         6 
       </mn> 
      </msub> 
      <mo>
        → 
      </mo> 
      <msub> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           [ 
         </mo> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
         <mo>
           ] 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mn>
         6 
       </mn> 
      </msub> 
      <mo>
        ∪ 
      </mo> 
      <msub> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           [ 
         </mo> 
         <mn>
           4 
         </mn> 
         <mo>
           ] 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mn>
         6 
       </mn> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math>.</p>
   <p>4) 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           [ 
         </mo> 
         <mn>
           3 
         </mn> 
         <mo>
           ] 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mn>
         6 
       </mn> 
      </msub> 
      <mo>
        → 
      </mo> 
      <msub> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           [ 
         </mo> 
         <mn>
           4 
         </mn> 
         <mo>
           ] 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mn>
         6 
       </mn> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math>.</p>
   <p>5) 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           [ 
         </mo> 
         <mn>
           4 
         </mn> 
         <mo>
           ] 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mn>
         6 
       </mn> 
      </msub> 
      <mo>
        → 
      </mo> 
      <msub> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           [ 
         </mo> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
         <mo>
           ] 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mn>
         6 
       </mn> 
      </msub> 
      <mo>
        ∪ 
      </mo> 
      <msub> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           [ 
         </mo> 
         <mn>
           5 
         </mn> 
         <mo>
           ] 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mn>
         6 
       </mn> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math>.</p>
   <p>6) 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           [ 
         </mo> 
         <mn>
           5 
         </mn> 
         <mo>
           ] 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mn>
         6 
       </mn> 
      </msub> 
      <mo>
        → 
      </mo> 
      <msub> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           [ 
         </mo> 
         <mn>
           4 
         </mn> 
         <mo>
           ] 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mn>
         6 
       </mn> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math>.</p>
   <p>Proof. According to notation 4, the residue classes, modulo 6, are as follows: 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           [ 
         </mo> 
         <mn>
           0 
         </mn> 
         <mo>
           ] 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mn>
         6 
       </mn> 
      </msub> 
      <mo>
        , 
      </mo> 
      <msub> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           [ 
         </mo> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
         <mo>
           ] 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mn>
         6 
       </mn> 
      </msub> 
      <mo>
        , 
      </mo> 
      <msub> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           [ 
         </mo> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
         <mo>
           ] 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mn>
         6 
       </mn> 
      </msub> 
      <mo>
        , 
      </mo> 
      <msub> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           [ 
         </mo> 
         <mn>
           3 
         </mn> 
         <mo>
           ] 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mn>
         6 
       </mn> 
      </msub> 
      <mo>
        , 
      </mo> 
      <msub> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           [ 
         </mo> 
         <mn>
           4 
         </mn> 
         <mo>
           ] 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mn>
         6 
       </mn> 
      </msub> 
      <mo>
        , 
      </mo> 
      <msub> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           [ 
         </mo> 
         <mn>
           5 
         </mn> 
         <mo>
           ] 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mn>
         6 
       </mn> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math>.</p>
   <p>Now we calculate the transition of each residue class by applying the Colaltz function to the corresponding general terms, see notation 5.</p>
   <p>1) We have 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        C 
      </mi> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mn>
          6 
        </mn> 
        <mi>
          k 
        </mi> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mrow> 
       <mrow> 
        <mn>
          6 
        </mn> 
        <mi>
          k 
        </mi> 
       </mrow> 
       <mo>
         / 
       </mo> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
      </mrow> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mn>
        3 
      </mn> 
      <mi>
        k 
      </mi> 
     </mrow> 
    </math>. Then, there are two alternatives:</p>
   <p>a) 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
       k 
     </mi> 
    </math> is even, then 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        k 
      </mi> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mn>
        2 
      </mn> 
      <msub> 
       <mi>
         k 
       </mi> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math> and so, 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        C 
      </mi> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mn>
          6 
        </mn> 
        <mi>
          k 
        </mi> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mn>
        3 
      </mn> 
      <mo>
        × 
      </mo> 
      <mn>
        2 
      </mn> 
      <msub> 
       <mi>
         k 
       </mi> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
      </msub> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mn>
        6 
      </mn> 
      <msub> 
       <mi>
         k 
       </mi> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
      </msub> 
      <mo>
        ∈ 
      </mo> 
      <msub> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           [ 
         </mo> 
         <mn>
           0 
         </mn> 
         <mo>
           ] 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mn>
         6 
       </mn> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math>.</p>
   <p>b) 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
       k 
     </mi> 
    </math> is odd, then 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        k 
      </mi> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mn>
        2 
      </mn> 
      <msub> 
       <mi>
         k 
       </mi> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
      </msub> 
      <mo>
        + 
      </mo> 
      <mn>
        1 
      </mn> 
     </mrow> 
    </math> and so, 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        C 
      </mi> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mn>
          6 
        </mn> 
        <mi>
          k 
        </mi> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mn>
        3 
      </mn> 
      <mo>
        × 
      </mo> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
        <msub> 
         <mi>
           k 
         </mi> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
        </msub> 
        <mo>
          + 
        </mo> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mn>
        6 
      </mn> 
      <msub> 
       <mi>
         k 
       </mi> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
      </msub> 
      <mo>
        + 
      </mo> 
      <mn>
        3 
      </mn> 
      <mo>
        ∈ 
      </mo> 
      <msub> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           [ 
         </mo> 
         <mn>
           3 
         </mn> 
         <mo>
           ] 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mn>
         6 
       </mn> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math>.</p>
   <p>2) We have 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        C 
      </mi> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mn>
          6 
        </mn> 
        <mi>
          k 
        </mi> 
        <mo>
          + 
        </mo> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mn>
        3 
      </mn> 
      <mo>
        × 
      </mo> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mn>
          6 
        </mn> 
        <mi>
          k 
        </mi> 
        <mo>
          + 
        </mo> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        + 
      </mo> 
      <mn>
        1 
      </mn> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mn>
        18 
      </mn> 
      <mi>
        k 
      </mi> 
      <mo>
        + 
      </mo> 
      <mn>
        4 
      </mn> 
      <mo>
        ∈ 
      </mo> 
      <msub> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           [ 
         </mo> 
         <mn>
           4 
         </mn> 
         <mo>
           ] 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mn>
         6 
       </mn> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math>.</p>
   <p>3) We have 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        C 
      </mi> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mn>
          6 
        </mn> 
        <mi>
          k 
        </mi> 
        <mo>
          + 
        </mo> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mrow> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mn>
            6 
          </mn> 
          <mi>
            k 
          </mi> 
          <mo>
            + 
          </mo> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
         </mrow> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mo>
         / 
       </mo> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
      </mrow> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mn>
        3 
      </mn> 
      <mi>
        k 
      </mi> 
      <mo>
        + 
      </mo> 
      <mn>
        1 
      </mn> 
     </mrow> 
    </math>. Then, there are two alternatives:</p>
   <p>a) 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
       k 
     </mi> 
    </math> is even, then 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        k 
      </mi> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mn>
        2 
      </mn> 
      <msub> 
       <mi>
         k 
       </mi> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math> and so, 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        C 
      </mi> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mn>
          6 
        </mn> 
        <mi>
          k 
        </mi> 
        <mo>
          + 
        </mo> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mn>
        3 
      </mn> 
      <mo>
        × 
      </mo> 
      <mn>
        2 
      </mn> 
      <msub> 
       <mi>
         k 
       </mi> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
      </msub> 
      <mo>
        + 
      </mo> 
      <mn>
        1 
      </mn> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mn>
        6 
      </mn> 
      <msub> 
       <mi>
         k 
       </mi> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
      </msub> 
      <mo>
        + 
      </mo> 
      <mn>
        1 
      </mn> 
      <mo>
        ∈ 
      </mo> 
      <msub> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           [ 
         </mo> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
         <mo>
           ] 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mn>
         6 
       </mn> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math>.</p>
   <p>b) 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
       k 
     </mi> 
    </math> is odd, then 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        k 
      </mi> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mn>
        2 
      </mn> 
      <msub> 
       <mi>
         k 
       </mi> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
      </msub> 
      <mo>
        + 
      </mo> 
      <mn>
        1 
      </mn> 
     </mrow> 
    </math> and so 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        C 
      </mi> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mn>
          6 
        </mn> 
        <mi>
          k 
        </mi> 
        <mo>
          + 
        </mo> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mn>
        3 
      </mn> 
      <mo>
        × 
      </mo> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
        <msub> 
         <mi>
           k 
         </mi> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
        </msub> 
        <mo>
          + 
        </mo> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        + 
      </mo> 
      <mn>
        1 
      </mn> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mn>
        6 
      </mn> 
      <msub> 
       <mi>
         k 
       </mi> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
      </msub> 
      <mo>
        + 
      </mo> 
      <mn>
        4 
      </mn> 
      <mo>
        ∈ 
      </mo> 
      <msub> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           [ 
         </mo> 
         <mn>
           4 
         </mn> 
         <mo>
           ] 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mn>
         6 
       </mn> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math>.</p>
   <p>4) We have 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        C 
      </mi> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mn>
          6 
        </mn> 
        <mi>
          k 
        </mi> 
        <mo>
          + 
        </mo> 
        <mn>
          3 
        </mn> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mn>
        3 
      </mn> 
      <mo>
        × 
      </mo> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mn>
          6 
        </mn> 
        <mi>
          k 
        </mi> 
        <mo>
          + 
        </mo> 
        <mn>
          3 
        </mn> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        + 
      </mo> 
      <mn>
        1 
      </mn> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mn>
        19 
      </mn> 
      <mi>
        k 
      </mi> 
      <mo>
        + 
      </mo> 
      <mn>
        4 
      </mn> 
      <mo>
        ∈ 
      </mo> 
      <msub> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           [ 
         </mo> 
         <mn>
           4 
         </mn> 
         <mo>
           ] 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mn>
         6 
       </mn> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math>.</p>
   <p>5) We have 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        C 
      </mi> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mn>
          6 
        </mn> 
        <mi>
          k 
        </mi> 
        <mo>
          + 
        </mo> 
        <mn>
          4 
        </mn> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mrow> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mn>
            6 
          </mn> 
          <mi>
            k 
          </mi> 
          <mo>
            + 
          </mo> 
          <mn>
            4 
          </mn> 
         </mrow> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mo>
         / 
       </mo> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
      </mrow> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mn>
        3 
      </mn> 
      <mi>
        k 
      </mi> 
      <mo>
        + 
      </mo> 
      <mn>
        2 
      </mn> 
     </mrow> 
    </math> Then, there are two alternatives:</p>
   <p>a) 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
       k 
     </mi> 
    </math> is even, then 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        k 
      </mi> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mn>
        2 
      </mn> 
      <msub> 
       <mi>
         k 
       </mi> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math> and so, 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        C 
      </mi> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mn>
          6 
        </mn> 
        <mi>
          k 
        </mi> 
        <mo>
          + 
        </mo> 
        <mn>
          4 
        </mn> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mn>
        3 
      </mn> 
      <mo>
        × 
      </mo> 
      <mn>
        2 
      </mn> 
      <msub> 
       <mi>
         k 
       </mi> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
      </msub> 
      <mo>
        + 
      </mo> 
      <mn>
        2 
      </mn> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mn>
        6 
      </mn> 
      <msub> 
       <mi>
         k 
       </mi> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
      </msub> 
      <mo>
        + 
      </mo> 
      <mn>
        2 
      </mn> 
      <mo>
        ∈ 
      </mo> 
      <msub> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           [ 
         </mo> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
         <mo>
           ] 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mn>
         6 
       </mn> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math>.</p>
   <p>b) 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
       k 
     </mi> 
    </math> is odd, then 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        k 
      </mi> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mn>
        2 
      </mn> 
      <msub> 
       <mi>
         k 
       </mi> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
      </msub> 
      <mo>
        + 
      </mo> 
      <mn>
        1 
      </mn> 
     </mrow> 
    </math> and so, 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        C 
      </mi> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mn>
          6 
        </mn> 
        <mi>
          k 
        </mi> 
        <mo>
          + 
        </mo> 
        <mn>
          4 
        </mn> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mn>
        3 
      </mn> 
      <mo>
        × 
      </mo> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
        <msub> 
         <mi>
           k 
         </mi> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
        </msub> 
        <mo>
          + 
        </mo> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        + 
      </mo> 
      <mn>
        2 
      </mn> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mn>
        6 
      </mn> 
      <msub> 
       <mi>
         k 
       </mi> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
      </msub> 
      <mo>
        + 
      </mo> 
      <mn>
        5 
      </mn> 
      <mo>
        ∈ 
      </mo> 
      <msub> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           [ 
         </mo> 
         <mn>
           5 
         </mn> 
         <mo>
           ] 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mn>
         6 
       </mn> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math>.</p>
   <p>6) We have 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        C 
      </mi> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mn>
          6 
        </mn> 
        <mi>
          k 
        </mi> 
        <mo>
          + 
        </mo> 
        <mn>
          5 
        </mn> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mn>
        3 
      </mn> 
      <mo>
        × 
      </mo> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mn>
          6 
        </mn> 
        <mi>
          k 
        </mi> 
        <mo>
          + 
        </mo> 
        <mn>
          5 
        </mn> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        + 
      </mo> 
      <mn>
        1 
      </mn> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mn>
        20 
      </mn> 
      <mi>
        k 
      </mi> 
      <mo>
        + 
      </mo> 
      <mn>
        4 
      </mn> 
      <mo>
        ∈ 
      </mo> 
      <msub> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           [ 
         </mo> 
         <mn>
           4 
         </mn> 
         <mo>
           ] 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mn>
         6 
       </mn> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math>.</p>
   <p>These results can be plotted on an oriented graph.</p>
   <fig id="fig1" position="float">
    <label>Figure 1</label>
    <caption>
     <title>Note that, the loop 

      <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
  
        <msub> 
   
         <mrow> 
    
          <mrow>
     
           <mo>
             [ 
           </mo> 
     
           <mn>
             0 
           </mn> 
     
           <mo>
             ] 
           </mo>
    
          </mrow>
   
         </mrow> 
   
         <mn>
          
    6
   
         </mn> 
  
        </msub> 
  
        <mo>
         
   →
  
        </mo>
  
        <msub> 
   
         <mrow> 
    
          <mrow>
     
           <mo>
             [ 
           </mo> 
     
           <mn>
             0 
           </mn> 
     
           <mo>
             ] 
           </mo>
    
          </mrow>
   
         </mrow> 
   
         <mn>
          
    6
   
         </mn> 
  
        </msub> 
 
       </mrow>

      </math> is finite, since every 

      <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
  
        <mi>
         
   k
  
        </mi>
  
        <mo>
         
   ∈
  
        </mo>
  
        <msub> 
   
         <mrow> 
    
          <mrow>
     
           <mo>
             [ 
           </mo> 
     
           <mn>
             0 
           </mn> 
     
           <mo>
             ] 
           </mo>
    
          </mrow>
   
         </mrow> 
   
         <mn>
          
    6
   
         </mn> 
  
        </msub> 
 
       </mrow>

      </math> can be factored as 

      <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
  
        <mi>
         
   k
  
        </mi>
  
        <mo>
         
   =
  
        </mo>
  
        <msup> 
   
         <mn>
          
    2
   
         </mn> 
   
         <mi>
          
    m
   
         </mi> 
  
        </msup> 
  
        <mo>
         
   ×
  
        </mo>
  
        <msup> 
   
         <mn>
          
    3
   
         </mn> 
   
         <mi>
          
    r
   
         </mi> 
  
        </msup> 
  
        <mo>
         
   ×
  
        </mo>
  
        <mrow>
   
         <mo>
          
    (
   
         </mo> 
   
         <mrow> 
    
          <mtext>
           
     odd number
    
          </mtext>
   
         </mrow> 
   
         <mo>
          
    )
   
         </mo>
  
        </mrow>
 
       </mrow>

      </math> and is not repeated after 

      <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
        
  m
 
       </mi>

      </math> repetitions.So, all trajectories 

      <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
  
        <mi>
         
   T
  
        </mi>
  
        <mrow>
   
         <mo>
          
    (
   
         </mo> 
   
         <mi>
          
    k
   
         </mi> 
   
         <mo>
          
    )
   
         </mo>
  
        </mrow>
 
       </mrow>

      </math> contain numbers 

      <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
        
  n
 
       </mi>

      </math> belonging to the residue class 

      <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
  
        <msub> 
   
         <mrow> 
    
          <mrow>
     
           <mo>
             [ 
           </mo> 
     
           <mn>
             4 
           </mn> 
     
           <mo>
             ] 
           </mo>
    
          </mrow>
   
         </mrow> 
   
         <mn>
          
    6
   
         </mn> 
  
        </msub> 
 
       </mrow>

      </math>, independent of the starting number. □In the following propositions 3 and 4 we will answer remark 2 (ii).The oriented graph of proposition 2 also shows that, all 

      <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
  
        <mi>
         
   T
  
        </mi>
  
        <mrow>
   
         <mo>
          
    (
   
         </mo> 
   
         <mi>
          
    n
   
         </mi> 
   
         <mo>
          
    )
   
         </mo>
  
        </mrow>
 
       </mrow>

      </math>, where 

      <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
  
        <mi>
         
   n
  
        </mi>
  
        <mo>
         
   ∈
  
        </mo>
  
        <msub> 
   
         <mrow> 
    
          <mrow>
     
           <mo>
             [ 
           </mo> 
     
           <mn>
             4 
           </mn> 
     
           <mo>
             ] 
           </mo>
    
          </mrow>
   
         </mrow> 
   
         <mn>
          
    6
   
         </mn> 
  
        </msub> 
 
       </mrow>

      </math>, always start with one of the following sequences of terms,either 

      <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
  
        <mi>
         
   n
  
        </mi>
  
        <mo>
         
   ,
  
        </mo>
  
        <mfrac> 
   
         <mi>
          
    n
   
         </mi> 
   
         <mn>
          
    2
   
         </mn> 
  
        </mfrac> 
  
        <mo>
         
   ,
  
        </mo>
  
        <mfrac> 
   
         <mi>
          
    n
   
         </mi> 
   
         <mn>
          
    4
   
         </mn> 
  
        </mfrac> 
  
        <mo>
         
   ,
  
        </mo>
  
        <mo>
         
   ⋯
  
        </mo>
 
       </mrow>

      </math> or 

      <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
  
        <mi>
         
   n
  
        </mi>
  
        <mo>
         
   ,
  
        </mo>
  
        <mfrac> 
   
         <mi>
          
    n
   
         </mi> 
   
         <mn>
          
    2
   
         </mn> 
  
        </mfrac> 
  
        <mo>
         
   ,
  
        </mo>
  
        <mfrac> 
   
         <mi>
          
    n
   
         </mi> 
   
         <mn>
          
    4
   
         </mn> 
  
        </mfrac> 
  
        <mo>
         
   ,
  
        </mo>
  
        <mn>
         
   3
  
        </mn>
  
        <mfrac> 
   
         <mi>
          
    n
   
         </mi> 
   
         <mn>
          
    4
   
         </mn> 
  
        </mfrac> 
  
        <mo>
         
   +
  
        </mo>
  
        <mn>
         
   1
  
        </mn>
  
        <mo>
         
   ,
  
        </mo>
  
        <mo>
         
   ⋯
  
        </mo>
 
       </mrow>

      </math> or 

      <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
  
        <mi>
         
   n
  
        </mi>
  
        <mo>
         
   ,
  
        </mo>
  
        <mn>
         
   3
  
        </mn>
  
        <mi>
         
   n
  
        </mi>
  
        <mo>
         
   +
  
        </mo>
  
        <mn>
         
   1
  
        </mn>
  
        <mo>
         
   ,
  
        </mo>
  
        <mfrac> 
   
         <mrow> 
    
          <mn>
           
     3
    
          </mn>
    
          <mi>
           
     n
    
          </mi>
    
          <mo>
           
     +
    
          </mo>
    
          <mn>
           
     1
    
          </mn>
   
         </mrow> 
   
         <mn>
          
    2
   
         </mn> 
  
        </mfrac> 
  
        <mo>
         
   ,
  
        </mo>
  
        <mo>
         
   ⋯
  
        </mo>
 
       </mrow>

      </math>corresponding to the loops,either 

      <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
  
        <msub> 
   
         <mrow> 
    
          <mrow>
     
           <mo>
             [ 
           </mo> 
     
           <mn>
             4 
           </mn> 
     
           <mo>
             ] 
           </mo>
    
          </mrow>
   
         </mrow> 
   
         <mn>
          
    6
   
         </mn> 
  
        </msub> 
  
        <mo>
         
   →
  
        </mo>
  
        <msub> 
   
         <mrow> 
    
          <mrow>
     
           <mo>
             [ 
           </mo> 
     
           <mn>
             2 
           </mn> 
     
           <mo>
             ] 
           </mo>
    
          </mrow>
   
         </mrow> 
   
         <mn>
          
    6
   
         </mn> 
  
        </msub> 
  
        <mo>
         
   →
  
        </mo>
  
        <msub> 
   
         <mrow> 
    
          <mrow>
     
           <mo>
             [ 
           </mo> 
     
           <mn>
             4 
           </mn> 
     
           <mo>
             ] 
           </mo>
    
          </mrow>
   
         </mrow> 
   
         <mn>
          
    6
   
         </mn> 
  
        </msub> 
 
       </mrow>

      </math> or 

      <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
  
        <msub> 
   
         <mrow> 
    
          <mrow>
     
           <mo>
             [ 
           </mo> 
     
           <mn>
             4 
           </mn> 
     
           <mo>
             ] 
           </mo>
    
          </mrow>
   
         </mrow> 
   
         <mn>
          
    6
   
         </mn> 
  
        </msub> 
  
        <mo>
         
   →
  
        </mo>
  
        <msub> 
   
         <mrow> 
    
          <mrow>
     
           <mo>
             [ 
           </mo> 
     
           <mn>
             2 
           </mn> 
     
           <mo>
             ] 
           </mo>
    
          </mrow>
   
         </mrow> 
   
         <mn>
          
    6
   
         </mn> 
  
        </msub> 
  
        <mo>
         
   →
  
        </mo>
  
        <msub> 
   
         <mrow> 
    
          <mrow>
     
           <mo>
             [ 
           </mo> 
     
           <mn>
             1 
           </mn> 
     
           <mo>
             ] 
           </mo>
    
          </mrow>
   
         </mrow> 
   
         <mn>
          
    6
   
         </mn> 
  
        </msub> 
  
        <mo>
         
   →
  
        </mo>
  
        <msub> 
   
         <mrow> 
    
          <mrow>
     
           <mo>
             [ 
           </mo> 
     
           <mn>
             4 
           </mn> 
     
           <mo>
             ] 
           </mo>
    
          </mrow>
   
         </mrow> 
   
         <mn>
          
    6
   
         </mn> 
  
        </msub> 
 
       </mrow>

      </math> or 

      <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
  
        <msub> 
   
         <mrow> 
    
          <mrow>
     
           <mo>
             [ 
           </mo> 
     
           <mn>
             4 
           </mn> 
     
           <mo>
             ] 
           </mo>
    
          </mrow>
   
         </mrow> 
   
         <mn>
          
    6
   
         </mn> 
  
        </msub> 
  
        <mo>
         
   →
  
        </mo>
  
        <msub> 
   
         <mrow> 
    
          <mrow>
     
           <mo>
             [ 
           </mo> 
     
           <mn>
             5 
           </mn> 
     
           <mo>
             ] 
           </mo>
    
          </mrow>
   
         </mrow> 
   
         <mn>
          
    6
   
         </mn> 
  
        </msub> 
  
        <mo>
         
   →
  
        </mo>
  
        <msub> 
   
         <mrow> 
    
          <mrow>
     
           <mo>
             [ 
           </mo> 
     
           <mn>
             4 
           </mn> 
     
           <mo>
             ] 
           </mo>
    
          </mrow>
   
         </mrow> 
   
         <mn>
          
    6
   
         </mn> 
  
        </msub> 
 
       </mrow>

      </math>.Proposition 3. A trajectory 

      <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
  
        <mi>
         
   T
  
        </mi>
  
        <mrow>
   
         <mo>
          
    (
   
         </mo> 
   
         <mi>
          
    n
   
         </mi> 
   
         <mo>
          
    )
   
         </mo>
  
        </mrow>
 
       </mrow>

      </math>, where 

      <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
  
        <mi>
         
   n
  
        </mi>
  
        <mo>
         
   ∈
  
        </mo>
  
        <msub> 
   
         <mrow> 
    
          <mrow>
     
           <mo>
             [ 
           </mo> 
     
           <mn>
             4 
           </mn> 
     
           <mo>
             ] 
           </mo>
    
          </mrow>
   
         </mrow> 
   
         <mn>
          
    6
   
         </mn> 
  
        </msub> 
 
       </mrow>

      </math>, starting with loops either 

      <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
  
        <msub> 
   
         <mrow> 
    
          <mrow>
     
           <mo>
             [ 
           </mo> 
     
           <mn>
             4 
           </mn> 
     
           <mo>
             ] 
           </mo>
    
          </mrow>
   
         </mrow> 
   
         <mn>
          
    6
   
         </mn> 
  
        </msub> 
  
        <mo>
         
   →
  
        </mo>
  
        <msub> 
   
         <mrow> 
    
          <mrow>
     
           <mo>
             [ 
           </mo> 
     
           <mn>
             2 
           </mn> 
     
           <mo>
             ] 
           </mo>
    
          </mrow>
   
         </mrow> 
   
         <mn>
          
    6
   
         </mn> 
  
        </msub> 
  
        <mo>
         
   →
  
        </mo>
  
        <msub> 
   
         <mrow> 
    
          <mrow>
     
           <mo>
             [ 
           </mo> 
     
           <mn>
             4 
           </mn> 
     
           <mo>
             ] 
           </mo>
    
          </mrow>
   
         </mrow> 
   
         <mn>
          
    6
   
         </mn> 
  
        </msub> 
 
       </mrow>

      </math> or 

      <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
  
        <msub> 
   
         <mrow> 
    
          <mrow>
     
           <mo>
             [ 
           </mo> 
     
           <mn>
             4 
           </mn> 
     
           <mo>
             ] 
           </mo>
    
          </mrow>
   
         </mrow> 
   
         <mn>
          
    6
   
         </mn> 
  
        </msub> 
  
        <mo>
         
   →
  
        </mo>
  
        <msub> 
   
         <mrow> 
    
          <mrow>
     
           <mo>
             [ 
           </mo> 
     
           <mn>
             2 
           </mn> 
     
           <mo>
             ] 
           </mo>
    
          </mrow>
   
         </mrow> 
   
         <mn>
          
    6
   
         </mn> 
  
        </msub> 
  
        <mo>
         
   →
  
        </mo>
  
        <msub> 
   
         <mrow> 
    
          <mrow>
     
           <mo>
             [ 
           </mo> 
     
           <mn>
             1 
           </mn> 
     
           <mo>
             ] 
           </mo>
    
          </mrow>
   
         </mrow> 
   
         <mn>
          
    6
   
         </mn> 
  
        </msub> 
  
        <mo>
         
   →
  
        </mo>
  
        <msub> 
   
         <mrow> 
    
          <mrow>
     
           <mo>
             [ 
           </mo> 
     
           <mn>
             4 
           </mn> 
     
           <mo>
             ] 
           </mo>
    
          </mrow>
   
         </mrow> 
   
         <mn>
          
    6
   
         </mn> 
  
        </msub> 
 
       </mrow>

      </math> satisfies the Collatz conjecture.Proof. Suppose, by way of contradiction, that 

      <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
        
  n
 
       </mi>

      </math> is the smallest term, belonging to 

      <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
  
        <msub> 
   
         <mrow> 
    
          <mrow>
     
           <mo>
             [ 
           </mo> 
     
           <mn>
             4 
           </mn> 
     
           <mo>
             ] 
           </mo>
    
          </mrow>
   
         </mrow> 
   
         <mn>
          
    6
   
         </mn> 
  
        </msub> 
 
       </mrow>

      </math>, that starts a trajectory, 

      <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
  
        <mi>
         
   T
  
        </mi>
  
        <mrow>
   
         <mo>
          
    (
   
         </mo> 
   
         <mi>
          
    n
   
         </mi> 
   
         <mo>
          
    )
   
         </mo>
  
        </mrow>
 
       </mrow>

      </math>, that does not satisfy the Collatz conjecture and, moreover, begins with the loop 

      <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
  
        <msub> 
   
         <mrow> 
    
          <mrow>
     
           <mo>
             [ 
           </mo> 
     
           <mn>
             4 
           </mn> 
     
           <mo>
             ] 
           </mo>
    
          </mrow>
   
         </mrow> 
   
         <mn>
          
    6
   
         </mn> 
  
        </msub> 
  
        <mo>
         
   →
  
        </mo>
  
        <msub> 
   
         <mrow> 
    
          <mrow>
     
           <mo>
             [ 
           </mo> 
     
           <mn>
             2 
           </mn> 
     
           <mo>
             ] 
           </mo>
    
          </mrow>
   
         </mrow> 
   
         <mn>
          
    6
   
         </mn> 
  
        </msub> 
  
        <mo>
         
   →
  
        </mo>
  
        <msub> 
   
         <mrow> 
    
          <mrow>
     
           <mo>
             [ 
           </mo> 
     
           <mn>
             4 
           </mn> 
     
           <mo>
             ] 
           </mo>
    
          </mrow>
   
         </mrow> 
   
         <mn>
          
    6
   
         </mn> 
  
        </msub> 
 
       </mrow>

      </math>. That is, the sequence of terms
      <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
  
        <mi>
         
   n
  
        </mi>
  
        <mo>
         
   ,
  
        </mo>
  
        <mfrac> 
   
         <mi>
          
    n
   
         </mi> 
   
         <mn>
          
    2
   
         </mn> 
  
        </mfrac> 
  
        <mo>
         
   ,
  
        </mo>
  
        <mfrac> 
   
         <mi>
          
    n
   
         </mi> 
   
         <mn>
          
    4
   
         </mn> 
  
        </mfrac> 
  
        <mo>
         
   ,
  
        </mo>
  
        <mo>
         
   ⋯
  
        </mo>
 
       </mrow>

      </math></title>
    </caption>
    <graphic mimetype="image" position="float" xlink:type="simple" xlink:href="https://html.scirp.org/file/1724175-rId277.jpeg?20250530104444" />
   </fig>
   <p>and 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        n 
      </mi> 
      <mo>
        &gt; 
      </mo> 
      <mn>
        4 
      </mn> 
     </mrow> 
    </math>.</p>
   <p>Note that under this assumption no term in 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        T 
      </mi> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mi>
         n 
       </mi> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math> satisfies the Collatz conjecture. But,</p>
   <p>
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mfrac> 
       <mi>
         n 
       </mi> 
       <mn>
         4 
       </mn> 
      </mfrac> 
      <mo>
        ∈ 
      </mo> 
      <msub> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           [ 
         </mo> 
         <mn>
           4 
         </mn> 
         <mo>
           ] 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mn>
         6 
       </mn> 
      </msub> 
      <mtext>
          
      </mtext> 
      <mtext>
          
      </mtext> 
      <mtext>
        and 
      </mtext> 
      <mtext>
          
      </mtext> 
      <mtext>
          
      </mtext> 
      <mfrac> 
       <mi>
         n 
       </mi> 
       <mn>
         4 
       </mn> 
      </mfrac> 
      <mo>
        &lt; 
      </mo> 
      <mi>
        n 
      </mi> 
      <mo>
        . 
      </mo> 
     </mrow> 
    </math></p>
   <p>However, this contradicts the assumption that 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
       n 
     </mi> 
    </math> is the smallest term that starts a trajectory 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        T 
      </mi> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mi>
         n 
       </mi> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math>, which does not satisfy the Collatz conjecture. Therefore, 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        T 
      </mi> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mi>
         n 
       </mi> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math> satisfies the Collatz Conjecture.</p>
   <p>Consider a similar situation, 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        T 
      </mi> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mi>
         n 
       </mi> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math> does not satisfy the Collatz conjecture but, now, starts with the loop 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           [ 
         </mo> 
         <mn>
           4 
         </mn> 
         <mo>
           ] 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mn>
         6 
       </mn> 
      </msub> 
      <mo>
        → 
      </mo> 
      <msub> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           [ 
         </mo> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
         <mo>
           ] 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mn>
         6 
       </mn> 
      </msub> 
      <mo>
        → 
      </mo> 
      <msub> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           [ 
         </mo> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
         <mo>
           ] 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mn>
         6 
       </mn> 
      </msub> 
      <mo>
        → 
      </mo> 
      <msub> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           [ 
         </mo> 
         <mn>
           4 
         </mn> 
         <mo>
           ] 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mn>
         6 
       </mn> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math>. That is, it starts with the sequence of terms</p>
   <p>
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        n 
      </mi> 
      <mo>
        , 
      </mo> 
      <mfrac> 
       <mi>
         n 
       </mi> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
      </mfrac> 
      <mo>
        , 
      </mo> 
      <mfrac> 
       <mi>
         n 
       </mi> 
       <mn>
         4 
       </mn> 
      </mfrac> 
      <mo>
        , 
      </mo> 
      <mn>
        3 
      </mn> 
      <mfrac> 
       <mi>
         n 
       </mi> 
       <mn>
         4 
       </mn> 
      </mfrac> 
      <mo>
        + 
      </mo> 
      <mn>
        1 
      </mn> 
      <mo>
        , 
      </mo> 
      <mo>
        ⋯ 
      </mo> 
     </mrow> 
    </math></p>
   <p>and 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        n 
      </mi> 
      <mo>
        &gt; 
      </mo> 
      <mn>
        4 
      </mn> 
     </mrow> 
    </math>.</p>
   <p>Then,</p>
   <p>
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mn>
        3 
      </mn> 
      <mfrac> 
       <mi>
         n 
       </mi> 
       <mn>
         4 
       </mn> 
      </mfrac> 
      <mo>
        + 
      </mo> 
      <mn>
        1 
      </mn> 
      <mo>
        ∈ 
      </mo> 
      <msub> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           [ 
         </mo> 
         <mn>
           4 
         </mn> 
         <mo>
           ] 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mn>
         6 
       </mn> 
      </msub> 
      <mtext>
          
      </mtext> 
      <mtext>
          
      </mtext> 
      <mtext>
        and 
      </mtext> 
      <mtext>
          
      </mtext> 
      <mtext>
          
      </mtext> 
      <mn>
        3 
      </mn> 
      <mfrac> 
       <mi>
         n 
       </mi> 
       <mn>
         4 
       </mn> 
      </mfrac> 
      <mo>
        + 
      </mo> 
      <mn>
        1 
      </mn> 
      <mo>
        &lt; 
      </mo> 
      <mi>
        n 
      </mi> 
      <mo>
        . 
      </mo> 
     </mrow> 
    </math></p>
   <p>This also contradicts the assumption of 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
       n 
     </mi> 
    </math> is the smallest term that starts a trajectory 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        T 
      </mi> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mi>
         n 
       </mi> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math>, which does not satisfy the Collatz conjecture. Therefore, 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        T 
      </mi> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mi>
         n 
       </mi> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math> satisfies the Collatz Conjecture. □</p>
   <p>Corollary 1. A trajectory containing terms from the residue class 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           [ 
         </mo> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
         <mo>
           ] 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mn>
         6 
       </mn> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math> satisfies the Collatz conjecture.</p>
   <p>Proof. Numbers in the residue class 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           [ 
         </mo> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
         <mo>
           ] 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mn>
         6 
       </mn> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math> are necessarily and exclusively part of the loops either 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           [ 
         </mo> 
         <mn>
           4 
         </mn> 
         <mo>
           ] 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mn>
         6 
       </mn> 
      </msub> 
      <mo>
        → 
      </mo> 
      <msub> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           [ 
         </mo> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
         <mo>
           ] 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mn>
         6 
       </mn> 
      </msub> 
      <mo>
        → 
      </mo> 
      <msub> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           [ 
         </mo> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
         <mo>
           ] 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mn>
         6 
       </mn> 
      </msub> 
      <mo>
        → 
      </mo> 
      <msub> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           [ 
         </mo> 
         <mn>
           4 
         </mn> 
         <mo>
           ] 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mn>
         6 
       </mn> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math> or 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           [ 
         </mo> 
         <mn>
           4 
         </mn> 
         <mo>
           ] 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mn>
         6 
       </mn> 
      </msub> 
      <mo>
        → 
      </mo> 
      <msub> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           [ 
         </mo> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
         <mo>
           ] 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mn>
         6 
       </mn> 
      </msub> 
      <mo>
        → 
      </mo> 
      <msub> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           [ 
         </mo> 
         <mn>
           4 
         </mn> 
         <mo>
           ] 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mn>
         6 
       </mn> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math>, and any trajectory which contains any of these loops and, thus numbers of class 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           [ 
         </mo> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
         <mo>
           ] 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mn>
         6 
       </mn> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math>, satisfies the Collatz conjecture by Proposition 3. □</p>
   <p>We now consider 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        T 
      </mi> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mi>
         n 
       </mi> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math>, where 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        n 
      </mi> 
      <mo>
        ∈ 
      </mo> 
      <msub> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           [ 
         </mo> 
         <mn>
           4 
         </mn> 
         <mo>
           ] 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mn>
         6 
       </mn> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math>, stating with the loop 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           [ 
         </mo> 
         <mn>
           4 
         </mn> 
         <mo>
           ] 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mn>
         6 
       </mn> 
      </msub> 
      <mo>
        → 
      </mo> 
      <msub> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           [ 
         </mo> 
         <mn>
           5 
         </mn> 
         <mo>
           ] 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mn>
         6 
       </mn> 
      </msub> 
      <mo>
        → 
      </mo> 
      <msub> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           [ 
         </mo> 
         <mn>
           4 
         </mn> 
         <mo>
           ] 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mn>
         6 
       </mn> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math>.</p>
   <p>Proposition 4. A trajectory 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        T 
      </mi> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mi>
         n 
       </mi> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math>, where 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        n 
      </mi> 
      <mo>
        ∈ 
      </mo> 
      <msub> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           [ 
         </mo> 
         <mn>
           4 
         </mn> 
         <mo>
           ] 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mn>
         6 
       </mn> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math>, starting with the loop 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           [ 
         </mo> 
         <mn>
           4 
         </mn> 
         <mo>
           ] 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mn>
         6 
       </mn> 
      </msub> 
      <mo>
        → 
      </mo> 
      <msub> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           [ 
         </mo> 
         <mn>
           5 
         </mn> 
         <mo>
           ] 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mn>
         6 
       </mn> 
      </msub> 
      <mo>
        → 
      </mo> 
      <msub> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           [ 
         </mo> 
         <mn>
           4 
         </mn> 
         <mo>
           ] 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mn>
         6 
       </mn> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math> cannot repeat it an infinite number of times in a row and, therefore, it satisfies the Conjecture.</p>
   <p>Proof. Consider a trajectory of the form 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        T 
      </mi> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <msub> 
         <mi>
           n 
         </mi> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
        </msub> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mrow> 
       <mo>
         { 
       </mo> 
       <mrow> 
        <msub> 
         <mi>
           n 
         </mi> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
        </msub> 
        <mo>
          , 
        </mo> 
        <msub> 
         <mi>
           m 
         </mi> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
        </msub> 
        <mo>
          , 
        </mo> 
        <msub> 
         <mi>
           n 
         </mi> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
        </msub> 
        <mo>
          , 
        </mo> 
        <msub> 
         <mi>
           m 
         </mi> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
        </msub> 
        <mo>
          , 
        </mo> 
        <mo>
          ⋯ 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         } 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math>, for 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         n 
       </mi> 
       <mi>
         i 
       </mi> 
      </msub> 
      <mo>
        ∈ 
      </mo> 
      <msub> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           [ 
         </mo> 
         <mn>
           4 
         </mn> 
         <mo>
           ] 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mn>
         6 
       </mn> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math> and 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         m 
       </mi> 
       <mi>
         i 
       </mi> 
      </msub> 
      <mo>
        ∈ 
      </mo> 
      <msub> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           [ 
         </mo> 
         <mn>
           5 
         </mn> 
         <mo>
           ] 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mn>
         6 
       </mn> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math>, for all 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        i 
      </mi> 
      <mo>
        ≥ 
      </mo> 
      <mn>
        1 
      </mn> 
     </mrow> 
    </math>.</p>
   <p>Then, we take the first three elements of the trajectory 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        T 
      </mi> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <msub> 
         <mi>
           n 
         </mi> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
        </msub> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math></p>
   <p>
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <msub> 
         <mi>
           n 
         </mi> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
        </msub> 
        <mo>
          , 
        </mo> 
        <msub> 
         <mi>
           m 
         </mi> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
        </msub> 
        <mo>
          , 
        </mo> 
        <msub> 
         <mi>
           n 
         </mi> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
        </msub> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mn>
          6 
        </mn> 
        <msub> 
         <mi>
           k 
         </mi> 
         <mn>
           0 
         </mn> 
        </msub> 
        <mo>
          + 
        </mo> 
        <mn>
          4 
        </mn> 
        <mo>
          , 
        </mo> 
        <mfrac> 
         <mrow> 
          <mn>
            6 
          </mn> 
          <msub> 
           <mi>
             k 
           </mi> 
           <mn>
             0 
           </mn> 
          </msub> 
          <mo>
            + 
          </mo> 
          <mn>
            4 
          </mn> 
         </mrow> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
        </mfrac> 
        <mo>
          , 
        </mo> 
        <mn>
          3 
        </mn> 
        <mfrac> 
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          <mn>
            6 
          </mn> 
          <msub> 
           <mi>
             k 
           </mi> 
           <mn>
             0 
           </mn> 
          </msub> 
          <mo>
            + 
          </mo> 
          <mn>
            4 
          </mn> 
         </mrow> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
        </mfrac> 
        <mo>
          + 
        </mo> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mn>
          6 
        </mn> 
        <msub> 
         <mi>
           k 
         </mi> 
         <mn>
           0 
         </mn> 
        </msub> 
        <mo>
          + 
        </mo> 
        <mn>
          4 
        </mn> 
        <mo>
          , 
        </mo> 
        <mn>
          6 
        </mn> 
        <msub> 
         <mi>
           k 
         </mi> 
         <mn>
           1 
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        </msub> 
        <mo>
          + 
        </mo> 
        <mn>
          5 
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        <mo>
          , 
        </mo> 
        <mn>
          6 
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        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mn>
            3 
          </mn> 
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             k 
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           <mn>
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           </mn> 
          </msub> 
          <mo>
            + 
          </mo> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
         </mrow> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
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          + 
        </mo> 
        <mn>
          4 
        </mn> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        , 
      </mo> 
     </mrow> 
    </math></p>
   <p>for 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
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      </msub> 
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        = 
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        2 
      </mn> 
      <msub> 
       <mi>
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       <mn>
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      </msub> 
      <mo>
        + 
      </mo> 
      <mn>
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      </mn> 
     </mrow> 
    </math>.</p>
   <p>The second three elements of the trajectory 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
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        T 
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         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <msub> 
         <mi>
           n 
         </mi> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
        </msub> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math></p>
   <p>
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <msub> 
         <mi>
           n 
         </mi> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
        </msub> 
        <mo>
          , 
        </mo> 
        <msub> 
         <mi>
           m 
         </mi> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
        </msub> 
        <mo>
          , 
        </mo> 
        <msub> 
         <mi>
           n 
         </mi> 
         <mn>
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         </mn> 
        </msub> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mn>
          6 
        </mn> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mn>
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            + 
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          <mn>
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          </mn> 
         </mrow> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
        <mo>
          + 
        </mo> 
        <mn>
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        <mo>
          , 
        </mo> 
        <mn>
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        </mn> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mn>
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          <mo>
            + 
          </mo> 
          <mn>
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         </mrow> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
        <mo>
          + 
        </mo> 
        <mn>
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        <mo>
          , 
        </mo> 
        <mn>
          6 
        </mn> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mrow> 
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             k 
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          <mo>
            + 
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           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
        <mo>
          + 
        </mo> 
        <mn>
          4 
        </mn> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        , 
      </mo> 
     </mrow> 
    </math></p>
   <p>for 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
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         k 
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       <mn>
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      </msub> 
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        = 
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      <mn>
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      <msub> 
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       <mn>
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       </mn> 
      </msub> 
      <mo>
        + 
      </mo> 
      <mn>
        1 
      </mn> 
     </mrow> 
    </math>; 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
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      </msub> 
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        = 
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         ( 
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        </msub> 
        <mo>
          + 
        </mo> 
        <mn>
          1 
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       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
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        + 
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      <mn>
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        = 
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       <mn>
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      </msup> 
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      <mn>
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     </mrow> 
    </math>.</p>
   <p>The third three elements of the trajectory 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
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        T 
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      <mrow> 
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         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <msub> 
         <mi>
           n 
         </mi> 
         <mn>
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        </msub> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math></p>
   <p>
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
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         <mn>
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        <mo>
          , 
        </mo> 
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         <mi>
           m 
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         <mn>
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          , 
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        <msub> 
         <mi>
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         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
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        = 
      </mo> 
      <mrow> 
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         ( 
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           ( 
         </mo> 
         <mrow> 
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            + 
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         </mo> 
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          + 
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        <mo>
          , 
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        <mn>
          6 
        </mn> 
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           ( 
         </mo> 
         <mrow> 
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             3 
           </mn> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
          </msup> 
          <msub> 
           <mi>
             k 
           </mi> 
           <mn>
             3 
           </mn> 
          </msub> 
          <mo>
            + 
          </mo> 
          <mn>
            8 
          </mn> 
         </mrow> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
        <mo>
          + 
        </mo> 
        <mn>
          5 
        </mn> 
        <mo>
          , 
        </mo> 
        <mn>
          6 
        </mn> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mrow> 
          <msup> 
           <mn>
             3 
           </mn> 
           <mn>
             3 
           </mn> 
          </msup> 
          <msub> 
           <mi>
             k 
           </mi> 
           <mn>
             3 
           </mn> 
          </msub> 
          <mo>
            + 
          </mo> 
          <mn>
            26 
          </mn> 
         </mrow> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
        <mo>
          + 
        </mo> 
        <mn>
          4 
        </mn> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        , 
      </mo> 
     </mrow> 
    </math></p>
   <p>for 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         k 
       </mi> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
      </msub> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mn>
        2 
      </mn> 
      <msub> 
       <mi>
         k 
       </mi> 
       <mn>
         3 
       </mn> 
      </msub> 
      <mo>
        + 
      </mo> 
      <mn>
        1 
      </mn> 
     </mrow> 
    </math>; 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         k 
       </mi> 
       <mn>
         0 
       </mn> 
      </msub> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <msup> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
      </msup> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
        <msub> 
         <mi>
           k 
         </mi> 
         <mn>
           3 
         </mn> 
        </msub> 
        <mo>
          + 
        </mo> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        + 
      </mo> 
      <mn>
        3 
      </mn> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <msup> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
       <mn>
         3 
       </mn> 
      </msup> 
      <msub> 
       <mi>
         k 
       </mi> 
       <mn>
         3 
       </mn> 
      </msub> 
      <mo>
        + 
      </mo> 
      <msup> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
      </msup> 
      <mo>
        + 
      </mo> 
      <mn>
        2 
      </mn> 
      <mo>
        + 
      </mo> 
      <mn>
        1 
      </mn> 
     </mrow> 
    </math>.</p>
   <p>In the general case, we have</p>
   <p>
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <msub> 
         <mi>
           n 
         </mi> 
         <mi>
           i 
         </mi> 
        </msub> 
        <mo>
          , 
        </mo> 
        <msub> 
         <mi>
           m 
         </mi> 
         <mi>
           i 
         </mi> 
        </msub> 
        <mo>
          , 
        </mo> 
        <msub> 
         <mi>
           n 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mi>
            i 
          </mi> 
          <mo>
            + 
          </mo> 
          <mn>
            1 
          </mn> 
         </mrow> 
        </msub> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mn>
          6 
        </mn> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mrow> 
          <msup> 
           <mn>
             3 
           </mn> 
           <mrow> 
            <mi>
              i 
            </mi> 
            <mo>
              − 
            </mo> 
            <mn>
              1 
            </mn> 
           </mrow> 
          </msup> 
          <msub> 
           <mi>
             k 
           </mi> 
           <mrow> 
            <mi>
              i 
            </mi> 
            <mo>
              − 
            </mo> 
            <mn>
              1 
            </mn> 
           </mrow> 
          </msub> 
          <mo>
            + 
          </mo> 
          <msup> 
           <mn>
             3 
           </mn> 
           <mrow> 
            <mi>
              i 
            </mi> 
            <mo>
              − 
            </mo> 
            <mn>
              1 
            </mn> 
           </mrow> 
          </msup> 
          <mo>
            − 
          </mo> 
          <mn>
            1 
          </mn> 
         </mrow> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
        <mo>
          + 
        </mo> 
        <mn>
          4 
        </mn> 
        <mo>
          , 
        </mo> 
        <mn>
          6 
        </mn> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mrow> 
          <msup> 
           <mn>
             3 
           </mn> 
           <mrow> 
            <mi>
              i 
            </mi> 
            <mo>
              − 
            </mo> 
            <mn>
              1 
            </mn> 
           </mrow> 
          </msup> 
          <msub> 
           <mi>
             k 
           </mi> 
           <mi>
             i 
           </mi> 
          </msub> 
          <mo>
            + 
          </mo> 
          <msup> 
           <mn>
             3 
           </mn> 
           <mrow> 
            <mi>
              i 
            </mi> 
            <mo>
              − 
            </mo> 
            <mn>
              1 
            </mn> 
           </mrow> 
          </msup> 
          <mo>
            − 
          </mo> 
          <mn>
            1 
          </mn> 
         </mrow> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
        <mo>
          + 
        </mo> 
        <mn>
          5 
        </mn> 
        <mo>
          , 
        </mo> 
        <mn>
          6 
        </mn> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mrow> 
          <msup> 
           <mn>
             3 
           </mn> 
           <mi>
             i 
           </mi> 
          </msup> 
          <msub> 
           <mi>
             k 
           </mi> 
           <mi>
             i 
           </mi> 
          </msub> 
          <mo>
            + 
          </mo> 
          <msup> 
           <mn>
             3 
           </mn> 
           <mi>
             i 
           </mi> 
          </msup> 
          <mo>
            − 
          </mo> 
          <mn>
            1 
          </mn> 
         </mrow> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
        <mo>
          + 
        </mo> 
        <mn>
          4 
        </mn> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        , 
      </mo> 
     </mrow> 
    </math></p>
   <p>for 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         k 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mi>
          i 
        </mi> 
        <mo>
          − 
        </mo> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
       </mrow> 
      </msub> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mn>
        2 
      </mn> 
      <msub> 
       <mi>
         k 
       </mi> 
       <mi>
         i 
       </mi> 
      </msub> 
      <mo>
        + 
      </mo> 
      <mn>
        1 
      </mn> 
     </mrow> 
    </math> and 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         k 
       </mi> 
       <mn>
         0 
       </mn> 
      </msub> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <msup> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
       <mi>
         i 
       </mi> 
      </msup> 
      <msub> 
       <mi>
         k 
       </mi> 
       <mi>
         i 
       </mi> 
      </msub> 
      <mo>
        + 
      </mo> 
      <munderover> 
       <mstyle mathsize="140%" displaystyle="true"> 
        <mo>
          ∑ 
        </mo> 
       </mstyle> 
       <mrow> 
        <mi>
          s 
        </mi> 
        <mo>
          = 
        </mo> 
        <mn>
          0 
        </mn> 
       </mrow> 
       <mrow> 
        <mi>
          i 
        </mi> 
        <mo>
          − 
        </mo> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
       </mrow> 
      </munderover> 
      <mtext>
          
      </mtext> 
      <msup> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
       <mi>
         s 
       </mi> 
      </msup> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <msup> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
       <mi>
         i 
       </mi> 
      </msup> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <msub> 
         <mi>
           k 
         </mi> 
         <mi>
           i 
         </mi> 
        </msub> 
        <mo>
          + 
        </mo> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        − 
      </mo> 
      <mn>
        1 
      </mn> 
     </mrow> 
    </math>.</p>
   <p>Since, <img width="93.75" src="https://html.scirp.org/file/1724175-rId399.svg?20250530104444">.</img></p>
   <p>The induction is completed by applying the Collatz function to 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <msub> 
         <mi>
           n 
         </mi> 
         <mi>
           i 
         </mi> 
        </msub> 
        <mo>
          , 
        </mo> 
        <msub> 
         <mi>
           m 
         </mi> 
         <mi>
           i 
         </mi> 
        </msub> 
        <mo>
          , 
        </mo> 
        <msub> 
         <mi>
           n 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mi>
            i 
          </mi> 
          <mo>
            + 
          </mo> 
          <mn>
            1 
          </mn> 
         </mrow> 
        </msub> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math> to compute 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <msub> 
         <mi>
           n 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mi>
            i 
          </mi> 
          <mo>
            + 
          </mo> 
          <mn>
            1 
          </mn> 
         </mrow> 
        </msub> 
        <mo>
          , 
        </mo> 
        <msub> 
         <mi>
           m 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mi>
            i 
          </mi> 
          <mo>
            + 
          </mo> 
          <mn>
            1 
          </mn> 
         </mrow> 
        </msub> 
        <mo>
          , 
        </mo> 
        <msub> 
         <mi>
           n 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mi>
            i 
          </mi> 
          <mo>
            + 
          </mo> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
         </mrow> 
        </msub> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math>, thus we get the following result, which corresponds to the general formula:</p>
   <p>
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <msub> 
         <mi>
           n 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mi>
            i 
          </mi> 
          <mo>
            + 
          </mo> 
          <mn>
            1 
          </mn> 
         </mrow> 
        </msub> 
        <mo>
          , 
        </mo> 
        <msub> 
         <mi>
           m 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mi>
            i 
          </mi> 
          <mo>
            + 
          </mo> 
          <mn>
            1 
          </mn> 
         </mrow> 
        </msub> 
        <mo>
          , 
        </mo> 
        <msub> 
         <mi>
           n 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mi>
            i 
          </mi> 
          <mo>
            + 
          </mo> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
         </mrow> 
        </msub> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mn>
          6 
        </mn> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mrow> 
          <msup> 
           <mn>
             3 
           </mn> 
           <mi>
             i 
           </mi> 
          </msup> 
          <msub> 
           <mi>
             k 
           </mi> 
           <mi>
             i 
           </mi> 
          </msub> 
          <mo>
            + 
          </mo> 
          <msup> 
           <mn>
             3 
           </mn> 
           <mi>
             i 
           </mi> 
          </msup> 
          <mo>
            − 
          </mo> 
          <mn>
            1 
          </mn> 
         </mrow> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
        <mo>
          + 
        </mo> 
        <mn>
          4 
        </mn> 
        <mo>
          , 
        </mo> 
        <mn>
          6 
        </mn> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mrow> 
          <msup> 
           <mn>
             3 
           </mn> 
           <mi>
             i 
           </mi> 
          </msup> 
          <msub> 
           <mi>
             k 
           </mi> 
           <mrow> 
            <mi>
              i 
            </mi> 
            <mo>
              + 
            </mo> 
            <mn>
              1 
            </mn> 
           </mrow> 
          </msub> 
          <mo>
            + 
          </mo> 
          <msup> 
           <mn>
             3 
           </mn> 
           <mi>
             i 
           </mi> 
          </msup> 
          <mo>
            − 
          </mo> 
          <mn>
            1 
          </mn> 
         </mrow> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
        <mo>
          + 
        </mo> 
        <mn>
          5 
        </mn> 
        <mo>
          , 
        </mo> 
        <mn>
          6 
        </mn> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mrow> 
          <msup> 
           <mn>
             3 
           </mn> 
           <mrow> 
            <mi>
              i 
            </mi> 
            <mo>
              + 
            </mo> 
            <mn>
              1 
            </mn> 
           </mrow> 
          </msup> 
          <msub> 
           <mi>
             k 
           </mi> 
           <mrow> 
            <mi>
              i 
            </mi> 
            <mo>
              + 
            </mo> 
            <mn>
              1 
            </mn> 
           </mrow> 
          </msub> 
          <mo>
            + 
          </mo> 
          <msup> 
           <mn>
             3 
           </mn> 
           <mrow> 
            <mi>
              i 
            </mi> 
            <mo>
              + 
            </mo> 
            <mn>
              1 
            </mn> 
           </mrow> 
          </msup> 
          <mo>
            − 
          </mo> 
          <mn>
            1 
          </mn> 
         </mrow> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
        <mo>
          + 
        </mo> 
        <mn>
          4 
        </mn> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        , 
      </mo> 
     </mrow> 
    </math></p>
   <p>for 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         k 
       </mi> 
       <mi>
         i 
       </mi> 
      </msub> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mn>
        2 
      </mn> 
      <msub> 
       <mi>
         k 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mi>
          i 
        </mi> 
        <mo>
          + 
        </mo> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
       </mrow> 
      </msub> 
      <mo>
        + 
      </mo> 
      <mn>
        1 
      </mn> 
     </mrow> 
    </math> and 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         k 
       </mi> 
       <mn>
         0 
       </mn> 
      </msub> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <msup> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
       <mrow> 
        <mi>
          i 
        </mi> 
        <mo>
          + 
        </mo> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
       </mrow> 
      </msup> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <msub> 
         <mi>
           k 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mi>
            i 
          </mi> 
          <mo>
            + 
          </mo> 
          <mn>
            1 
          </mn> 
         </mrow> 
        </msub> 
        <mo>
          + 
        </mo> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        − 
      </mo> 
      <mn>
        1 
      </mn> 
     </mrow> 
    </math>.</p>
   <p>These above computations establish that, if 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        i 
      </mi> 
      <mo>
        → 
      </mo> 
      <mi>
        ∞ 
      </mi> 
     </mrow> 
    </math>, then there is no possible choice for 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         k 
       </mi> 
       <mn>
         0 
       </mn> 
      </msub> 
      <mo>
        ∈ 
      </mo> 
      <mi>
        ℕ 
      </mi> 
     </mrow> 
    </math>. So, 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         n 
       </mi> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
      </msub> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mn>
        6 
      </mn> 
      <msub> 
       <mi>
         k 
       </mi> 
       <mn>
         0 
       </mn> 
      </msub> 
      <mo>
        ∉ 
      </mo> 
      <mi>
        ℕ 
      </mi> 
     </mrow> 
    </math>.</p>
   <p>Anyway, 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <msub> 
         <mi>
           k 
         </mi> 
         <mn>
           0 
         </mn> 
        </msub> 
        <mo>
          , 
        </mo> 
        <msub> 
         <mi>
           k 
         </mi> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
        </msub> 
        <mo>
          , 
        </mo> 
        <msub> 
         <mi>
           k 
         </mi> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
        </msub> 
        <mo>
          , 
        </mo> 
        <mo>
          ⋯ 
        </mo> 
        <mo>
          , 
        </mo> 
        <msub> 
         <mi>
           k 
         </mi> 
         <mi>
           i 
         </mi> 
        </msub> 
        <mo>
          , 
        </mo> 
        <mo>
          ⋯ 
        </mo> 
        <mo>
          , 
        </mo> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math> is a strictly decreasing sequence of odd natural numbers with a minimum at 1, therefore, if 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         k 
       </mi> 
       <mn>
         0 
       </mn> 
      </msub> 
      <mo>
        ∈ 
      </mo> 
      <mi>
        ℕ 
      </mi> 
     </mrow> 
    </math>, then it is a finite sequence and loop 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           [ 
         </mo> 
         <mn>
           4 
         </mn> 
         <mo>
           ] 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mn>
         6 
       </mn> 
      </msub> 
      <mo>
        → 
      </mo> 
      <msub> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           [ 
         </mo> 
         <mn>
           5 
         </mn> 
         <mo>
           ] 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mn>
         6 
       </mn> 
      </msub> 
      <mo>
        → 
      </mo> 
      <msub> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           [ 
         </mo> 
         <mn>
           4 
         </mn> 
         <mo>
           ] 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mn>
         6 
       </mn> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math> stops.</p>
   <p>When the loop stops, instead of repeating the class 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           [ 
         </mo> 
         <mn>
           5 
         </mn> 
         <mo>
           ] 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mn>
         6 
       </mn> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math>, an element of the class 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           [ 
         </mo> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
         <mo>
           ] 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mn>
         6 
       </mn> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math> appears and, by Corollary 1, 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        T 
      </mi> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mi>
         n 
       </mi> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math> satisfies the Conjecture. □</p>
   <p>Theorem 1. The Collatz conjecture is true.</p>
   <p>Proof. Let 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        k 
      </mi> 
      <mo>
        ∈ 
      </mo> 
      <mi>
        ℕ 
      </mi> 
     </mrow> 
    </math> and consider 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        T 
      </mi> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mi>
         k 
       </mi> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math>.</p>
   <p>Proposition 1 shows that if 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        n 
      </mi> 
      <mo>
        ∈ 
      </mo> 
      <mi>
        T 
      </mi> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mi>
         k 
       </mi> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math> and 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        T 
      </mi> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mi>
         n 
       </mi> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math> satisfies the conjecture so does 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        T 
      </mi> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mi>
         k 
       </mi> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math>.</p>
   <p>Proposition 2 shows that, all trajectories 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        T 
      </mi> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mi>
         k 
       </mi> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math> contain numbers 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        n 
      </mi> 
      <mo>
        ∈ 
      </mo> 
      <msub> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           [ 
         </mo> 
         <mn>
           4 
         </mn> 
         <mo>
           ] 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mn>
         6 
       </mn> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math>.</p>
   <p>Proposition 3 shows that, 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        T 
      </mi> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mi>
         n 
       </mi> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math>, starting with either loop 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           [ 
         </mo> 
         <mn>
           4 
         </mn> 
         <mo>
           ] 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mn>
         6 
       </mn> 
      </msub> 
      <mo>
        → 
      </mo> 
      <msub> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           [ 
         </mo> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
         <mo>
           ] 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mn>
         6 
       </mn> 
      </msub> 
      <mo>
        → 
      </mo> 
      <msub> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           [ 
         </mo> 
         <mn>
           4 
         </mn> 
         <mo>
           ] 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mn>
         6 
       </mn> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math> or 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           [ 
         </mo> 
         <mn>
           4 
         </mn> 
         <mo>
           ] 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mn>
         6 
       </mn> 
      </msub> 
      <mo>
        → 
      </mo> 
      <msub> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           [ 
         </mo> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
         <mo>
           ] 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mn>
         6 
       </mn> 
      </msub> 
      <mo>
        → 
      </mo> 
      <msub> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           [ 
         </mo> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
         <mo>
           ] 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mn>
         6 
       </mn> 
      </msub> 
      <mo>
        → 
      </mo> 
      <msub> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           [ 
         </mo> 
         <mn>
           4 
         </mn> 
         <mo>
           ] 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mn>
         6 
       </mn> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math> satisfies the Collatz conjecture. Then 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        T 
      </mi> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mi>
         k 
       </mi> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math> also satisfies it as well.</p>
   <p>Proposition 4 shows that a trajectory 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        T 
      </mi> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mi>
         n 
       </mi> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math>, starting with loop 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           [ 
         </mo> 
         <mn>
           4 
         </mn> 
         <mo>
           ] 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mn>
         6 
       </mn> 
      </msub> 
      <mo>
        → 
      </mo> 
      <msub> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           [ 
         </mo> 
         <mn>
           5 
         </mn> 
         <mo>
           ] 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mn>
         6 
       </mn> 
      </msub> 
      <mo>
        → 
      </mo> 
      <msub> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           [ 
         </mo> 
         <mn>
           4 
         </mn> 
         <mo>
           ] 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mn>
         6 
       </mn> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math>, cannot repeat it an infinite number of times in a row and satisfies the Conjecture.</p>
   <p>To summarize: By Propositions 3 and 4 all trajectories 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        T 
      </mi> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mi>
         n 
       </mi> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math>, beginning with numbers 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        n 
      </mi> 
      <mo>
        ∈ 
      </mo> 
      <msub> 
       <mrow> 
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       </mn> 
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     </mrow> 
    </math> satisfy the Collatz conjecture and Propositions 2 and 1 extend this result to all trajectories 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
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       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math>, then the Collatz conjecture is true. □</p>
  </sec><sec id="s4">
   <title>Acknowledgements</title>
   <p>First, I thank God. He has given me a family that always supports my little occurrences like this paper. My wife, Marisa; my son Emilio, who has reviewed this article, and my daughter Pilar; their respective spouses, Michelle and Carlos; my grandson Gabriel, Carlos, Pablo and Pilar.</p>
   <p>A very special thank you to Ramón Carbó-Dorca, Institute of Computational Chemistry and Catalysis, Universitat de Girona, Girona, Spain and Ronin Institute for Independent Research/Sacramento, California, USA, for their reviews and valuable comments on this paper.</p>
  </sec>
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