Principiul, cele două etape, exemple rezolvate și formulele de sume uzuale.
Principiul inducției matematice
Servește la demonstrarea unei propoziții P(n) pentru toate numerele naturale n≥n0.
Ideea: dacă poți urca pe prima treaptă, și dacă de pe orice treaptă poți urca pe următoarea, atunci ajungi pe orice treaptă.
Cele două etape
1. Verificarea (baza): arăți că P(n0) e adevărată. De obicei n0=1.
2. Pasul inductiv: presupui că P(k) e adevărată pentru un k≥n0 oarecare (ipoteza de inducție) și demonstrezi că atunci și P(k+1) e adevărată.
Dacă ambele reușesc, P(n) e adevărată pentru orice n≥n0.
Ambele etape sunt obligatorii. Fără verificare, pasul inductiv nu are de unde porni.
Exemplu rezolvat
Demonstrează că 1+2+⋯+n=2n(n+1).
Verificare pentru n=1: membrul stâng e 1, membrul drept e 21⋅2=1. Adevărat.
Pas inductiv: presupunem 1+2+⋯+k=2k(k+1).
Adăugăm k+1 în ambii membri:
1+2+⋯+k+(k+1)=2k(k+1)+(k+1)
Dăm factor comun (k+1):
=(k+1)(2k+1)=(k+1)⋅2k+2=2(k+1)(k+2)
Exact formula pentru n=k+1. Demonstrația e încheiată.
Al doilea exemplu
Demonstrează că 12+22+⋯+n2=6n(n+1)(2n+1).
Verificare pentru n=1: stânga 1, dreapta 61⋅2⋅3=1. Adevărat.
Pas inductiv: adăugăm (k+1)2 la ipoteză și trebuie să obținem 6(k+1)(k+2)(2k+3). Se dă factor comun 6k+1 și rămâne de verificat că k(2k+1)+6(k+1)=(k+2)(2k+3), adică 2k2+7k+6 în ambii membri.
Ultima are o consecință elegantă: suma cuburilor e pătratul sumei numerelor.
Greșeli frecvente
Se sare peste verificarea inițială.
Se presupune P(n) pentru toate valorile, ceea ce echivalează cu a presupune concluzia. Se presupune doar pentru un k fixat.
Se verifică pentru câteva valori și se trage concluzia generală. Verificarea a zece cazuri nu e demonstrație.
EXPLOREAZĂ INTERACTIV
1 + 2 + ... + n = n(n+1)/2
Suma calculată termen cu termen
15
1 + 2 + 3 + 4 + 5
Valoarea din formulă
15
n(n+1)/2 pentru n = 5
Cele două coincid.
Pasul 1: verificarea
Pentru n = 1: membrul stâng dă 1, membrul drept dă 1. Adevărat.
Pasul 2: pasul inductiv
Adaugi (k+1) la ipoteză: k(k+1)/2 + (k+1) = (k+1)(k+2)/2
aici: 10 + 5 = 15 corect
Bara evidențiată e termenul nou adăugat la trecerea de la k la k+1. Verificarea pe cât de multe valori vrei nu e o demonstrație: oricâte ai verifica, rămân infinit de multe neverificate. Demonstrația e chiar pasul 2, care arată că adevărul se transmite de la un număr la următorul.