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_tra8EvTCmasm7W_n70oojzUF0O16g2Hf7GadkTejpyMitmV-AqIfOd6TfKPe05cz84IhsUjDramcgouvtV2RaV8M6yWYwOPpKmoX0T3nzXhPc2U6RhWSgP5fZMDY7n7P-TxhwvM2mKjzjRGoPfM1Ni3LS8qioOUF7Nnf749VMS2pFHx-7-3aXIRA=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_tdg5Qt0dXF97yJujl6D695q1lYTjnhog8A0tAjYp8nmS4Q_0xVS-DdchVcImvc8_FYHowwCCvC3AjcNgg9CPfsRTzxW-8rp9GUd31ZG5PSNfL5GloEO-PHfl14MMVLGhuA4LSez_hyxiyC8hIQ0ZaKOBZ9988ZMEoJJmsGet9uAwglUrqsGtBTh1-6L4QgdkLcv6vXKPgI8Nw2E6pCHCvs-ubjEsax2ELR6OotIHxW6IygHnom-QNz9_HC=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_tq8vHcDuhQ6RJ_Gqh5XPK9OhwkfxEnjAvV3v3Jd7KNQwWw-5KW0Cm7P3wi_OdpG8HjcSyxyAaaMjAibdt_6EDW0wBYE1DphqW4dWU8tZcoDuGjm8rGXwtNBnx0zvCliKORSmSYYUqkNTKPKvXLwCX8KZXCQJhBrdw2o1Ghs186AWPBS11WGCvCuyBK-mENi8-P=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_s4btAl7LzCFn8OoD9cWcaepvz1wXNNnWEDyWZdyY61bLfVa0Yz1ps6jxBxs1LBjPyiMlvC_Fag_5X99uCtMWg8ORIIczIS3xi5xwCUUwnPcs2p0JWVV2OguU0JCgbqcuGPzJvD1IkRW-KIeL8E2L75vxRfhBNaWpMditdKApb-Mw74W06cbqu_5i4LaRMjVA=s0-d)
Primeiro, temos a base da indução,![n=1 [; n=1;]](https://lh3.googleusercontent.com/blogger_img_proxy/AEn0k_vBfX97OksbXKodT570YhhF-reyyIZVshP6cpSDgnRcCloCCzlVv6OUSKMp8XKGseD3baO2FCzZ9NWC6bzRfg=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_tuWB5T89iBAPeCVK2fGGzuzEpkFG0xmL2VSCzkD4jykCK81PjqzJtSmTdVlV-1WGsArEeSNT3sfktQx8wONvdvMFy9NQ3avdsR8cBGftY6ffnbt8VawElV9bsCRX8CJBq4HwIr_RoTyNFQty9sQ99jnanFJU7nd3soJv-nmmkrxdRu3bvHvFexiFKGsNzKV5fRIZ75AdVTsb6rj2AemkraiNuhlH7n_IIR43vl2dou-ct3ivxZOoDp5UBgA6vUcNA8IkxsPT_FhlwRbUSBoD-uju0cI6h5bO2A3ob_pUAJOn0m=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_u3wB_s4JbiQXnHkLs9wW7nCVz242mL2z6p_RH22UvgQB-sqMO113PtBg9Wdjw4GS8o1gJiJHB-yKEmRdU211sAqMLKOryA05cmAi8dXlrRysHsHVA1t7Y-8-RLep-6lUJXTMUFnLnVi0ndYlBbqIIwm2lR9LRuEGLrJuMDpt649PXpEHEcv7VLARXngYFji7mK3GNhDVc652KrYpSxu8GlI-JgFekw_kI7oGDMZdQtn2NurGg=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_vipRjTqsm4CW85XVRR2xcUY9SKOmQRPDWQkBYQ0d3I43M7rVHVbwvRgVFL5ecc5M6MSvUDJSmxWcIbOhQJgHzEx0J-7Bqp--8wpaXtBjpTOVmOaIjW1a6PV3yWucZl7udwCszqv__ZD6sOaCnM5z-eseRbvJVpDLekNveACV9hgY4HBoo8smzAWGksAXjICia8SbwtiUxyvXKIwthc1Wqd3gbG1Ywg73CLUyYs08FnhN-vpKsau_7C34F-x4139ZuUiqtam-8qUugvgkCmplDeMIU4fF-AmQZM5z_Y3O3JsOqM1Sp8aazMf6gNt6n80de15ZwhY1mnY-Ln3tKR=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_sBEb2Tfnp0qwBKXqsn1G0A0xnSXC-yVyq7jb6bHZQtGe9bWv9A2OcSJFSED-YkRQZCJenX4x7ZgDfpUmBdrYMREZoCO4vce4RrnwAY_o1StVP_9G2CaH5cNSoXZyyWTjd7RRZF_72murLjwPYylEs=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_vTOsMU62pPC6KykghsTKm88ChludftND_Y88kpNOZ_Re9D5qJ1TIt-r1-vnb3c32t05avAZ3AMo8u8yFpcByrQ3WMxHq-a3sPhrPsMYo55DCUN5_bsqsur1pMzyN3ejLiqET3IMRwbuTcSZey9rnYr--1FSLqP2WLG_3Jj389DBg=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_uU7ZPuLJB8L1_nvAFA25jBFwzK4vH6St9BQ9uFH13eN8kohKaucmvwtyPQSnFwi9olVEzxv8CHrqsMGKUdvTkDJOdC1DKWaLL7uKQTnvZMyk7y4nQEJF_z9FGqhutzGgg_rYGpb-9U_sKSmpXd1V3r239ncBujT3QzZWtD4YoxEZ1hmeQCY4M=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_vCgmXzPKDnWiN3I2PU_i0EcW2iBcVJgfmpzyQq2iZfY69ii70ms1pQHSKrTZUb0NtMO0kPUkkg49vFq2XN8oDHcAV8f8dIEoEzm13qx9fAZXWwUT0JR_vaC9Q4ZGAEdayquzpuTeHWB15ZkPdbUj3H7Bbgqw0yqLXt--I=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_ucwN-1Z5j1JmWWHEXue4E7mwKQoS9_ObaNRYHGoCQNGhoTcdN7RC7NwT2bTAL7K8eP2uwqzWB16IUXXfOoPmXUZhS7XXp2_4Ts6POjm7vRW49YxQvbfa9tPHhLQCsKYl5ZjRIeUt_INGa-yOBRozEyP5swUI9SWaB0fVDWnWh41kKKVLIJPPxPTCHM-3m3wcypVqza8LabgDzH3taN79cTMcAQW24D0uHXe71y5cIcJ8empeVQ9rbxrGec=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_tFDz626Zv3KiKo6xEk6p00wyoezS2oH8ngRg_Vmhz-KAjHIp2Irv9MUVQNaiEyrK6OlYdlHLKUu-JkGM_CG03Tr3FSSlCRf900mji60aoejc7FDZx0ZLQ07ZCAyFCsooI28DiZe2dYWFUlGQwM63bBHkcUrKccqQhvhmMjeaV79EHQ2TrRpBW0mYlBwSLeHweMgNsG2UAi3UA4S9nmRnqeqxJUIHzj_Bs=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_uprKJxhJy0PAhks6uIRKYoaO_Vmg8SiYdzNB3kgQW0_fqm24tgWCYGwGYXYGMnjQLVSvFnQEViqgYTwlp1xNAUeoIZJXbbZMM8anORJyjH93ZrJv4q1WroKJ65Mjz6Obnexyzq_PeHuxkm2VQ798aCFJftxXJrvg=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_vR___URjKeqed09YD_ibQ2aJ909pR87XQexVtUN6NaKr8p7NX1OveiHWHBLa0frhqNy5zVggmUpQDXdujQPAU0LBgYqjksIYQiHvC40yrRzyWHTCArNhffEwLALDMOebB-bc2qmO_ATJaFKoZEmRiIMivxPQcelfbS8xJqwQyfAH5e9F7ENECQ2PIe=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_t6CrpdFG320DmgX9smfT03nR_NDJnnN4u4SKdK47_IZtIGQO5Kxf5W2LHUKHza4A8AUV6awlxkIWUAZ9JpGaKyWH5Ctl8=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_vmX2i6nNFq0uxDxgPcOjTSgYPJWBsHei37sfn7txjUMu4HbCpN0YwVLONGcDT942UNPMcigTd0LT1u5xhotwDdbYJVntiNtC2aHQQZtrITIRJJCLiaFs9XxZCDFO5_dLY=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_vQu4TrAVg1GFDITWBqAjAm_ZvE7dryjCiSevXAUT2uYkwIpuYwaeX1ndX-UIlEmRfi_NlVNse76jMUmVBABBAnH5L5Z23aoO2P7Teea1hFauRAfNQRgoznkQECD3v2MACqV8-KbT59bOevXTuiwng5nacMCsFXEGvCPY9POKzwoMWhGkJkSRQfkejEw9mU88iNy333PQ=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.