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_sKlsg-Egealcd1U2L5I_U9BC6ZT3XLw6kASN78BJbCL4IQmkBXNxHnHQSwHLZkm6iyx_-oIbm_iCccsWfZVWfnSYN1JOMkwk-yZNUI0kCOtw11JzSvDXYRkx-hpGK6qUfGmD62NiS3MB6bAvA2uLb1ypoJovY3BTBDQ72lK_KJf6-tMN5xnuKV2A=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_tW9gobAvPUBisZkCGNYwrCzNV9tDGmOwDAIXx4tkRKaaOs-lJRc4QunzWC10nxMAUvnd_DTWvuko9AMkSUrSvO0kYq5PppPCEZSDleGzD2G0lvtS5pAZL72PfPf8Vcq9Sd01j5Kv6Ne8YRQuFjortvbZEpK9y_RbdJ3IUZxa245R7CS6WCybAXoFihe00DupQUn52yVJeCPrEn56PCy9GsANbAFuxwKE1mYgoQtf2JJHo81k7hWK4hB356=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_tkIsgLKw79Fgz4a4jfdXmy783DaJeGJsbD_AbKCQm7DIZOayniCvZIUIfacO_dsEl0YKC22UctzG1C_BNExkb_HYiLEURsVmyjG836JNYBxRSNtPibBJQpixUmrgjO19M0qxWR3X7IOfFnPS1eNImA7Oqv4JHLau2CNT7C90EUeFzggGlKVuX2K-OK8jwDVesE=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_uzdpCxvMGIi_L-rY2zNOeor5KwxJlySsm3mEfMp_W0JyyadwHHz_RIhkWHqhLJKNC80wWbLw1sCCmaOqrCxn8jCwiRkIcial28xpHSCmVwF12yAdxUTlJMP8HkPpGv2bAxViIDRWFLm4DICyFiRQ0bhLgO1_9fifVElucP9SODlmrm-a-0GRGYjLNNF9Sleg=s0-d)
Primeiro, temos a base da indução,![n=1 [; n=1;]](https://lh3.googleusercontent.com/blogger_img_proxy/AEn0k_tsxV6hGXKpAZBiwjRu0t-DxjCIUzTVsBXOigiCfNrkLbWLyB7j_UsYqDEycRTk6sKj-AklUkuG1x6s3lxRiA=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_tGWEjxaLc-7QVWH3_UR1vuxdvC9lunaB4GRZWEkheWsj8HYnTpiVHS9iT8p_bC_qP_3mPFRYqsGnS__9NnrsPMAjS5ms-r-c2Y4vOa7e4w5J8z_UCIPLNhZx438utiFYIE7xxYxO_hH8hjyJmjhjzykOVBQ4lBTxZ966zjz8QHc7ZmNU2s_egPkQn2QNU-gdrwlv0PrLI3udo6jfy0Bw4PD-CPHE8i6y-0NfY-sUvZFPK4O5Dj7ynAdUaKBBpo-SowWLEbf6eZhJLDhb-wyBBrNmQjuLREuZpud14ls4gNl8HQ=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_um6lHNC4scK3YlR9RIOc5gxyJWmv2xA5awrPJg4ewJivAZInWFPRNM0y2HdAbcSmn0-hiVMAlo7uEJ4vKjhwwUqE0ztNjxCem5DgD7KmL64THnkv-gvdX9xJzSQSZbmP9Bwc0REC0fBLOvaVVtRtFt_7109qaubbnCxV_4nhkFSTHUcEBC_hA1NlUqcyR6SPxO8j_vboAP_DNzRGH0nXJtNYn2PQtZEQbEFCU6fntUna3c58E=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_vIqJ3u5NJbAOsF9DKKzIaF8kLu9pj-8Qr7IpBC7hjovJWfG5xwggDQKnpRgbb0n-s32qoErUFeDUvHy2u7FaexQxGBGtb9O86bv6JZx1EYGoLWAq_Ex0kF5wEREezOPqHT_Oa8La5xRQujswXSlj_auJVH1z3IfugJhq-SJzoCRyscXisrNMs86P88iicQgftoCpItxkcKVrysUIM35nStIHegtXSPGwO2VzEOyACLv7qhj0t-OvsIG--1I98N1lT5dSK2DDSuhkUVI0ueTCSGUgpeeteOzLmb9vXH3MD2vAZnM5IsHM0ziWftywEArws3ggj6zffds57EwthV=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_twKrXsPrb19MgZsHbAE1Po6ZFDErWbKxxEUu9aJCHG2mr5wRVRl309rjXT2aGkMiMFh_4xDyPhJLgvUHPuKH4KOH1dzgWYryEe0HvIFpmhjYVkFCxGsiLsbRL2U3sSjr3YZK0DSdGthhFVt3OW_uQ=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_tRVL9YazagGfjjN30lMwfnQ55VSeJwa2In1xlw9HcKZ1WSBzsmMfar2wcmX983JURispUv4q32GcCE-BPUkVuPUDw6a45Nfprze4FNnmiLY6N5MRjVrqHecercOf3IaoQg-LW_dsvNGAexkbtEG0zpr7OSlpACq0cSMtpyU7BadA=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_ueHTDkBz-sHIbOSW6TFM1VW9fmOA4PEHvw5byvM0nLP1PmEmrjvQdUOUSEDz7nFE0GP7L_-Vply3DJuHimtWACimEFszCx8OaUE33dVdV2cKHmgHPtigU0MWXrvasUje2MBFvmEyKJdn831oHdqRooXcn76Hbn2LBve0Fp3ZqOwsgfdLmYxVU=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_vYPqQQ_2K_N377Wui8bK23SJ8gz5r7A37uTIEfp1gGGZYugOiVTNoPf8kAFl7mPTS2xAMbnOIlmgDAx5foRG3-YEUVkgvmhE98ddxswzyuwg581JS2UUYwEIgXo-G9iL7CDa682LEW2X0esfC8richcyhtUQA6l9uwx68=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_tEywDh40W1-K8yjTBD4yrNmZAL0xY-I9gRDOq0UGjYeV7sF2-URe9Mi_f26IH6-2FVwz5yWUwRNm5UwJNz8GD-iA7ZXmJhc1FwECuEmOHPZeWevm_LEC0uhxika-nwKMntqHx18ShCHlSciykM2k2nuq_NLg-0XJG7ogT0VC9O_1zLEAn4ugL1dN5NwOh08YsDPeNMLcudEu6nKlMaDtqHmZW7Zlbjb1c1GKWWPLgqV6cCiRMj5hoEkkLu=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_s1ZvnZ5NqDi0DfUYvIAtS6khvD0HeQ8wM_rYIq3ruK_s_VBA2_oCrzgynXCcX0jT_TWkIhZExlfun38AjnLMCOL32ZN7wQPI3IZwxq6MUPew-I49i5Kt8_vuBygQV1HZfjhIURpYFWVs7mQO-FzG5vwiWwU_knEbsA11Sc2l_gMK7taHiNr7lb8I_AkZEzGuaPfF561Ua096dSOkpogtYl_MquTxZJG_U=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_sHxUxBiTwtpLpdF9VCHbtcVibgW6Ibn22q5QFBc779WEIk2LXq_PSgPMC_ZxBtUkuXrh5TrGpd85n1wQDN5996MSKr-h8y4W11vfxGqPMCwAL1uf1HwjihqqY6p1NBcl54r6RI9nEENVceVjs_8ZQXUsBY25srXA=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_u4VoHRxdji_TNSzphJ2bPBFAtJpRn8A8HQSrm_ZCASnj4uQbiAYDdeNVz6wHem6Nu3w22umAQlsXtq2z2jmd1MNpiSYAvrLBPhiK-tbCyzwtxsoJUgmQKoHX2fFZL4HYmg6FPBLDWPmOYLQTeK4865iX11304n5VdVA6aY081_sT7Y_jgYtFsUim9q=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_tMZlOJurKu84QpzkvlvpkmYLekYIJhsy31cMnDJzkFCbLA5dwuDzBKbGLdCruOtqAC785J4TMjkXGUG8T8WDbuhbUTe8U=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_uSuFJ1iHaR1dkoiylxEm9gp2uHqiHvDrI7do4Qj4CBbE729MFB2XFhCvMhFFmvAaPhZqqR-9FlxYDkZCc7pfDyv5R403s8n7pNZJ_55WRpApB6OjhGmKXoCE9txRvCMAM=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_uGWlD5fb3IOO3GeLNgPTL5veyehyUYFBo4b6niAaRnpqPUeUek-L-k6nDiARTei5Y4n7A_2DCl_CBXg79faEtNhWvGjnqlxRc9BMh5LAbcEr3UIi4nA95Msj9PSVnDwCSPgylTPHD7aIt664vj63cHS9GUo9osDZOvQmEP9doirUmXoE_mAd-3WoXDqpOZC-5FTLwsVw=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.