基本的な操作を補題としてまとめておく。

補題
T を木とする。このとき以下が成り立つ。
(1) a∈T かつ a が偶数 ⇒ a/2∈T
(2) a∈T かつ a が奇数 ⇒ 3a+1∈T
(3) a∈T ⇒ 2a∈T
(4) a∈T かつ a が偶数かつ a≡1 (mod 3) ⇒ (a-1)/3 ∈ T
２つの自然数 a,b が同じ木に属することは、(1)〜(4) の繰り返しによって
一方から他方に移ることができることと同値。


さて、例えば n=1,2 の場合は予想は明らか。
n=3, k=1 or 2 の場合も難しくはないが、証明を述べておく。

命題
T を木とし、k=1 or 2 とする。
このとき、ある a∈T が存在して a≡k (mod 3) となる。

証明
任意に b∈T をとる。
b が 3 の倍数でない場合、b, 2b のいずれかが mod 3 で k に等しくなる。
2b∈T なのでOK。

b が 3 の倍数の場合、b=2^i*c (c は奇数) となるように非負整数 i, 自然数 c をとれば、
c∈T, c は奇数かつ 3 の倍数となる。
さらに 3c+1∈T であり、3c+1≡1 (mod 3) となる。
よって、上の場合に帰着されてOK。□


まだいろいろと書けることはあるけど、反応を見ながらということで。