МЕТОД МАТЕМАТИЧЕСКОЙ ИНДУКЦИИ
Слово индукция по-русски означает наведение, а индуктивными называют выводы, на основе наблюдений, опытов, т.е. полученные путем заключения от частного к общему.
Например, мы каждый день наблюдаем, что Солнце восходит с востока. Поэтому можно быть уверенным, что и завтра оно появится на востоке, а не на западе. Этот вывод мы делаем, не прибегая ни к каким предположениям о причине движения Солнца по небу (более того, само это движение оказывается кажущимся, поскольку на самом деле движется земной шар). И, тем не менее, этот индуктивный вывод правильно описывает те наблюдения, которые мы проведем завтра.
Роль индуктивных выводов в экспериментальных науках очень велика. Они дают те положения, из которых потом путем дедукции делаются дальнейшие умозаключения. И хотя теоретическая механика основывается на трех законах движения Ньютона, сами эти законы явились результатом глубокого продумывания опытных данных, в частности законов Кеплера движения планет, выведенных им при обработке многолетних наблюдений датского астронома Тихо Браге. Наблюдение, индукция оказываются полезными и в дальнейшем для уточнения сделанных предположений. После опытов Майкельсона по измерению скорости света в движущейся среде оказалось необходимым уточнить законы физики, создать теорию относительности.
В математике роль индукции в значительной степени состоит в том, что она лежит в основе выбираемой аксиоматики. После того как длительная практика показала, что прямой путь всегда короче кривого или ломанного, естественно было сформулировать аксиому: для любых трех точек А, В и С выполняется неравенство
Лежащее в основе арифметики понятие следовать за тоже появилось при наблюдениях за строем солдат, кораблей и другими упорядоченными множествами.
Не следует, однако, думать, что этим исчерпывается роль индукции в математике. Разумеется, мы не должны экспериментально проверять теоремы, логически выведенные из аксиом: если при выводе не было сделано логических ошибок, то они постольку верны, поскольку истинны принятые нами аксиомы. Но из данной системы аксиом можно вывести очень много утверждений. И отбор тех утверждений, которые надо доказывать, вновь подсказывается индукцией. Именно она позволяет отделить полезные теоремы от бесполезных, указывает, какие теоремы могут оказаться верными, и даже помогает наметить путь доказательства.
Суть метода математической индукции
Во многих разделах арифметики, алгебры, геометрии, анализа приходится доказывать истинность предложений А(n), зависящих от натуральной переменной. Доказательство истинности предложения А(n) для всех значений переменной часто удается провести методом математической индукции, который основан на следующем принципе.
Предложение А(n) считается истинным для всех натуральных значений переменной, если выполнены следующие два условия:
Предложение А(n) истинно для n=1.
Из предположения, что А(n) истинно для n=k (где k - любое натуральное число), следует, что оно истинно и для следующего значения n=k+1.
Этот принцип называется принципом математической индукции. Обычно он выбирается в качестве одной из аксиом, определяющих натуральный ряд чисел, и, следовательно, принимается без доказательства.
Под методом математической индукции понимают следующий способ доказательства. Если требуется доказать истинность предложения А(n) для всех натуральных n, то, во-первых, следует проверить истинность высказывания А(1) и, во-вторых, предположив истинность высказывания А(k), попытаться доказать, что высказывание А(k+1) истинно. Если это удается доказать, причем доказательство остается справедливым для каждого натурального значения k, то в соответствии с принципом математической индукции предложение А(n) признается истинным для всех значений n.
Метод математической индукции широко применяется при доказательстве теорем, тождеств, неравенств, при решении задач на делимость, при решении некоторых геометрических и многих других задач.
Метод математической индукции в решении задач на
делимость
С помощью метода математической индукции можно доказывать различные утверждения, касающиеся делимости натуральных чисел.
Следующее утверждение можно сравнительно просто доказать. Покажем, как оно получается с помощью метода математической индукции.
Пример 1 . Если n - натуральное число, то число четное.
При n=1 наше утверждение истинно: - четное число. Предположим, что - четное число. Так как , a 2k - четное число, то и 
четное. Итак, четность доказана при n=1, из четности выведена четность 
.Значит, четно при всех натуральных значениях n.
Пример 2. Доказать истинность предложения
A(n)={число 5 кратно 19}, n - натуральное число.
Решение.
Высказывание А(1)={число кратно 19} истинно.
Предположим, что для некоторого значения n=k
А(k)={число кратно 19} истинно. Тогда, так как
Очевидно, что и A(k+1) истинно. Действительно, первое слагаемое делится на 19 в силу предположения, что A(k) истинно; второе слагаемое тоже делится на 19, потому что содержит множитель 19. Оба условия принципа математической индукции выполнены, следовательно, предложение A(n) истинно при всех значениях n.
Применение метода математической индукции к
суммированию рядов
Пример 1. Доказать формулу
, n - натуральное число.
Решение.
При n=1 обе части равенства обращаются в единицу и, следовательно, первое условие принципа математической индукции выполнено.
Предположим, что формула верна при n=k, т.е.
.
Прибавим к обеим частям этого равенства и преобразуем правую часть. Тогда получим
Таким образом, из того, что формула верна при n=k, следует, что она верна и при n=k+1. Это утверждение справедливо при любом натуральном значении k. Итак, второе условие принципа математической индукции тоже выполнено. Формула доказана.
Пример 2. Доказать, что сумма n первых чисел натурального ряда равна .
Решение.
Обозначим искомую сумму , т.е. 
.
При n=1 гипотеза верна.
Пусть 
. Покажем, что 
.
В самом деле,
Задача решена.
Пример 3.
Доказать, что сумма квадратов n первых чисел натурального ряда равна 
.
Решение.
Пусть .
.
Предположим, что 
. Тогда
И окончательно .
Пример 4. Доказать, что .
Решение.
Если , то
Пример 5. Доказать, что
Решение.
При n=1 гипотеза очевидно верна.
Пусть .
Докажем, что .
Действительно,
Примеры применения метода математической индукции к
доказательству неравенств
Пример 1. Доказать, что при любом натуральном n>1
.
Решение.
Обозначим левую часть неравенства через .
Следовательно, при n=2 неравенство справедливо.
Пусть при некотором k. Докажем, что тогда и . Имеем 
, .
Сравнивая и , имеем 
, т.е. 
.
При любом натуральном k правая часть последнего равенства положительна. Поэтому . Но , значит, и .
Пример 2. Найти ошибку в рассуждении.
Утверждение. При любом натуральном n справедливо неравенство .
Доказательство.
. (1)
Докажем, что тогда неравенство справедливо и при n=k+1, т.е.
.
Действительно, не меньше 2 при любом натуральном k. Прибавим к левой части неравенства (1) , а к правой 2. Получим справедливое неравенство , или 
. Утверждение доказано.
Пример 3.
Доказать, что 
, где >-1, , n - натуральное число, большее 1.
Решение.
При n=2 неравенство справедливо, так как .
Пусть неравенство справедливо при n=k, где k - некоторое натуральное число, т.е.
. (1)
Покажем, что тогда неравенство справедливо и при n=k+1, т.е.
. (2)
Действительно, по условию, , поэтому справедливо неравенство
, (3)
полученное из неравенства (1) умножением каждой части его на . Перепишем неравенство (3) так: . Отбросив в правой части последнего неравенства положительное слагаемое , получим справедливое неравенство (2).
Пример 4. Доказать, что
(1)
где , , n - натуральное число, большее 1.
Решение.
При n=2 неравенство (1) принимает вид
. (2)
Так как , то справедливо неравенство
. (3)
Прибавив к каждой части неравенства (3) по , получим неравенство (2).
Этим доказано, что при n=2 неравенство (1) справедливо.
Пусть неравенство (1) справедливо при n=k, где k - некоторое натуральное число, т.е.
. (4)
Докажем, что тогда неравенство (1) должно быть справедливо и при n=k+1, т.е.
(5)
Умножим обе части неравенства (4) на a+b. Так как, по условию, , то получаем следующее справедливое неравенство:
. (6)
Для того чтобы доказать справедливость неравенства (5), достаточно показать, что
, (7)
или, что то же самое,
. (8)
Неравенство (8) равносильно неравенству
. (9)
Если , то , и в левой части неравенства (9) имеем произведение двух положительных чисел. Если , то , и в левой части неравенства (9) имеем произведение двух отрицательных чисел. В обоих случаях неравенство (9) справедливо.
Этим доказано, что из справедливости неравенства (1) при n=k следует его справедливость при n=k+1.
Метод математической индукции в применение к другим
задачам
Наиболее естественное применение метода математической индукции в геометрии, близкое к использованию этого метода в теории чисел и в алгебре, - это применение к решению геометрических задач на вычисление. Рассмотрим несколько примеров.
Пример 1. Вычислить сторону правильного - угольника, вписанного в круг радиуса R.
Решение.
При n=2 правильный 2 n - угольник есть квадрат; его сторона . Далее, согласно формуле удвоения
находим, что сторона правильного восьмиугольника 
, сторона правильного шестнадцатиугольника 
, сторона правильного тридцатидвухугольника 
. Можно предположить поэтому, что сторона правильного вписанного 2
n
- угольника при любом равна
. (1)
Допустим, что сторона правильного вписанного - угольника выражается формулой (1). В таком случае по формуле удвоения
,
откуда следует, что формула (1) справедлива при всех n.
Пример 2. На сколько треугольников n-угольник (не обязательно выпуклый) может быть разбит своими непересекающимися диагоналями?
Решение.
Для треугольника это число равно единице (в треугольнике нельзя провести ни одной диагонали); для четырехугольника это число равно, очевидно, двум.
Предположим, что мы уже знаем, что каждый k-угольник, где k
А n
А 1 А 2
Пусть А 1 А k - одна из диагоналей этого разбиения; она делит n-угольник А 1 А 2 …А n на k-угольник A 1 A 2 …A k и (n-k+2)-угольник А 1 А k A k+1 …A n . В силу сделанного предположения, общее число треугольников разбиения будет равно
(k-2)+[(n-k+2)-2]=n-2;
тем самым наше утверждение доказано для всех n.
Пример 3. Указать правило вычисления числа P(n) способов, которыми выпуклый n-угольник может быть разбит на треугольники непересекающимися диагоналями.
Решение.
Для треугольника это число равно, очевидно, единице: P(3)=1.
Предположим, что мы уже определили числа P(k) для всех k
Р(n)=P(n-1)+P(n-2)P(3)+P(n-3)P(4)+…+P(3)P(n-2)+P(n-1).
С помощью этой формулы последовательно получаем:
P(4)=P(3)+P(3)=2,
P(5)=P(4)+P(3)P(3)+P(4)+5,
P(6)=P(5)+P(4)P(3)+P(3)P(4)+P(5)=14
и т.д.
Так же при помощи метода математической индукции можно решать задачи с графами.
Пусть на плоскости задана сеть линий, соединяющих между собой какие-то точки и не имеющие других точек. Такую сеть линий мы будем называть картой, заданные точки ее вершинами, отрезки кривых между двумя смежными вершинами - границами карты, части плоскости, на которые она разбивается границами - странами карты.
Пусть на плоскости задана некоторая карта. Мы будем говорить, что она правильно раскрашена, если каждая ее страна закрашена определенной краской, причем любые две страны, имеющие между собой общую границу, закрашены в разные цвета.
Пример 4. На плоскости дано n окружностей. Доказать, что при любом расположении этих окружностей образуемую ими карту можно правильно раскрасить двумя красками.
Решение.
При n=1 наше утверждение очевидно.
Предположим, что наше утверждение справедливо для любой карты, образованной n окружностями, и пусть на плоскости задано n+1 окружностей. Удалив одну из этих окружностей, мы получим карту, которую в силу сделанного предположения можно правильно раскрасить двумя красками, например черной и белой.
Если предложение А(n), зависящее от натурального числа n, истинно для n=1 и из того, что оно истинно для n=k (где k-любое натуральное число), следует, что оно истинно и для следующего числа n=k+1, то предположение А(n) истинно для любого натурального числа n.
В ряде случаев бывает нужно доказать справедливость некоторого утверждения не для всех натуральных чисел, а лишь для n>p, где p-фиксированное натуральное число. В этом случае принцип математической индукции формулируется следующим образом.
Если предложение А(n) истинно при n=p и если А(k) Ю А(k+1) для любого k>p, то предложение А(n) истинно для любого n>p.
Доказательство по методу математической индукции проводиться следующим образом. Сначала доказываемое утверждение проверяется для n=1, т.е. устанавливается истинность высказывания А(1). Эту часть доказательства называют базисом индукции. Затем следует часть доказательства, называемая индукционным шагом. В этой части доказывают справедливость утверждения для n=k+1 в предположении справедливости утверждения для n=k (предположение индукции), т.е. доказывают, что А(k) Ю A(k+1)
Доказать, что 1+3+5+…+(2n-1)=n 2 .
- 1) Имеем n=1=1 2 . Следовательно, утверждение верно при n=1, т.е. А(1) истинно
- 2) Докажем, что А(k) Ю A(k+1)
Пусть k-любое натуральное число и пусть утверждение справедливо для n=k, т.е
1+3+5+…+(2k-1)=k 2
Докажем, что тогда утверждение справедливо и для следующего натурального числа n=k+1, т.е. что
- 1+3+5+…+(2k+1)=(k+1) 2 В самом деле,
- 1+3+5+…+(2k-1)+(2k+1)=k 2 +2k+1=(k+1) 2
Итак, А(k) Ю А(k+1). На основании принципа математической индукции заключаем, что предположение А(n) истинно для любого n О N
Доказать, что
1+х+х 2 +х 3 +…+х n =(х n+1 -1)/(х-1), где х № 1
- 1) При n=1 получаем
- 1+х=(х 2 -1)/(х-1)=(х-1)(х+1)/(х-1)=х+1
следовательно, при n=1 формула верна; А(1) истинно
- 2) Пусть k-любое натуральное число и пусть формула верна при n=k,
- 1+х+х 2 +х 3 +…+х k =(х k+1 -1)/(х-1)
Докажем, что тогда выполняется равенство
- 1+х+х 2 +х 3 +…+х k +x k+1 =(x k+2 -1)/(х-1) В самом деле
- 1+х+х 2 +x 3 +…+х k +x k+1 =(1+x+x 2 +x 3 +…+x k)+x k+1 =
=(x k+1 -1)/(x-1)+x k+1 =(x k+2 -1)/(x-1)
Итак, А(k) Ю A(k+1). На основании принципа математической индукции заключаем, что формула верна для любого натурального числа n
Доказать, что число диагоналей выпуклого n-угольника равно n(n-3)/2
Решение: 1) При n=3 утверждение справедливо, ибо в треугольнике
А 3 =3(3-3)/2=0 диагоналей; А 2 А(3) истинно
2) Предположим, что во всяком выпуклом k-угольнике имеет А 1 ся А k =k(k-3)/2 диагоналей. А k Докажем, что тогда в выпуклом А k+1 (k+1)-угольнике число диагоналей А k+1 =(k+1)(k-2)/2.
Пусть А 1 А 2 А 3 …A k A k+1 -выпуклый (k+1)-угольник. Проведём в нём диагональ A 1 A k . Чтобы подсчитать общее число диагоналей этого (k+1)-угольника нужно подсчитать число диагоналей в k-угольнике A 1 A 2 …A k , прибавить к полученному числу k-2, т.е. число диагоналей (k+1)-угольника, исходящих из вершины А k+1 , и, кроме того, следует учесть диагональ А 1 А k
Таким образом,
G k+1 =G k +(k-2)+1=k(k-3)/2+k-1=(k+1)(k-2)/2
Итак, А(k) Ю A(k+1). Вследствие принципа математической индукции утверждение верно для любого выпуклого n-угольника.
Доказать, что при любом n справедливо утверждение:
1 2 +2 2 +3 2 +…+n 2 =n(n+1)(2n+1)/6
Решение: 1) Пусть n=1, тогда
Х 1 =1 2 =1(1+1)(2+1)/6=1
2) Предположим, что n=k
Х k =k 2 =k(k+1)(2k+1)/6
3) Рассмотрим данное утвержде-ние при n=k+1
X k+1 =(k+1)(k+2)(2k+3)/6
X k+1 =1 2 +2 2 +3 2 +…+k 2 +(k+1) 2 =k(k+1)(2k+1)/6+ +(k+1) 2
=(k(k+1)(2k+1)+6(k+1) 2)/6=(k+1)(k(2k+1)+
6(k+1))/6=(k+1)(2k 2 +7k+6)/6=(k+1)(2(k+3/2)(k+
2))/6=(k+1)(k+2)(2k+3)/6
Мы доказали справедливость равенства и при n=k+1, следовательно, в силу метода математической индукции, утверждение верно для любого натурального n
Доказать, что для любого натурального n справедливо равенство:
1 3 +2 3 +3 3 +…+n 3 =n 2 (n+1) 2 /4
Решение: 1) Пусть n=1
Тогда Х 1 =1 3 =1 2 (1+1) 2 /4=1. Мы видим, что при n=1 утверждение верно.
2) Предположим, что равенство верно при n=k
X k =k 2 (k+1) 2 /4
3) Докажем истинность этого утверждения для n=k+1, т.е
Х k+1 =(k+1) 2 (k+2) 2 /4. X k+1 =1 3 +2 3 +…+k 3 +(k+1) 3 =k 2 (k+1) 2 /4+(k+1) 3 =(k 2 (k++1) 2 +4(k+1) 3)/4=(k+1) 2 (k 2 +4k+4)/4=(k+1) 2 (k+2) 2 /4
Из приведённого доказательства видно, что утверждение верно при n=k+1, следовательно, равенство верно при любом натуральном n
Доказать, что
((2 3 +1)/(2 3 -1)) ґ ((3 3 +1)/(3 3 -1)) ґ … ґ ((n 3 +1)/(n 3 -1))=3n(n+1)/2(n 2 +n+1), где n>2
Решение: 1) При n=2 тождество выглядит:
- (2 3 +1)/(2 3 -1)=(3 ґ 2 ґ 3)/2(2 2 +2+1), т.е. оно верно
- 2) Предположим, что выражение верно при n=k
- (2 3 +1)/(2 3 -1) ґ … ґ (k 3 +1)/(k 3 -1)=3k(k+1)/2(k 2 +k+1)
- 3) Докажем верность выражения при n=k+1
- (((2 3 +1)/(2 3 -1)) ґ … ґ ((k 3 +1)/(k 3 -1))) ґ (((k+1) 3 +
1)/((k+1) 3 -1))=(3k(k+1)/2(k 2 +k+1)) ґ ((k+2)((k+
1) 2 -(k+1)+1)/k((k+1) 2 +(k+1)+1))=3(k+1)(k+2)/2 ґ
ґ ((k+1) 2 +(k+1)+1)
Мы доказали справедливость равенства и при n=k+1, следовательно, в силу метода математической индукции, утверждение верно для любого n>2
Доказать, что
1 3 -2 3 +3 3 -4 3 +…+(2n-1) 3 -(2n) 3 =-n 2 (4n+3) для любого натурального n
Решение: 1) Пусть n=1, тогда
- 1 3 -2 3 =-1 3 (4+3); -7=-7
- 2) Предположим, что n=k, тогда
- 1 3 -2 3 +3 3 -4 3 +…+(2k-1) 3 -(2k) 3 =-k 2 (4k+3)
- 3) Докажем истинность этого утверждения при n=k+1
- (1 3 -2 3 +…+(2k-1) 3 -(2k) 3)+(2k+1) 3 -(2k+2) 3 =-k 2 (4k+3)+
+(2k+1) 3 -(2k+2) 3 =-(k+1) 3 (4(k+1)+3)
Доказана и справедливость равенства при n=k+1, следовательно утверждение верно для любого натурального n.
Доказать верность тождества
(1 2 /1 ґ 3)+(2 2 /3 ґ 5)+…+(n 2 /(2n-1) ґ (2n+1))=n(n+1)/2(2n+1) для любого натурального n
- 1) При n=1 тождество верно 1 2 /1 ґ 3=1(1+1)/2(2+1)
- 2) Предположим, что при n=k
- (1 2 /1 ґ 3)+…+(k 2 /(2k-1) ґ (2k+1))=k(k+1)/2(2k+1)
- 3) Докажем, что тождество верно при n=k+1
- (1 2 /1 ґ 3)+…+(k 2 /(2k-1)(2k+1))+(k+1) 2 /(2k+1)(2k+3)=(k(k+1)/2(2k+1))+((k+1) 2 /(2k+1)(2k+3))=((k+1)/(2k+1)) ґ ((k/2)+((k+1)/(2k+3)))=(k+1)(k+2) ґ (2k+1)/2(2k+1)(2k+3)=(k+1)(k+2)/2(2(k+1)+1)
Из приведённого доказательства видно, что утверждение верно при любом натуральном n.
Доказать, что (11 n+2 +12 2n+1) делится на 133 без остатка
Решение: 1) Пусть n=1, тогда
11 3 +12 3 =(11+12)(11 2 -132+12 2)=23 ґ 133
Но (23 ґ 133) делится на 133 без остатка, значит при n=1 утверждение верно; А(1) истинно.
- 2) Предположим, что (11 k+2 +12 2k+1) делится на 133 без остатка
- 3) Докажем, что в таком случае (11 k+3 +12 2k+3) делится на 133 без остатка. В самом деле
- 11 k+3 +12 2л+3 =11 ґ 11 k+2 +12 2 ґ 12 2k+1 =11 ґ 11 k+2 +
+(11+133) ґ 12 2k+1 =11(11 k+2 +12 2k+1)+133 ґ 12 2k+1
Полученная сумма делится на 133 без остатка, так как первое её слагаемое делится на 133 без остатка по предположению, а во втором одним из множителей выступает 133. Итак, А(k) Ю А(k+1). В силу метода математической индукции утверждение доказано
Доказать, что при любом n 7 n -1 делится на 6 без остатка
- 1) Пусть n=1, тогда Х 1 =7 1 -1=6 де-лится на 6 без остатка. Значит при n=1 утвержде-ние верно
- 2) Предположим, что при n=k 7 k -1 делится на 6 без остатка
- 3) Докажем, что утверждение справедливо для n=k+1
X k+1 =7 k+1 -1=7 ґ 7 k -7+6=7(7 k -1)+6
Первое слагаемое делится на 6, поскольку 7 k -1 делится на 6 по предположению, а вторым слагаемым является 6. Значит 7 n -1 кратно 6 при любом натуральном n. В силу метода математической индукции утверждение доказано.
Доказать, что 3 3n-1 +2 4n-3 при произвольном натуральном n делится на 11.
1) Пусть n=1, тогда
Х 1 =3 3-1 +2 4-3 =3 2 +2 1 =11 делится на 11 без остатка.
Значит, при n=1 утверждение верно
- 2) Предположим, что при n=k X k =3 3k-1 +2 4k-3 делится на 11 без остатка
- 3) Докажем, что утверждение верно для n=k+1
X k+1 =3 3(k+1)-1 +2 4(k+1)-3 =3 3k+2 +2 4k+1 =3 3 ґ 3 3k-1 +2 4 ґ 2 4k-3 =
27 ґ 3 3k-1 +16 ґ 2 4k-3 =(16+11) ґ 3 3k-1 +16 ґ 2 4k-3 =16 ґ 3 3k-1 +
11 ґ 3 3k-1 +16 ґ 2 4k-3 =16(3 3k-1 +2 4k-3)+11 ґ 3 3k-1
Первое слагаемое делится на 11 без остатка, поскольку 3 3k-1 +2 4k-3 делится на 11 по предположению, второе делится на 11, потому что одним из его множителей есть число 11. Значит и сумма делится на 11 без остатка при любом натуральном n. В силу метода математической индукции утверждение доказано.
Доказать, что 11 2n -1 при произвольном натуральном n делится на 6 без остатка
- 1) Пусть n=1, тогда 11 2 -1=120 делится на 6 без остатка. Значит при n=1 утверждение верно
- 2) Предположим, что при n=k 1 2k -1 делится на 6 без остатка
- 11 2(k+1) -1=121 ґ 11 2k -1=120 ґ 11 2k +(11 2k -1)
Оба слагаемых делятся на 6 без остатка: первое содержит кратное 6-ти число 120, а второе делится на 6 без остатка по предположению. Значит и сумма делится на 6 без остатка. В силу метода математической индукции утверждение доказано.
Доказать, что 3 3n+3 -26n-27 при произвольном натуральном n делится на 26 2 (676) без остатка
Предварительно докажем, что 3 3n+3 -1 делится на 26 без остатка
- 1. При n=0
- 3 3 -1=26 делится на 26
- 2. Предположим, что при n=k
- 3 3k+3 -1 делится на 26
- 3. Докажем, что утверждение верно при n=k+1
- 3 3k+6 -1=27 ґ 3 3k+3 -1=26 ґ 3 3л+3 +(3 3k+3 -1) -делится на 26
Теперь проведём доказательство утверждения, сформулированного в условии задачи
- 1) Очевидно, что при n=1 утверждение верно
- 3 3+3 -26-27=676
- 2) Предположим, что при n=k выражение 3 3k+3 -26k-27 делится на 26 2 без остатка
- 3) Докажем, что утверждение верно при n=k+1
- 3 3k+6 -26(k+1)-27=26(3 3k+3 -1)+(3 3k+3 -26k-27)
Оба слагаемых делятся на 26 2 ; первое делится на 26 2 , потому что мы доказали делимость на 26 выражения, стоящего в скобках, а второе делится по предположению индукции. В силу метода математической индукции утверждение доказано
Доказать, что если n>2 и х>0, то справедливо неравенство (1+х) n >1+n ґ х
- 1) При n=2 неравенство справед-ливо, так как
- (1+х) 2 =1+2х+х 2 >1+2х
Значит, А(2) истинно
- 2) Докажем, что А(k) Ю A(k+1), если k> 2. Предположим, что А(k) истинно, т.е., что справедливо неравенство
- (1+х) k >1+k ґ x. (3)
Докажем, что тогда и А(k+1) истинно, т.е., что справедливо неравенство
(1+x) k+1 >1+(k+1) ґ x
В самом деле, умножив обе части неравенства (3) на положительное число 1+х, получим
(1+x) k+1 >(1+k ґ x)(1+x)
Рассмотрим правую часть последнего неравенства; имеем
(1+k ґ x)(1+x)=1+(k+1) ґ x+k ґ x 2 >1+(k+1) ґ x
В итоге получаем, что (1+х) k+1 >1+(k+1) ґ x
Итак, А(k) Ю A(k+1). На основании принципа математической индукции можно утверждать, что неравенство Бернулли справедливо для любого n> 2
Доказать, что справедливо неравенство (1+a+a 2) m > 1+m ґ a+(m(m+1)/2) ґ a 2 при а> 0
Решение: 1) При m=1
- (1+а+а 2) 1 > 1+а+(2/2) ґ а 2 обе части равны
- 2) Предположим, что при m=k
- (1+a+a 2) k >1+k ґ a+(k(k+1)/2) ґ a 2
- 3) Докажем, что при m=k+1 не-равенство верно
- (1+a+a 2) k+1 =(1+a+a 2)(1+a+a 2) k >(1+a+a 2)(1+k ґ a+
+(k(k+1)/2) ґ a 2)=1+(k+1) ґ a+((k(k+1)/2)+k+1) ґ a 2 +
+((k(k+1)/2)+k) ґ a 3 +(k(k+1)/2) ґ a 4 > 1+(k+1) ґ a+
+((k+1)(k+2)/2) ґ a 2
Мы доказали справедливость неравенства при m=k+1, следовательно, в силу метода математической индукции, неравенство справедливо для любого натурального m
Доказать, что при n>6 справедливо неравенство 3 n >n ґ 2 n+1
Перепишем неравенство в виде (3/2) n >2n
- 1. При n=7 имеем 3 7 /2 7 =2187/128>14=2 ґ 7 неравенство верно
- 2. Предположим, что при n=k (3/2) k >2k
- 3) Докажем верность неравенства при n=k+1
- 3 k+1 /2 k+1 =(3 k /2 k) ґ (3/2)>2k ґ (3/2)=3k>2(k+1)
Так как k>7, последнее неравенство очевидно.
В силу метода математической индукции неравенство справедливо для любого натурального n
Доказать, что при n>2 справедливо неравенство
1+(1/2 2)+(1/3 2)+…+(1/n 2)<1,7-(1/n)
- 1) При n=3 неравенство верно
- 1+(1/2 2)+(1/3 2)=245/180
- 2. Предположим, что при n=k
- 1+(1/2 2)+(1/3 2)+…+(1/k 2)=1,7-(1/k)
- 3) Докажем справедливость неравенства при n=k+1
- (1+(1/2 2)+…+(1/k 2))+(1/(k+1) 2)
Докажем, что 1,7-(1/k)+(1/(k+1) 2)<1,7-(1/k+1) Ы
Ы (1/(k+1) 2)+(1/k+1)<1/k Ы (k+2)/(k+1) 2 <1/k Ы
Ы k(k+2)<(k+1) 2 Ы k 2 +2k Последнее очевидно, а поэтому 1+(1/2 2)+(1/3 2)+…+(1/(k+1) 2)<1,7-(1/k+1) В силу метода математической индукции неравенство доказано. Вступление Основная часть 1. Полная и неполная индукция 2. Принцип математической индукции 3. Метод математической индукции 4. Решение примеров 5. Равенства 6. Деление чисел 7. Неравенства Заключение Список использованной литературы Вступление
В основе всякого математического исследования лежат дедуктивный и индуктивный методы. Дедуктивный метод рассуждений - это рассуждение от общего к частному, т.е. рассуждение, исходным моментом которого является общий результат, а заключительным моментом – частный результат. Индукция применяется при переходе от частных результатов к общим, т.е. является методом, противоположным дедуктивному. Метод математической индукции можно сравнить с прогрессом. Мы начинаем с низшего, в результате логического мышления приходим к высшему. Человек всегда стремился к прогрессу, к умению развивать свою мысль логически, а значит, сама природа предначертала ему размышлять индуктивно. Хотя и выросла область применения метода математической индукции, в школьной программе ему отводится мало времени. Ну, скажите, что полезного человеку принесут те два-три урока, за которые он услышит пять слов теории, решит пять примитивных задач, и, в результате получит пятёрку за то, что он ничего не знает. А ведь это так важно - уметь размышлять индуктивно. Основная часть
По своему первоначальному смыслу слово “индукция” применяется к рассуждениям, при помощи которых получают общие выводы, опираясь на ряд частных утверждений. Простейшим методом рассуждений такого рода является полная индукция. Вот пример подобного рассуждения. 4=2+2; 6=3+3; 8=5+3; 10=7+3; 12=7+5; 14=7+7; 16=11+5; 18=13+5; 20=13+7. Эти девять равенств показывают, что каждое из интересующих нас чисел действительно представляется в виде суммы двух простых слагаемых. Таким образом, полная индукция заключается в том, что общее утверждение доказывается по отдельности в каждом из конечного числа возможных случаев. Иногда общий результат удаётся предугадать после рассмотрения не всех, а достаточно большого числа частных случаев (так называемая неполная индукция). Результат, полученный неполной индукцией, остается, однако, лишь гипотезой, пока он не доказан точным математическим рассуждением, охватывающим все частные случаи. Иными словами, неполная индукция в математике не считается законным методом строгого доказательства, но является мощным методом открытия новых истин. Пусть, например, требуется найти сумму первых n последовательных нечётных чисел. Рассмотрим частные случаи: 1+3+5+7+9=25=5 2 После рассмотрения этих нескольких частных случаев напрашивается следующий общий вывод: 1+3+5+…+(2n-1)=n 2 т.е. сумма n первых последовательных нечётных чисел равна n 2 Разумеется, сделанное наблюдение ещё не может служить доказательством справедливости приведённой формулы. Полная индукция имеет в математике лишь ограниченное применение. Многие интересные математические утверждения охватывают бесконечное число частных случаев, а провести проверку для бесконечного числа случаев мы не в состоянии. Неполная же индукция часто приводит к ошибочным результатам. Во многих случаях выход из такого рода затруднений заключается в обращении к особому методу рассуждений, называемому методом математической индукции. Он заключается в следующем. Пусть нужно доказать справедливость некоторого утверждения для любого натурального числа n (например нужно доказать, что сумма первых n нечётных чисел равна n 2). Непосредственная проверка этого утверждения для каждого значения n невозможна, поскольку множество натуральных чисел бесконечно. Чтобы доказать это утверждение, проверяют сначала его справедливость для n=1. Затем доказывают, что при любом натуральном значении k из справедливости рассматриваемого утверждения при n=k вытекает его справедливость и при n=k+1. Тогда утверждение считается доказанным для всех n. В самом деле, утверждение справедливо при n=1. Но тогда оно справедливо и для следующего числа n=1+1=2. Из справедливости утверждения для n=2 вытекает его справедливость для n=2+ 1=3. Отсюда следует справедливость утверждения для n=4 и т.д. Ясно, что, в конце концов, мы дойдём до любого натурального числа n. Значит, утверждение верно для любого n. Обобщая сказанное, сформулируем следующий общий принцип. Принцип математической индукции.
Если предложение А(
n
), зависящее от натурального числа
n
, истинно для
n
=1 и из того, что оно истинно для
n=k
(где
k
-любое натуральное число), следует, что оно истинно и для следующего числа
n=k+1
, то предположение А(
n
) истинно для любого натурального числа
n
.
Доказательство по методу математической индукции проводиться следующим образом. Сначала доказываемое утверждение проверяется для n=1, т.е. устанавливается истинность высказывания А(1). Эту часть доказательства называют базисом индукции. Затем следует часть доказательства, называемая индукционным шагом. В этой части доказывают справедливость утверждения для n=k+1 в предположении справедливости утверждения для n=k (предположение индукции), т.е. доказывают, что А(k)ÞA(k+1). ПРИМЕР 1
Доказать, что 1+3+5+…+(2n-1)=n 2
. Решение: 1) Имеем n=1=1 2
. Следовательно, утверждение верно при n=1, т.е. А(1) истинно. 2) Докажем, что А(k)ÞA(k+1). Пусть k-любое натуральное число и пусть утверж-дение справедливо для n=k, т.е. 1+3+5+…+(2k-1)=k 2
. Докажем, что тогда утверждение справедливо и для следующего натурального числа n=k+1, т.е. что 1+3+5+…+(2k+1)=(k+1) 2
. В самом деле, 1+3+5+…+(2k-1)+(2k+1)=k 2
+2k+1=(k+1) 2
. Итак, А(k)ÞА(k+1). На основании принципа математической индукции заключаем, что предпо-ложение А(n) истинно для любого nÎN. ПРИМЕР 2
Доказать, что 1+х+х 2
+х 3
+…+х n
=(х n+1
-1)/(х-1), где х¹1 Решение: 1) При n=1 получаем 1+х=(х 2
-1)/(х-1)=(х-1)(х+1)/(х-1)=х+1 следовательно, при n=1 формула верна; А(1) ис-тинно. 2) Пусть k-любое натуральное число и пусть формула верна при n=k, т.е. 1+х+х 2
+х 3
+…+х k
=(х k+1
-1)/(х-1). Докажем, что тогда выполняется равенство 1+х+х 2
+х 3
+…+х k
+x k+1
=(x k+2
-1)/(х-1). В самом деле 1+х+х 2
+x 3
+…+х k
+x k+1
=(1+x+x 2
+x 3
+…+x k)+x k+1
= =(x k+1
-1)/(x-1)+x k+1
=(x k+2
-1)/(x-1). Итак, А(k)ÞA(k+1). На основании принципа математической индукции заключаем, что форму-ла верна для любого натурального числа n. ПРИМЕР 3
Доказать, что число диагоналей выпуклого n-угольника равно n(n-3)/2. Решение: 1) При n=3 утверждение спра- А 3
=3(3-3)/2=0 диагоналей; А 2
А(3) истинно. 2) Предположим, что во всяком выпуклом k-угольнике имеет- А 1
ся А k
=k(k-3)/2 диагоналей. А k
Докажем, что тогда в выпуклом (k+1)-угольнике число диагоналей А k+1
=(k+1)(k-2)/2. Пусть А 1
А 2
А 3
…A k
A k+1
-выпуклый (k+1)-уголь-ник. Проведём в нём диагональ A 1
A k
. Чтобы под-считать общее число диагоналей этого (k+1)-уголь-ника нужно подсчитать число диагоналей в k-угольнике A 1
A 2
…A k
, прибавить к полученному числу k-2, т.е. число диагоналей (k+1)-угольника, исходящих из вершины А k+1
, и, кроме того, следует учесть диагональ А 1
А k
. Таким образом, k+1
= k
+(k-2)+1=k(k-3)/2+k-1=(k+1)(k-2)/2. Итак, А(k)ÞA(k+1). Вследствие принципа математической индукции утверждение верно для любого выпуклого n-угольника. ПРИМЕР 4
Доказать, что при любом n справедливо утвер-ждение: 1 2
+2 2
+3 2
+…+n 2
=n(n+1)(2n+1)/6. Решение: 1) Пусть n=1, тогда Х 1
=1 2
=1(1+1)(2+1)/6=1. Значит, при n=1 утверждение верно. 2) Предположим, что n=k Х k
=k 2
=k(k+1)(2k+1)/6. 3) Рассмотрим данное утвержде-ние при n=k+1 X k+1
=(k+1)(k+2)(2k+3)/6. X k+1
=1 2
+2 2
+3 2
+…+k 2
+(k+1) 2
=k(k+1)(2k+1)/6+ +(k+1) 2
=(k(k+1)(2k+1)+6(k+1) 2)/6=(k+1)(k(2k+1)+ 6(k+1))/6=(k+1)(2k 2
+7k+6)/6=(k+1)(2(k+3/2)(k+ 2))/6=(k+1)(k+2)(2k+3)/6. Мы доказали справедливость равенства и при n=k+1, следовательно, в силу метода математиче-ской индукции, утверждение верно для любого на-турального n. ПРИМЕР 5
Доказать, что для любого натурального n спра-ведливо равенство: 1 3
+2 3
+3 3
+…+n 3
=n 2
(n+1) 2
/4. Решение: 1) Пусть n=1. Тогда Х 1
=1 3
=1 2
(1+1) 2
/4=1. Мы видим, что при n=1 утверждение верно. 2) Предположим, что равенство верно при n=k Метод доказательства, основанный на аксиоме Пеано 4, используют для доказательства многих математических свойств и различных утверждений. Основой для этого служит следующая теорема. Теорема
. Если утверждение А(n)
с натуральной переменной n
истинно для n =
1 и из того, что оно истинно для n = k
, следует, что оно истинно и для следующего числа n=k,
то утверждение А(n)
n
. Доказательство
. Обозначим через М
множество тех и только тех натуральных чисел, для которых утверждение А(n)
истинно. Тогда из условия теоремы имеем: 1) 1М
; 2) k M
k
M
. Отсюда, на основании аксиомы 4, заключаем, что М =
N
, т.е. утверждение А(n)
истинно для любого натурального n
. Метод доказательства, основанный на этой теореме, называется методом математической индукции,
а аксиома - аксиомой индукции. Такое доказательство состоит из двух частей: 1) доказывают, что утверждение А(n)
истинно для n =
А(1);
2) предполагают, что утверждение А(n)
истинно для n = k
, и, исходя из этого предположения, доказывают, что утверждение A(n)
истинно и для n = k +
1, т.е. что истинно высказывание A(k) A(k +
1).
Если А(1) А(k) A(k +
1)
- истинное высказывание, то делают вывод о том, что утверждение A(n)
истинно для любого натурального числа n
. Доказательство методом математической индукции можно начинать не только с подтверждения истинности утверждения для n =
1, но и с любого натурального числа m
. В этом случае утверждение А(n)
будет доказано для всех натуральных чисел nm
. Задача.Докажем, что для любого натурального числа истинно равенство 1 + 3 + 5 … + (2n
- 1) =
n.
Решение.
Равенство 1 + 3 + 5 … + (2n -
1) =
n
представляет собой формулу, по которой можно находить сумму первых последовательных нечетных натуральных чисел. Например, 1 + 3 + 5 + 7 = 4= 16 (сумма содержит 4 слагаемых), 1 + 3 + 5 + 7 + 9 + 11 = 6= 36 (сумма содержит 6 слагаемых); если эта сумма содержит 20 слагаемых указанного вида, то она равна 20= 400 и т.д. Доказав истинность данного равенства, получим возможность находить по формуле сумму любого числа слагаемых указанного вида. 1) Убедимся в истинности данного равенства для n =
1. При n =
1 левая часть равенства состоит из одного члена, равного 1, правая часть равна 1= 1. Так как 1 = 1, то для n =
1 данное равенство истинно. 2) Предположим, что данное равенство истинно для n = k
, т.е. что 1 + 3 + 5 + … + (2k -
1) =
k.
Исходя из этого предположения, докажем, что оно истинно и для n = k +
1, т.е. 1 + 3 + 5 + … + (2k
- 1) + (2(k +
1) - 1) =
(k +
1). Рассмотрим левую часть последнего равенства. По предположению, сумма первых k
слагаемых равна k
и потому 1 + 3 + 5 + … + (2k
- 1) + (2(k +
1) - 1) =
1 + 3 + 5 + … + (2k
- 1) + (2k
+ 1)= = k+
(2k +
1) =
k+
2k +
1.
Выражение
k+
2k +
1 тождественно равно выражению (k +
1).
Следовательно, истинность данного равенства для n = k +
1 доказана. Таким образом, данное равенство истинно для n =
1 и из истинности его для n = k
следует истинность для n = k +
1. Тем самым доказано, что данное равенство истинно для любого натурального числа. С помощью метода математической индукции можно доказывать истинность не только равенств, но и неравенств. Задача. Доказать, что , где nN.
Решение.
Проверим истинность неравенства при n =
1. Имеем - истинное неравенство. Предположим, что неравенство верно при n = k,
т.е. - истинное неравенство. Докажем, исходя из предположения, что оно верно и при
n = k +
1,т.е. Преобразуем левую часть неравенства (*), учитывая, что : . Но Итак, данное неравенство истинно для n =
1, и, из того, что неравенство верно для некоторого n =
k
, мы получили, что оно верно и для n =
k +
1. Тем самым, используя аксиому 4, мы доказали, что данное неравенство истинно для любого натурального числа. Методом математической индукции можно доказать и иные утверждения. Задача. Доказать, что для любого натурального числа истинно утверждение . Решение
. Проверим истинность утверждения при n =
1: -истинное высказывание. Предположим, что данное утверждение верно при n = k
: . Покажем, используя это, истинность утверждения при n = k +
1: Преобразуем выражение: . Найдем разность k
и k+
1 членов. Если окажется, что полученная разность кратна 7, а по предположению вычитаемое делится на 7, то и уменьшаемое также кратно 7: Произведение кратно 7, следовательно, и . Таким образом, данное утверждение истинно для n =
1 и из истинности его для n = k
следует истинность для n = k +
1. Тем самым доказано, что данное утверждение истинно для любого натурального числа. Задача. Доказать, что для любого натурального числа n
2 истинно утверждение (7- 1)24. Решение.
1) Проверим истинность утверждения при n
= 2: - истинное высказывание. Математическая индукция лежит в основе одного из самых распространенных методов математических доказательств. С его помощью можно доказать большую часть формул с натуральными числами n , например, формулу нахождения суммы первых членов прогрессии S n = 2 a 1 + n - 1 d 2 · n , формулу бинома Ньютона a + b n = C n 0 · a n · C n 1 · a n - 1 · b + . . . + C n n - 1 · a · b n - 1 + C n n · b n . В первом пункте мы разберем основные понятия, потом рассмотрим основы самого метода, а затем расскажем, как с его помощью доказывать равенства и неравенства. Yandex.RTB R-A-339285-1
Для начала рассмотрим, что такое вообще индукция и дедукция. Определение 1
Индукция
– это переход от частного к общему, а дедукция
наоборот – от общего к частному. Например, у нас есть утверждение: 254 можно разделить на два нацело. Из него мы можем сделать множество выводов, среди которых будут как истинные, так и ложные. Например, утверждение, что все целые числа, которые имеют в конце цифру 4 , могут делиться на два без остатка – истинное, а то, что любое число из трех знаков делится на 2 – ложное. В целом можно сказать, что с помощью индуктивных рассуждений можно получить множество выводов из одного известного или очевидного рассуждения. Математическая индукция позволяет нам определить, насколько справедливы эти выводы. Допустим, у нас есть последовательность чисел вида 1 1 · 2 , 1 2 · 3 , 1 3 · 4 , 1 4 · 5 , . . . , 1 n (n + 1) , где n обозначает некоторое натуральное число. В таком случае при сложении первых элементов последовательности мы получим следующее: S 1 = 1 1 · 2 = 1 2 , S 2 = 1 1 · 2 + 1 2 · 3 = 2 3 , S 3 = 1 1 · 2 + 1 2 · 3 + 1 3 · 4 = 3 4 , S 4 = 1 1 · 2 + 1 2 · 3 + 1 3 · 4 + 1 4 · 5 = 4 5 , . . . Используя индукцию, можно сделать вывод, что S n = n n + 1 . В третьей части мы докажем эту формулу. В основе этого метода лежит одноименный принцип. Он формулируется так: Определение 2
Некое утверждение будет справедливым для натурального значения n тогда, когда 1) оно будет верно при n = 1 и 2) из того, что это выражение справедливо для произвольного натурального n = k , следует, что оно будет верно и при n = k + 1 . Применение метода математической индукции осуществляется в 3 этапа: Возьмем пример, о котором мы говорили ранее. Пример 1
Докажите формулу S n = 1 1 · 2 + 1 2 · 3 + . . . + 1 n (n + 1) = n n + 1 . Решение
Как мы уже знаем, для применения метода математической индукции надо выполнить три последовательных действия. Мы можем представить k + 1 в качестве суммы первых членов исходной последовательности и k + 1: S k + 1 = S k + 1 k + 1 (k + 2) Поскольку во втором действии мы получили, что S k = k k + 1 , то можно записать следующее: S k + 1 = S k + 1 k + 1 (k + 2) . Теперь выполняем нужные преобразования. Нам потребуется выполнить приведение дроби к общему знаменателю, приведение подобных слагаемых, применить формулу сокращенного умножения и сократить то, что получилось: S k + 1 = S k + 1 k + 1 (k + 2) = k k + 1 + 1 k + 1 (k + 2) = = k (k + 2) + 1 k + 1 (k + 2) = k 2 + 2 k + 1 k + 1 (k + 2) = (k + 1) 2 k + 1 (k + 2) = k + 1 k + 2 Таким образом, мы доказали равенство в третьем пункте, выполнив все три шага метода математической индукции. Ответ:
предположение о формуле S n = n n + 1 является верным. Возьмем более сложную задачу с тригонометрическими функциями. Пример 2
Приведите доказательство тождества cos 2 α · cos 4 α · . . . · cos 2 n α = sin 2 n + 1 α 2 n sin 2 α . Решение
Как мы помним, первым шагом должна быть проверка верности равенства при n , равном единице. Чтобы это выяснить, нам надо вспомнить основные тригонометрические формулы. cos 2 1 = cos 2 α sin 2 1 + 1 α 2 1 sin 2 α = sin 4 α 2 sin 2 α = 2 sin 2 α · cos 2 α 2 sin 2 α = cos 2 α Следовательно, при n , равном единице, тождество будет верным. Теперь предположим, что его справедливость сохранится при n = k , т.е. будет верно, что cos 2 α · cos 4 α · . . . · cos 2 k α = sin 2 k + 1 α 2 k sin 2 α . Доказываем равенство cos 2 α · cos 4 α · . . . · cos 2 k + 1 α = sin 2 k + 2 α 2 k + 1 sin 2 α для случая, когда n = k + 1 , взяв за основу предыдущее предположение. Согласно тригонометрической формуле, sin 2 k + 1 α · cos 2 k + 1 α = = 1 2 (sin (2 k + 1 α + 2 k + 1 α) + sin (2 k + 1 α - 2 k + 1 α)) = = 1 2 sin (2 · 2 k + 1 α) + sin 0 = 1 2 sin 2 k + 2 α Следовательно, cos 2 α · cos 4 α · . . . · cos 2 k + 1 α = = cos 2 α · cos 4 α · . . . · cos 2 k α · cos 2 k + 1 α = = sin 2 k + 1 α 2 k sin 2 α · cos 2 k + 1 α = 1 2 · sin 2 k + 1 α 2 k sin 2 α = sin 2 k + 2 α 2 k + 1 sin 2 α Пример решения задачи на доказательство неравенства с применением этого метода мы привели в статье о методе наименьших квадратов. Прочтите тот пункт, в котором выводятся формулы для нахождения коэффициентов аппроксимации. Если вы заметили ошибку в тексте, пожалуйста, выделите её и нажмите Ctrl+Enter
А 3
ведливо, ибо в треугольнике
(*).
, значит и 
.
.Понятия индукции и дедукции
В чем заключается метод математической индукции
Как применять метод математической индукции при решении неравенств и уравнений