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_tIS1S7z79dBkLFoCBAOBQNnfLkt9sTSu4Gw_QudblpPW8tgqazrbj4c4YfpXsUKbtTNl1IbCV4yUZ0PfTsMaKGABJ0EryDJ23Rxt2BBtWoJId2fFgCe5U24WrLk-pn-cLTovL_QgoHCNeoK7YBsk-HPuxXZc5BW8idOCswgx2FpgBWI_etmbE1ag=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_uY2P8SGwnEDz5IvO3gi0cdPEtRbLnbI2xDMdIj5ahVEa90303J645c0BPYzhtobub_9BK_7tnsCj4bYlCLTzaak5PVx9hULDDU_h6zmgamaFHxhPHmooEa06VELgRY76886SjMc1tiTepr1pqhPjByEiABTYuAPb-k-Gu3208FWbPYUMGp4PoJWnUSOsEJfeLSY4aG0Vsg4txwRAoothdFLhV_CtzM-Ek53rZTXVnSg0lI36GfnoKHcInc=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_uAoM4L6sKW0AKTXPzi7dTQ0Br1tjMtmCf1U-33LK_CMQ6i9U7hnSdNsiQgSJqPIPZEQnHsGXRsFXLHifrjZKYNYgocU-bGjOJrQgFPhsKBM7r4il5vIDbzgbuY-8WKlPs3JlL1AtF6JAQHQrvH8WxE59vEffT1qeiNlhvC8iQk7bM2N79ZdwrDrnyLqaRyav4K=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_tixfysxdMb7pgwNMd44bt3Mfaj7s-FnTjdxvE6o9I4Wgi9WSf0HNNxtI7_6v2F20_33XpP9XCCQgCLbLZM35pr8ZdEh4o2nmQKNYdTinp9dik0zpYD5HH_evyxqDvuNZfypUDtxV1gANypQ2zabmy8VgozQbMpvHc0jQ7sfs0FYX9DVNuOvtIaEChd6C0ZuQ=s0-d)
Primeiro, temos a base da indução,![n=1 [; n=1;]](https://lh3.googleusercontent.com/blogger_img_proxy/AEn0k_s0RcPhqOE3FQuXYi75DtdFc9LZ54mU3JjrsGM-RG-GgvMGTWhTax4zJNSiNcDPiiWjeycUy-n9vRda-fl1lA=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_tjhRFAVY9_OrBMJMzLCaLC3YTxf4CB4eSIiBzJ2thfGX_Kz56bIKGbUoBDAuNxgAgg8w-sFSR0noTJJzGCjbgWG873vnAd_rK_ZMu45xACHL1tgvv3dRIRXsqXNPb576ZJELEi6QvdwYxYUe2Hh9rzYqqr443538NpH_kJyrIbexOZ4bkMNA6nK-D7t652dUWdz8PMqzwOIdIDuym9lGZvq1Bam42mT-WtUvWIV1kOf_OYYTgq141HBW5MaFvE4Sa6_TGyXnbXqPCBS9UQV9A_TSNuJV4rtm_cE-Zx35UWlqzl=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_uM_F_0xQG4WBsjxAL8yqRVm_34gxkho400diI41mW12wwAYciZ2A7rnTwhFOQ0okz61pemPxW_VYUBbdjfgynPURmmcFc8m49DpVJTksM3LCgHpiLMQS_gsswIdR8-zzPSgZpSZsOiTxP3wxkm0L2Sw7ezjYHjl6Ql-bdd_JcVZnR5wcKuzVF1bt0z5F8nSClq1pKDLRaKegU1ee7brU3KWchy91hpNwGnAI0RaJzKovzkEFs=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_u7Wz_Sdfv3Ukykw5GtUOi1WgSSUqdMa3FCTsYh1x4jpRA6biSDL_OmgHDS_GRm9tCCbuGhTpSonHCfm9DfgjHHblMR0-RNibFixstQSGBB6NuKbH1SQN7QK3jPrYsSI7yIfhxccDkBj1oLbiyEt4R0uyRoLnSF7LJVszLQQZcWDEzkXFXEQXOOZraaGJmqicRc9jWuStA31aMXdI-2UFLSBtKs0n3owLqb7itl8JRETzxFBTCSrujTO-5cfMn79bY5DGbImMmCc6Yh0VHdQAW0zu3GFxkMpZNfg7KLJjyaoduOfNWGinBSzEpoAudmAz3bn5g81_dxeU-oOB71=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_umX3Bfa7OTztUin_q1KdVEdn2UF0EMmNqyZBmUrSr90mKqKqA82GayUEOGOVV-u2agY9_hrZ_LV5lHwplv6dCXgGY5mMs1BW1FuELI8k4izDhFxTQT9qDz-oxcJopRFpzjW7yUOeo3lmlTOw5cj4o=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_ur0u83iDfGgYEFmZF0AA0CT0ZTQv6VpdnnbFaOqWgyEmQzQ8xTMgWX1F2l0mwic7MHSDHgG2tOKXQiyCrGVnxFbcM0NG3mJfVdRSH-UlcEcO2ZIo7omOJ2rgvFwOQf1DNb_gx0hdpVwH8IvvDhk1ZVHuCoUtfgtfHfrdA09kWkJA=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_uYty8MkGVpd5QctSw488iKZO3HanC5m_tcEcln8iU0H-p-8jY1ofRkTf9XvjDdXOU-WYPa5QKVmkOxbegqFBVb_5EqhM_3DHOQsOKNJGgBlyUHpPg6YdtERhhuE8fhnMyt9ebLGaMxz6bygxWP8F--uOClIPFkOUvX0cxwnzlFcNMlRzrQtmg=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_s2vjV_u2ADOzD1UXigVCBUVcgRiQJZONwsW_mqyRRo7GrKTew_q64UyW44zoFB3G0XEhfFrwMxYf4ffnojQaux0etOMQt4wrIg8haGMB-V3mBzRIkr3xQrIXlwGnGdWbHsfOGNRkvq6Y1NQ-czTPBFD03woEHUA21bUf0=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_tY0cj7pWjWf8wyjAsCVbvzjnF41PmEois05d2EF1hXd8LcrJ6-5ycfLwnL4BPiOEEIYRA7cOUD4mLKzU2TZ9_f_JzMuRtvT4y4A-0NXUmBrXDv6AbhGww337BOb4zadDUfDPy2P9x2P425ABMyEuPuF_kWGu3TmGTOqO9CYUBC3cz5AArlt-Xc56YbJH8YCZOSHcRouoeEZiP1xTXMSuXyWJdXQ4RvortBwSzPIZgsANpwvSeGC8c91DS9=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_u3fQR361G3p5MUZE8aD0TjJEU7PrlFTini1iSHPbAIO6Iq8uH3zXZrBvJL_5NEuzo6jlTrPouDz5ssvmIfVe01n-cByqyIEtbaVBRFjwo33ctcaQcoTc9HxxKNNC12sewmKIdUrzV4ssRTUQBR_fh5a_QsV_12_pysnJUdLOuxbCIWoajOw3-psPF2y4YOn_i6iY-6wLVK0a2IusqtgDWqmT1cJxxEmu0=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_uPx1gN8K3UnAsUAcDpNHH6nX91HPywDy3ChV-tyqbAiv2Ve-czuZ_KisDhmY5PiP89MNEIT0lwzBJvNT9JSD2C_42EjSJhKIFg_hBIrRYr4V_Feh40en8XfzZQ7ZCTVB1WPiPyM-YWwtgDtJmgArYr6m1I--fDFg=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_vLTeRvvEBjnyPkCmzcplKN9C0Hv6tWaP8ENZl7P07UMsaHJGShm9w7YAT8KBwbGZ5WScgAGm6CJja5J3qJ-aW3--O5bWz66xg_VMbxau8DAbrOmmzO3QWp2ZGlzt1VLsr2Ld1GL9t-lTUK52CQQObm6JixFDKTVyoCAPUrnnto9QG3mgeDopQfwKSy=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_tWK8Nn-GxkiWli3WC16y8SgmqYFbsBXaoCX7TIAZK0IHyur0zsFcJj6NRBORK2WDW9mS5Z7WjsQi6WtaKtgu4GvXIiGUw=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_vb-DlXW8Zxk_peE8JWCk8Uy09wXrK7DbsPgRYeioVrysTc1AhnjWbCS8mckvScY0gPSyHgwE_lnT2NyMw4-2MeuP7WJgrrrApn5vJ-NhlvlnYoujahscl2WxzxLhTEO7c=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_uX7mlsnpvJxXSppggc90BHHBM6Smndp2EUSoxoy3Ci9kI3ClwF-myUgxZB2-J7BpaJ9kOfsmj0dcG5zvVYDf8Z6DpoVxvEqZ6a74WIoCs-6SsqnOMV4VEQ-JciD4YY19lo2rxPMnC4EGznkuCSfxiA4HeQf11QZHBWYZdXuyd45RUJawry1mqLkZ-KlKg5MJRA8MwVrQ=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.