Olá, gente, hoje iniciarei uma seção em que darei algumas dicas importantes para a resolução de diversos problemas. Essa Seção ficará aberta para sempre, para que eu possa acrescentar artigos com alguma frequência. Como plano inicial, espero que até o final de Julho esta secção esteja com alguns artigos sobre métodos de demonstrações matemáticas e outras dicas bem importantes. Hoje falarei sobre o Principio da Indução Finita ou Método de Indução Matemática e suas variações.
Antes de explicar esse tema muito amplo, citarei alguns exemplos.
* mostre que: ![1+2+3+4+5+...+n= \frac{(n+1).n}{2} \forall n \ge 1 [;1+2+3+4+5+...+n= \frac{(n+1).n}{2} \forall n \ge 1;]](https://lh3.googleusercontent.com/blogger_img_proxy/AEn0k_ulnUXTLIbhQSq5bRVzP9PDQdyMb1TVbpqj4GazACOv3B_MJBPFsAcv_VRnBMeuNXPD09FPkZytVT_whbw1bycrPfg-oTLitkfBPsxQezu3VgzM4Rd4RNGRB6LVg2bplC9JhsrFqsFkh5lTFNLXPBU98ie0-VuWiUnGqHYCX1uW6U2ABP1zNvfmsg=s0-d)
* mostre que: ![1^2+2^2+3^2+...+n^2= \frac{n \times(n+1) \times(2n+1)}{6} \forall n \ge 1 [;1^2+2^2+3^2+...+n^2= \frac{n \times(n+1) \times(2n+1)}{6} \forall n \ge 1;]](https://lh3.googleusercontent.com/blogger_img_proxy/AEn0k_uvC7XEWaAQe23uE2n7iI7sI0C1Ln5mDvpXsq4l5FDt3dQ2jKFHduy5ahJKawfNWzrNiFRWaLCOWmpt4Jlv2Y1URT9Ts74XRW_R1hGDDllrWkb1F-_Qpse-OB3wfv7eWivgbgfY8Zvst-QMGftOhrZxuRQVNJe0oRjZBK9OMSjY1mYcaTG1EXXWJ_-au8RUrivnPEyhxhaD4eqHibbdJvD2DCQwTjPIqh4XDwOwFdIWV4bR5URmhhCA8arC=s0-d)
* mostre que: ![1^3+2^3+3^3+...+n^3= (1+2+3+...+n)^2 \forall n \ge 1 [;1^3+2^3+3^3+...+n^3= (1+2+3+...+n)^2 \forall n \ge 1;]](https://lh3.googleusercontent.com/blogger_img_proxy/AEn0k_uY-c445x_IKM3D8CAkiS_kII8yb8puE6Ea3MKLzlWIAYqyp_gK3sAezsh3atKPiTVRN4tmpv8J9MMPwJdZR-MmxG0C-AVKPSwc101xA9QGSVtm8Bk1Z_Hz1BJDKMXQv2Q794jmreV42cgQQ1-yXKRbZUEN2jMdRaHh8DysR8fxBakQgv3xsVcYVzKvtIjZlUra=s0-d)
(Após demonstradas essas propriedades, tentem gravá-las e refazer as demonstrações, pois são bem importantes!)
O MIM ou PIF consiste basicamente em uma maneira de provar uma propriedade
para todo
. Para isso você deve verificar
coisas:
i) (Base da Indução, passo base ou passo básico) Verificar se
é verdadeira e
ii) (Passo indutivo) Verificar que se
é valido para algum n natural,
, implica que
também é valido.
Em geral, há uma certa confusão pois pode parecer que é usar a hipótese para demonstrá-la, o que claramente não é valido, senão qualquer hipótese seria verdadeira. De forma mais didática, a demonstração pelo MIM equivale a demonstrar que, se vale para
e que se toda vez que vale para n, vale para seu SUCESSOR.
Por exemplo: imagine que eu subo uma escada, e que eu garanto que, se eu subir um degrau, então eu subirei mais um, com isso, eu subirei 2 degraus, e como eu subi 2, eu subirei 3 e assim por diante. Ao final, eu terei demonstrado que é possível subir uma escada de n degraus para todo n natural (a menos que eu fique cansado hahaha).
Vamos agora a mais alguns detalhes técnicos e exemplos.
No passo base, verificamos a validade dessa propriedade pra um valor inicial. A Hipótese de Indução (aqui no blog abreviarei para H.I.) é a propriedade aplicada a n, ou seja,
, e o passo indutivo consiste em mostrar que, se a Hipótese é Válida para um n, então ela valerá para um n+1, mas veremos como funciona na prática.
*Mostre que: ![1+2+3+4+5+...+n= \frac{(n+1).n}{2} \forall n \ge 1 [;1+2+3+4+5+...+n= \frac{(n+1).n}{2} \forall n \ge 1;]](https://lh3.googleusercontent.com/blogger_img_proxy/AEn0k_uw4rbE4zIsPymSn7zm_4fhTABhvJ31j1-OlHCm5w0cysef4VKhK2PPkZ-YL7dug2sWgRYu2S8wb4E7PyWvw6qEoKkQ5AJ-jPm3L-5Qu95M53Rvw7i5Ov2pnBywH_zi8pNJ8wUXcI2ySFI-Vb-sS3kRTGXrZ8boDoXi4MkqGYv_6oXAZcL-xkDbsGiZzkNPFw=s0-d)
Primeiro, temos a base da indução,![n=1 [; n=1;]](https://lh3.googleusercontent.com/blogger_img_proxy/AEn0k_uYmRHwhsaJNdf0Bldmnn3RXVqY6lES2vX3AuwayyWRiDy45M0eeFlifNDBYzAburTDXx-BgNTA8UMb7Y7EzQ=s0-d)
Logo, o passo base é verdadeiro.
Depois, supondo que
seja verdadeiro para algum n, então
, de fato,
![1+2+3+4+5+...+n+(n+1)= \underbrace{\frac{(n+1).n}{2}}_{1+2+3+4+5+...+n} + (n+1)= \frac{(n+1).n + 2(n+1)}{2} [;1+2+3+4+5+...+n+(n+1)= \underbrace{\frac{(n+1).n}{2}}_{1+2+3+4+5+...+n} + (n+1)= \frac{(n+1).n + 2(n+1)}{2};]](https://lh3.googleusercontent.com/blogger_img_proxy/AEn0k_vxBt-ygF8ztP6f4NyAh1JyCLHCgXdplaFMDbTP85u9DKfKfAVfKUOmtGwkKeIdlAKoKvBE9nYysDzy3VBYlzLgY4aeDNMeWvmHNl7RrGDDBPnmDZKlljRRj6yHSr0zBoy4lA8_4sLJ2aNNgsahj7YjzeXv-jqXN7xaZR-LMrlHDUOgM_CgUjPxkpqx0bAM1-0ykJ49Bh-jKXxsX-ev9wW-4L5Nbu5ZlJg9AAI7_8C9DIUnkxGoNGDO6I32MbHs-qYbZF1ghuUH9VGRd9YkFdslqq6dVZkx8ODBksDB3tFH2VR6=s0-d)
botando
em evidência,
C.Q.D.
botando
C.Q.D.
Acho que com esse exemplo ficou claro como é feita a demonstração pelo MIM. Aqui vão mais dois exemplos para ajudar.
*Mostre que: ![1^2+2^2+3^2+...+n^2= \frac{n \times(n+1) \times(2n+1)}{6} \forall n \ge 1 [;1^2+2^2+3^2+...+n^2= \frac{n \times(n+1) \times(2n+1)}{6} \forall n \ge 1;]](https://lh3.googleusercontent.com/blogger_img_proxy/AEn0k_uT0swNWf4ZBCWKCjcSDbLCTsOCH4LCG7m8eWZAAcLIcuyqc8_p2p0NKRLmCtwV0ILzxyNFWUkiMKyp1SkCV-i2h9rHSaQzOdHVtS5d6RIWNw9Mt70j0g7rMgNkFggx2fwXO8lH8fwDwVIW1NOo65ReHso7OHPRwXaIA4a3TGArsFxFDbfvI4o4HBf20oDBx2H_ho-yP0RJvehheDkubogg41qGwUs3d3nfFU66XNFuVlNry9Y=s0-d)
Inicialmente, vamos mostrar o passo básico.
Logo, o Passo básico é verdadeiro.
Nossa Hipotese de Indução é:
Vamos mostrar a veracidade do passo indutivo.
![1^2+2^2+3^2+...+n^2+(n+1)^2 = \underbrace{\frac{n \times(n+1) \times(2n+1)}{6}}_{ = 1^2+2^2+3^2+...+n^2 } + (n+1)^2 = [;1^2+2^2+3^2+...+n^2+(n+1)^2 = \underbrace{\frac{n \times(n+1) \times(2n+1)}{6}}_{ = 1^2+2^2+3^2+...+n^2 } + (n+1)^2 =;]](https://lh3.googleusercontent.com/blogger_img_proxy/AEn0k_vkcr_gqDgtZXC_u9O1j4fonN0wNll2Lg8HYjilN0RVLndgbPn66Z7hgNqVyU9HY_4GEDKZ6tmE7SYAuQnip8jpGzYT3uC-pEqtij6v8CG-lb-kyOtg6cvxjFJKc1vCufdISGhAG_lKEZE04wPsKCDqkrs3rwgrstZgM4EErXjprnNNxtvNPQudpbQdHMFsSKNHJrHzuQ7IAgHSasKYAprhOKih10gOVZ5B5CMdd8uFDqVQAn1k1DQedcQqJZpoxBiIkE2jIWRWrdQyeZ_VwrOkuEn8Ztayu5BP40EZ2sGl3KrC3zlG4BQcfQlaG5CUlihregGYKykStDE5j_32=s0-d)
Botando
em evidencia e fazendo algumas contas...
porém
, logo
![1^2+2^2+ \cdots + n^2 + (n+1)^2= [;1^2+2^2+ \cdots + n^2 + (n+1)^2=;]](https://lh3.googleusercontent.com/blogger_img_proxy/AEn0k_uqvzMezXrMpOFNnkFxDeT5HlsXQAU-jYPppprbFQYKG379pt1kv_P0z-uwIC3l2jTz7XxIEptegJLhZgoWEH1ZKJxULC7xOuacuBHAgEULqUmVKPPQeepdnGZAU8tvInSR_eFCn5JblgOMtz6jI_c=s0-d)
![\frac{(n+1) \times(n+2) \times (2n+3)}{6} [;\frac{(n+1) \times(n+2) \times (2n+3)}{6};]](https://lh3.googleusercontent.com/blogger_img_proxy/AEn0k_t9WryYibtdUsFq4W26Nz9nlGnT8mRxPeEgEv6cEh-3FxYun80AcelmmJzfsmaZLFfNEa6epXvdHvopWQe-6tFPpVdjf4g9CejfZ1-l5yIHTzrZI2VI5PuRPFUG01vGmKCsZaGKdUw8Dsj7y6ZwogNlUaw6a8Jqt2QlGNEQBOnh7A=s0-d)
que é exatamente nosso
C.Q.D.
C.Q.D.
Uma boa dica é escrever como deve ficar seu
para que isso indique um possivel caminho para a solução do exercicio. Tal ideia será muito util na resolução do exercício a seguir.
*Mostre que: ![1^3+2^3+3^3+...+n^3= (1+2+3+...+n)^2 \forall n \ge 1 [;1^3+2^3+3^3+...+n^3= (1+2+3+...+n)^2 \forall n \ge 1;]](https://lh3.googleusercontent.com/blogger_img_proxy/AEn0k_uRqDFnRNS3ukh9F59Hja0fxBG7VwtyXZloc3hFEr2kausT-htMPTnDJE8SeL3DmJVEjuTFd0s4BR_jN6Ef0070ZtB3-4kcmFEom_InHE8l2QlUxbXAQNgLsxJEtfn3ozdlBURWDc0-5JHnQRqZ-annaD7UZMQb_RuzxVdXVAZNd0GbHz5XeyE=s0-d)
Passo Base.
Passo Indutivo.
Inicialmente, para facilitar, temos que tentar entender quanto aumenta em relação a
quando passamos para
, primeiro,
escreveremos
após isso, fica facil ver que:
![[1+2+3+4+...+n+(n+1)]^2 - (1+2+3+4+...+n)^2 = [;[1+2+3+4+...+n+(n+1)]^2 - (1+2+3+4+...+n)^2 =;]](https://lh3.googleusercontent.com/blogger_img_proxy/AEn0k_us6-lzr1vYVTQ5fIhTkvkVkm-HMT496NaSLvn-XpIVgJ1ibEu6D-y08BqD3zvB6L4iRqN_huLLV-XjIQv_3O0F-HOlv4j2V4PHFK3r0idJMcnzUlayGhzKnyn_JBxsiPTHF7gk72F9I-mcUthXMaUnryT9ywwl6FsjSic=s0-d)
(é só ver que cada termo de 1 até n multiplica (n+1) 1 vez, depois (n+1) multiplica cada termo (incluindo n+1) 1 vez).
Isso é o dobro da soma dos termos de uma P.A de razão
Esse processo informalmente demonstra o teorema, porém como isso pode parecer usar a hipótese para demonstrar a hipótese, quero terminar com calma a demonstração.
Passo Indutivo (formalizado)
por Hipotese de Indução
porém como mostramos acima,
![(n+1)^3= (n+1)+2(n+1)+3(n+1)+...+n(n+1)+(n+1)+2(n+1)+3(n+1)+...+n(n+1)+(n+1)(n+1). [;(n+1)^3= (n+1)+2(n+1)+3(n+1)+...+n(n+1)+(n+1)+2(n+1)+3(n+1)+...+n(n+1)+(n+1)(n+1).;]](https://lh3.googleusercontent.com/blogger_img_proxy/AEn0k_vfnN-P6uQ4iExfQqoT7LAWY1yhyUADlXDo8e3-zlfdAYtLhNSq4hNj8Ixs8syiaN2UvrtAm1Wmgp9eHEcx4nNIX4XY8CSGBaoSZZkIX-4j-t4XSQDs0AgBEntHktQpIqk-qQM2Aaipi90WqCr3y33O9X5hWVSGPBEfmQDniMbveWQZK3gBNSraXTyl1iZ52e9qOZMOhRr9V6iXPYNAp9oQUbY80ny524pRPQlrZ_xIcao7x83qVyJU4GtO=s0-d)
Porém, como mostramos acima,
![(n+1)+2(n+1)+3(n+1)+...+n(n+1)+(n+1)+2(n+1)+3(n+1)+...+n(n+1)+(n+1)(n+1) [;(n+1)+2(n+1)+3(n+1)+...+n(n+1)+(n+1)+2(n+1)+3(n+1)+...+n(n+1)+(n+1)(n+1);]](https://lh3.googleusercontent.com/blogger_img_proxy/AEn0k_vLu9-6XTQ5AjOcipjzx3PFrO_h5-sl6EOhJpdFCZHF3nwE1FroF43zN4dYi_ZaCJmzaYVKANrv7wQpPbTsDSEWIfUE8R4IQ3tn02McNO3qERztcJRGM1oGeheOv9Cqf1ccgo5G7eK1Fl2RxXB-lEk57P0D3auwLARVu-Q0_BnWzwMduZC7VXfSrr0dNzu7wIElgQ_qgu6TAk7Hy2fYNlSh-jMBx9xI1Xo=s0-d)
é a diferença![[1+2+3+4+...+n+(n+1)]^2 - (1+2+3+4+...+n)^2 [;[1+2+3+4+...+n+(n+1)]^2 - (1+2+3+4+...+n)^2;]](https://lh3.googleusercontent.com/blogger_img_proxy/AEn0k_t4SV4B3zxedhV8PU1EVaXW0lMTh4div1rgls-mHwkWXdUGu6asUz9UFhroD6SimFzDd8E5r0kAZxCdiscwOv2bQvBHsdVHj1N7oIPdTRHkM75xXWQ8HaV7ehGAJrYym-Yf-92zEQrRnBelQNha3LSmLkMwyzdfeg=s0-d)
Porém, como mostramos acima,
é a diferença
logo, ![(1+2+3+4+...+n)^2 + (n+1)^3 = [1+2+3+4+...+n+(n+1)]^2 [;(1+2+3+4+...+n)^2 + (n+1)^3 = [1+2+3+4+...+n+(n+1)]^2;]](https://lh3.googleusercontent.com/blogger_img_proxy/AEn0k_s105NEW8S10fB7_obKUpDxLxyNtua1B_wL5zW8Wt4eBatBMlR6s_aSlCfu90vu_SBGgQF2RLRKmiRtVPlxm6HUUyB014zJ4X1X_fUrx0uzgDgwnea0671dvMqW1Bo_Jkvh9zquS5IWSQLAL1BVZM82qUimi5GEVlNlPPoQf97hve6WIFxXh0WMmI_C=s0-d)
C.Q.D.
C.Q.D.
Antes de terminar esse post, para que não fique muito longo, pois o assunto é bem extenso, eu gostaria de mostrar um erro comum ao usar o PIF.
Por exemplo, demonstrar que a soma dos n primeiros números ímpares é ![n^2 + 1 [;n^2 + 1;]](https://lh3.googleusercontent.com/blogger_img_proxy/AEn0k_skiemxDKBg56_9p_FC14wTUYmttvPiWqOXEoryl_CpEIA5OuDSLXFlDFV_i5akTWIALWbRp4z6nHj3Pj0EJtvcVaDAZs0=s0-d)
Definiremos um número ímpar como um número da forma
(note que o n-ésimo número ímpar vale
).
Nossa Hipotese de Indução é de que
![1+3+5+...+(2n-1) = n^2 + 1 [;1+3+5+...+(2n-1) = n^2 + 1;]](https://lh3.googleusercontent.com/blogger_img_proxy/AEn0k_uQDa2OSMZ6mofKjxVA5GXk4lhr-UV7n-HE1mOvRqpCWbOk6X-9flNvwjR3NVPOUmXXu89Xwt2fnJ1wsBIoyDoWiEduKzdwhsY7BG2TbH4WfPxsRE7d8NiyPxoCoDSmUjs=s0-d)
então
![1+3+5+...+(2n-1)+(2n+1)= n^2 + 1 + 2n + 1 = (n+1)^2 + 1 [;1+3+5+...+(2n-1)+(2n+1)= n^2 + 1 + 2n + 1 = (n+1)^2 + 1;]](https://lh3.googleusercontent.com/blogger_img_proxy/AEn0k_vjIj8wq9vdRo2J1z2mmZNivoS9QJqYCWvFNrI33MNkuWfzsENcqc7vMfnwa13yL9ifTzC_PaRmYQyEbTQbGhiE-BRAlAiQxAm_P8_AiD9Kvl3qUOPSMRPDGPCCIGO4_O3KTHK1NYL-Z0KvhUXB5VvhjgMTq_JFsTJhIU4tw5ZbXfhDMX-9EqFNYyswkZ6k6xv01o555w=s0-d)
então
CLARAMENTE ISSO ESTÁ ERRADO!
O erro é simples, o passo base não é valido, em geral, algumas pessoas não verificam o passo base por acharem muito trivial, mas não é e ele é tão importante quanto o passo indutivo.
O erro é simples, o passo base não é valido, em geral, algumas pessoas não verificam o passo base por acharem muito trivial, mas não é e ele é tão importante quanto o passo indutivo.
Só por curiosidade, a soma dos n primeiros números ímpares é
Até mais!
*** Lembre-se: Para melhorar a qualidade do nosso blog, avalie esse post.
*** Lembre-se: Para melhorar a qualidade do nosso blog, avalie esse post.
Boa noite! Estou pesquisando alguns posts em Teoria dos Números e percebi que em vários deles as expressões não estão aparecendo. Há um motivo? Obrigado!
ResponderExcluirOi, Diogo!
ExcluirInfelizmente, é um problema recorrente em postagens antigas.
Em breve vamos consertar tudo isso.
Abraço,
A Equipe do Blog.