Sari la conținut
LECȚIA 17.1 · MATEMATICĂ

Inducția matematică

Principiul, cele două etape, exemple rezolvate și formulele de sume uzuale.

Principiul inducției matematice

Servește la demonstrarea unei propoziții P(n)P(n) pentru toate numerele naturale n≥n0n \ge n_0.

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)P(n_0) e adevărată. De obicei n0=1n_0 = 1.

2. Pasul inductiv: presupui că P(k)P(k) e adevărată pentru un k≥n0k \ge n_0 oarecare (ipoteza de inducție) și demonstrezi că atunci și P(k+1)P(k+1) e adevărată.

Dacă ambele reușesc, P(n)P(n) e adevărată pentru orice n≥n0n \ge n_0.

Ambele etape sunt obligatorii. Fără verificare, pasul inductiv nu are de unde porni.

Exemplu rezolvat

Demonstrează că 1+2+⋯+n=n(n+1)21 + 2 + \dots + n = \dfrac{n(n+1)}{2}.

Verificare pentru n=1n = 1: membrul stâng e 1, membrul drept e 1⋅22=1\dfrac{1 \cdot 2}{2} = 1. Adevărat.

Pas inductiv: presupunem 1+2+⋯+k=k(k+1)21 + 2 + \dots + k = \dfrac{k(k+1)}{2}.

Adăugăm k+1k+1 în ambii membri:

1+2+⋯+k+(k+1)=k(k+1)2+(k+1)1 + 2 + \dots + k + (k+1) = \frac{k(k+1)}{2} + (k+1)

Dăm factor comun (k+1)(k+1):

=(k+1)(k2+1)=(k+1)⋅k+22=(k+1)(k+2)2= (k+1)\left(\frac{k}{2} + 1\right) = (k+1) \cdot \frac{k+2}{2} = \frac{(k+1)(k+2)}{2}

Exact formula pentru n=k+1n = k+1. Demonstrația e încheiată.

Al doilea exemplu

Demonstrează că 12+22+⋯+n2=n(n+1)(2n+1)61^2 + 2^2 + \dots + n^2 = \dfrac{n(n+1)(2n+1)}{6}.

Verificare pentru n=1n=1: stânga 1, dreapta 1⋅2⋅36=1\dfrac{1 \cdot 2 \cdot 3}{6} = 1. Adevărat.

Pas inductiv: adăugăm (k+1)2(k+1)^2 la ipoteză și trebuie să obținem (k+1)(k+2)(2k+3)6\dfrac{(k+1)(k+2)(2k+3)}{6}. Se dă factor comun k+16\dfrac{k+1}{6} și rămâne de verificat că k(2k+1)+6(k+1)=(k+2)(2k+3)k(2k+1) + 6(k+1) = (k+2)(2k+3), adică 2k2+7k+62k^2 + 7k + 6 în ambii membri.

Formule utile

1+2+⋯+n=n(n+1)21 + 2 + \dots + n = \frac{n(n+1)}{2} 12+22+⋯+n2=n(n+1)(2n+1)61^2 + 2^2 + \dots + n^2 = \frac{n(n+1)(2n+1)}{6} 13+23+⋯+n3=(n(n+1)2)21^3 + 2^3 + \dots + n^3 = \left(\frac{n(n+1)}{2}\right)^2

Ultima are o consecință elegantă: suma cuburilor e pătratul sumei numerelor.

Greșeli frecvente

  1. Se sare peste verificarea inițială.
  2. Se presupune P(n)P(n) pentru toate valorile, ceea ce echivalează cu a presupune concluzia. Se presupune doar pentru un kk fixat.
  3. 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.