Természetes számok és teljes indukció
A Peano-axiómák, a teljes indukció elve és lépései, kidolgozott összeg-, oszthatósági és egyenlőtlenség-bizonyítások, tipikus hibák.
Forrás: DiMat_ea.pdf 12–18. dia · Feladatsor 2.1–2.19
A teljes indukció a természetes számokra vonatkozó állítások bizonyításának legfontosabb módszere. Előbb azt nézzük meg, miért működik, és ehhez a természetes számok pontos definíciója kell.
A Peano-axiómák
A természetes számok halmazát öt axióma határozza meg. az rákövetkezője (successor), szemléletesen .
- (P1) : az 1 egy kitüntetett elem.
- (P2) Minden -nek van egyértelmű rákövetkezője, .
- (P3) Az 1 senkinek sem rákövetkezője: .
- (P4) Ha , akkor . Vagyis injektív.
- (P5) Az indukció axiómája: ha egy halmazra , és minden esetén , akkor .
Az olyan halmazt, amely tartalmazza az 1-et és minden eleme rákövetkezőjét, induktív halmaznak hívjuk. (P5) azt mondja, hogy a legszűkebb induktív halmaz. Például is induktív, csak sokkal bővebb.
A természetes számok tehát: Minden természetes szám elérhető az 1-ből a rákövetkezés ismételgetésével, és pontosan ezt használja ki az indukció.
Az indukciós bizonyítás receptje
Legyen egy állítás, amelyet minden -re szeretnénk igazolni.
Kezdőlépés. Igazoljuk -et.
Indukciós feltevés. Feltesszük, hogy igaz egy tetszőleges -re.
Indukciós lépés. Bebizonyítjuk -et, felhasználva az indukciós feltevést.
Ez azért elég, mert az igaz -ek halmaza tartalmazza az 1-et (1. lépés), és minden eleme rákövetkezőjét is (2–3. lépés). Tehát induktív halmaz, és (P5) szerint tartalmazza az összes természetes számot.
Dominóelv
A teljes indukció két lépése: (1) az első dominó eldől, (2) bármelyik dominó eldőlése magával rántja a következőt. Kapcsold ki valamelyiket, és nézd meg, mi történik.
Kidolgozott példa: páratlan számok összege
minden -re.
: bal oldal , jobb oldal . ✓
Feltesszük, hogy .
Belátjuk -re. A cél: . Az első tagot a feltevés szerint -tel helyettesítjük:
Kidolgozott példa: négyzetösszeg
.
: . ✓
Lépés: a feltevés szerint az első tag összege , ehhez adjuk a -et:
Ez éppen a képlet -re. ✓
A közös tényezőt minél előbb emeld ki. A cél képletben is ott van, és így nem kell harmadfokú polinomokat kibontani.
Oszthatósági állítások
: , és . ✓
Lépés: bontsuk ki, és keressük meg benne a feltevést:
Az első tag a feltevés szerint osztható 6-tal. A két egymás utáni szám szorzata, tehát páros, így osztható 6-tal. Két 6-tal osztható szám összege is osztható 6-tal. ✓
: . ✓
Lépés: a trükk: adjunk hozzá és vonjunk ki úgy, hogy előálljon a feltevés.
Az első tag a feltevés miatt osztható 5-tel, a is, tehát a különbség is. ✓
Egyenlőtlenség, nem 1-től induló kezdőlépéssel
Itt a kezdőlépés : . ✓
Lépés (): a feltevés szerint , ezért
Az indukció bármely kezdőértékről indulhat: ilyenkor az állítás onnantól kezdve igaz.
Tipikus hibák
„Minden -re páratlan.” Az indukciós lépés működik: ha páratlan, akkor páratlan + páros, tehát páratlan. Csakhogy -re páros. A kezdőlépés hamis, így az egész állítás hamis. (Valójában mindig páros.)
Az előadás ellenpéldája: „ minden valós -ra.” Ez igaz, de nem indukcióval bizonyítjuk, mert valós számokról szól, és a valós számok nem állnak elő az 1-ből egyesével lépkedve.
Ha a -es lépésben sehol nem használtad a -ra vonatkozó feltevést, akkor vagy nem is volt szükség indukcióra, vagy valami hibás.
Ellenőrizd számokkal
Ellenőrizd számokkal, mielőtt bizonyítasz
A számolás nem bizonyítás, de ha egy sor nem stimmel, elírtál valamit a képletben.
| n | bal oldal | jobb oldal | |
|---|---|---|---|
| 1 | 1 | 1 | = |
| 2 | 4 | 4 | = |
| 3 | 9 | 9 | = |
| 4 | 16 | 16 | = |
| 5 | 25 | 25 | = |
| 6 | 36 | 36 | = |
| 7 | 49 | 49 | = |
| 8 | 64 | 64 | = |
Gyakorló feladatok
Bizonyítsd be: .
Megoldás
: . ✓ Lépés: . ✓
Bizonyítsd be: .
Megoldás
: . ✓ Lépés:
Bizonyítsd be: .
Megoldás
: . ✓ Lépés:
Mindhárom tag osztható 6-tal: az első a feltevés miatt, a második mert páros, a harmadik maga a 6. ✓