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_sytleRVg4LEA6cAVcOQyqBJU8HL_fzVA4DIY8xaUMleHpKQ6WoOQzpJNZqf1U2lsE50Jn-fybT2sssE4jnbzM_p--L0XgryGQWfedmIy7g2qoIXar581PJiEpeAUcC2L9KEejc7GxOZzmI4ZegDXKOotIHiX8jyjVNS7tHJfPqoBFE0f86MHNnFA=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_v2Aea1usUrFfJ8oy66G8yPm3VOIxJ8aTJUy0TJlTNTWwoBqjja-gMxwVM_-Urbr_Ud_Py_I5_aM_5qCMxNVrELH5Tf1WdAvAGv1YGOnp1BqNDsZWqABhUvYmDq960cDKQO9bWa1U6GJ-el8T8CrIpD0uRIM58yGzkJoeDaWrO89Op7DfSlfbYTeWK_-4u20xMTZJXS4L5HsChIVYPWhJ7okf6K7jtRZXBpvew9KWsq6q9uwXSdwZTEiqpP=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_sZQAkuIhjD1_0GpXdoEXLaSD2-0-6125fMAihD-QIQP8nhn4FW-Obi3bFu5vQ-Pc0vGVAokV1ahZbu5Ysx6SJlG4bCHwjjWz8o_uN2gFj870Q-XLckmk9bq80U6QlVjJiOde-IvswaZpj3FdZlsrujj6xajjfw3cLnhSpg33YN9MjzIwISfu0G_ZgVu0pZ1mWy=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_sNckE6os9su3OPJOyiCPzonciqm1704-FigsaiU9gPZhil3arTYdyz0SihYYL8UU7J6qm3ZcToTsuj2lvZV-AkrU3H38L6l-0usMfY5FJnT6TfUgf9LaWVU5cUkJuF56yOepJZLzJdHgtgeaTQfY_ZipjXTEx3cBczmMeS9jsw4KWhq-iZ7VQOrovQNOcOIg=s0-d)
Primeiro, temos a base da indução,![n=1 [; n=1;]](https://lh3.googleusercontent.com/blogger_img_proxy/AEn0k_vXhjC3e8d6h86Hov81u9o3ekfBByINaKck1Q5vjIu1T8KAWMuSlpDn4U-Tgq8xh3EJvsVHsOA1Q1AwMfLgew=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_vLhIP7SCmMc_8aEpqjQq1JymZ9iLC50on_ofiAOOJgraw9-nyAOzRUyoFBV3UuWxMU2GcXdo2AVBfxKFADLPuVvzkl4vWGg8A2ut5tdMnJk7_8DvTRksE1EBCIEcU-Fpln8CYmY00KhTtD-37g-Lk1OqegSNwwLvXUnEdkJXRq-Enru3cLdNqmW2nZImuEPK9AL69x8YziXPiGPwYk6rq15KD3fsRCo1Dokj8rGfOLfTeoMvaVn0jaYSMG69INANTbiSNcy_W4XCdmJ8KWLdqrZc-Q26hTVE2Lx-gwyyRJ-xFs=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_se6PsZxWuGKwiE1qu3TmcU-ai6rxOhocflOcwHdkwfucPAMKELys8N4ZBpvrSS6MrBpUr8q37VecGmI73-wDFh22DT40M6C0XwNzVs8yhbu6DmWGZBvxrYR8WXw7E--1oNs2Rbb4d1RNDqFMLQJ2fuk404dWG72jN6Q-WJdaRkjd_XIoAciZT4RJAdUTp8hxBIJUqVfkfD1pAs0UGrJwSF4yY56Q8fWvRNW_pPUdYoE6q__vk=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_tBEvpmtwx6oYLsy6F2S5sFLz3fFK2ewRPZhQ_vLFyPWHgn8r1VP9MR7WcQTVNdVS03I6oI37U95j9RdMHxq4F_ghdmTMwy_SFg7feFGFsroL_C5kHT1nULCrfHD_iFYq16Vkcp6v6Ij6lqffvZS8ZqAeUOu3kYDD33IJFl05s0gNKXPZurbc4t0CubAsfyaPLitWy-8J-BqCFSr5DME1Qm7_-BdWg5vnBfUPEwF7uIHZZI9drMh8OdyTbuXVcl2wKt6q-gElrcYtYDw21Ms1hb-qu_Lto2b3nmdKw-IqQiK8pUG7uL9DAWaH4mmYYIxjKw8CC7x4y850RfsiaC=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_th1ffGZeB2Iu5p2STaZSYfarkj4Odcamgk1m72kuuVM6FyQpQS5Ec0SGy96PGs6aMW_Yk5JRxZadkRTAJ0l4A6PVjW_jUnu-bJmEK0oxaTw8_IgDD6vTPnHVobOXj6GfKcRH6pkIZApTTX7iYEliI=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_tzSUaYCtAqattdVEj1e86niBG_VOxkIyJKMgfkfb4YZLgTWsJUCbAl47iCu9n_uhS_532emb0gsUApMiP0iPyV23ssr9YDbiGMMWUueUSmnlO_lCpxKJR-Ux1h0iDwrzwNOYNVgCV6vWPqgQwjD8GJmv79cpJFTqwMltI-zW9mqg=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_u9oHmqFSoIFgTIK5Ax0dvSLOVBPzQVFZc3g7R86sKWcRKsggGP6H65on7nMIb2ode4ozlk9Nv3NMlFwQaqcRV9PvO2lyPdvz08abFNFSr_4PGx8YI-zyS1ykpSn6kTtziQdMKuEz7KeuGfcZMVLDz3xgn1neAR1uMoUiaKl2AbSzbr54Iz9a0=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_vEUbmlmouLkxo43Gg9CHeo5yat0nANbdJ0hh_68ZOrnqRV8N0vFu0UCmQU_RS4M6j7ZRPzWZHxj7kT7ZbeoqHyAA7wjXHzGJ-uU6YUq8Lc6V8ugnnB9sq3Y3MVF8pi-PzMH_KTVUyoPzAgubnSy6b6RU-p4GIG3LY2d7s=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_tJkyDsUKzr_n1q11xw_0tPjYO-zDq75fpLznx6lYUNwy3NTOlx9ECBcrruIVPolEBt-7_GBR9DGdRpT3HWAJz1cy1on2wtFzBr33m-3WKn-daUj9I1nCIMy1YN0GIZ_F7bwOyF0kdwdfI0YuOeqV4CaAWuLGziarv3TisejQ71X_DGBi5fdIDhEwDt86bM7vyMm6lEUDPrZsCL4ktWUw0bi_EVHRpVt2HPEyfUnK1PX9TPXpU1tY8bglrh=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_sXAw_wIwT9R9iNEYOm7-OXOIAhlw828vW96JXKun9ZWjM43FA_e_SV53XAo0Ve36Rx_yvZXQ5gnyyvnKzcaBRbGb2hP7VTmuIWWegT9lT3dRI3-wK82afcJ-udWOaJwbaUFu33fihs0PrVMVxcRgfT6S6CdevwpPbFI-3Mroz9mKRgA__r2OsyMWOOcu9yDT0jU_oS8a0_kcg5JPgVZaXNVLr9u3Xy6q0=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_vVRJOozzjfXfqhCmBWuflhdK027t1dPuL05bYy2VjHHNR0_fayX7j_epaMvEvI6J32SJ2nGYgRAJJbAcoLrDfcoi07Bfea2Grl_GuNqf4HqQokzXWnBNRPRRmE9QcYTRky-Oss_tpEORcFQHKI9fgr491gcPXZcA=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_ssAM-jWury9HkK3APRiSh5w6FwRCP_YM8twv60L9-_Ca9QVPty7ZmCt82na0otlGRy4_Dx2Q26XZbSHeN59QNJ4x7Gv9wuzzcQWXWFVGq8ljFJXiVDQpKz_JC2wJr-gq4ADWle5vQBu09y4yt_eVb7omFET2-DmYVcinuLjh535gzwvD1RzrEUbAOH=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_vbr8JGuE7xXu9_icMm-MTuGThD3RK_gKzYc9jm--gkLUFoYTiia_6qXxzSqFy2BP5IsTF8qzHkZayBQnBk5_srIMFwYeY=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_usryM64LBos4ogd-ovpp3mxA9wWO4SN3jyPoU7mNGHvIRLxBnav8JmUR-fDwQphwXXQqCMoo8_uWdUpDU9w9RMcYPy0E1M9D3ntXWNT8V4HPoQUbi4KfVL4geEIxVGwHM=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_uM71GCc-vgZwUmaTvNslpiwW18jqQj3ixmc120K1_6f11X_DnAN1v0W8svKUy31LRlmLuGUtt7k50j50zgdZJi17TxOLf95f1R69_2xW7aiacYvZmjiWsz2QL944JT4HD-sY4KSw_6D2nBHReT35XHjjThGVlrkWh1Aol4cdFVUQBXxslU7EXXAKOrqCmiNL9kxy9uzw=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.