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_umcCEU4pjS0YO-uVGJIGODPgptnINyUqaTAOWL4lHI3SFplplDhAlbh2Pf6VQTBkuWtJAwrqfMi-mrmPP1AA-ZWH3JTeVHuhdFuIZ6lM3a0GFrn_s__A1YY0u2sZh4dvXVkkQKk092cGJOnqPDR1SCFbqEGvdXx1LyTg3SyNKc3ckPvHE4j9TXeQ=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_tx1V5KN4a8nhMIjGML_xX5-AKA6xU_Y8tMdRD-VUC96mFmj3b5ChtOKOACZWCrCjHREGTL2Zs2oofrtXsLvBr3Hc1CTCtuWwu864UrxKPzC7hfQEpjpUdeTDnD1cdr0b1XjYmRyBmXziCeIARhszPxKrMkcaNkG4PNUfNtA5AuwPkyP_pwE_-k57fBQWdWRlBYichYricHaMAzK_xD6Kul4JmjRyWnOBCxNpPga6qgDkMHciGeCZZoIs6k=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_ugrjfP3kfsA0HzqYxlUM3BXscUCK1iFm0WTcNFxgjiIeSUoV70n3lkF7xAFHkWICDfl0QlUUFNSQf1a8sDGbFIM6pYCJdD1W0LlyjXCPZBchqIW4KB7ksuEsWZU_mx0h5RJRI1DF_2UNCTHWBNYGcfxDlwdil_5vST_7M2kuDUT_aEy770toGnBY3KVkYqEDOe=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_ufg5WF_8zywIffcxhwASRyoTYGPMRvnOOt6INYXpCpw6dBZPi4hnHBFD-N9q1UZhQ5ATcgRKiWb5zSDLbXJyTnc0Rj0ivAtLwmVrpl1FquO_9AgFH5snOnCWP3zt3X6mnshIel3mUN6mzXsyS3KZlstSrwNBsjOREZm8LSlWfEB9g6_Bh994hMYjhV31n-gw=s0-d)
Primeiro, temos a base da indução,![n=1 [; n=1;]](https://lh3.googleusercontent.com/blogger_img_proxy/AEn0k_t8fHymo5ogIlQotppGCIXcHAZCJXalC6NU65IhDI2YPJmCHeYpAWi5qzcdZ3I3l6wC0q3Jkcz91PCIGX914Q=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_u0PBIDV2Mew-XepSEx8MLAl5-N7m7lmOOwVbsenvszAckYk_dDWYIXDewsKfhoJsQTE1VNeFksWof7_NAauo5no20hLBh5FdiWCpJ77Oiprryz06wPu-fWwrMdB-_D0lk0sd4bMSXf1C53xpm3odNj6aQWvQy3i4lGtaSB0fSg6rTE7F-NCc2GyRto5ujL14IT2ZlEbb5bvyOEn6UCc-qBO_e5mnIuAZqhZOw8-wadjKYQkfVNuiX72j62DIOwUEE1c1WeGFtxHYsyZXfD_RNZ6jrm00iYtQxImhN68RftLWX5=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_u5Tgx7dbaOvtyi-DpTf9co0f5P86k3oaH4Mrjbvw7mJK7uzTDzazlvIEbLmuLSPdJiEttpVQNJycDcGA1BUmxndflATrT6AWNbqIw_Dx2KSI2sBnNVWm6kvK7oGF3HOwAwuLVs5LYk3y73tZ7MJIVl7rtcB_VAme8HFcmmUgNc7DrvQGKM6unzFPu6nrwvTxbmjywyjcCnm8osZ7mu-f2OWNQpHMtwcadBYpI1a2q-rAC1kb8=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_uhugw0vR6wBpYVNLKj1d_SFb7_VWJRZuP9dn7wh-DXn4WBb0MZORlPL9f9Ftxur92wrAGGKKTR65v2oDvBdJuqX_Z83I5YoRh-VGDa32is7n_8uBphvxtcpmxSXsYoVt_lP_SI8_AYYjbGocvu-T7oNXVw-20haNKVtH4O7PNV4AFKTWgzJkICnUlUBiC3Rx6XLDYIy7PvRRCSN5CsM5FsAjafR6stpN_SmamSiIpDMdTqElI2T-yCBdXlOHzxW5RjAok4XEZrV-5RSyBEtnYGqSV8-Lf82MKSiGcBuWA-SiMIWqi1_QP8xK3trVelJ2kjplQyMILrp-LLqkVY=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_u4Img_wEnA5LmndDWHUutMg9sNmgCZW0hYVAKTss-H7G1jyDr6sBhgjGFlTiqncvlDdoc23-7Yfwr7Ga3t2MZTGkEqiSVzw24QLuFS-qZzCcSj4otPhO69_1Ygj5NFdjTCFt0Pe7h290pvu-iZJrU=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_vQVrcc2tRqR7-2KogVHgjGdKixurh6vRAlYOwobsDXMnTr-BWxv5Rw212iD96gIRDfXF2IfBMAaHk3xYvix7u05oUsXE0HnY3vh9_i2Cq7UloC56L9IdkEDPc1VxyfAf3j7cAKqXDzP1hu9vfmIGjQ4buDK_xeZqt9aU_TNUflvQ=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_uJ5CYzu7AwkMe_nx8rXgQBl5eq2sWGKfwoBN7sjmKU_GFft5RxXH6hjylwR55wAEFEaGP39d7nyPqYaZFGounjff04yrYHItohtRAuJD_I_MqYSHhEXmOR8_SfBHevmxrlmO8gu6WWszimL8FRSlGVM5MnP35XRVQLz5xHeGNbC0MAIMWP9wQ=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_v1AEHsEfJz-IA6OzWTraKYbQTpme91nDPoHuqfrWY1RrWJw6RNBr1CkoYj9_XQhr3kM0SPhMi0_-He31YDBBsGeg3VJxs5YKRcYXNmi61QTDnCCHZiS74Fok-TSXvitt4tEopRNL6L6KHS5vCkRzgxWTkq7Icyt3tjEhE=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_sRPqCq7PVzxTia3J22KusNNwvhwfypFP6lhO8ogpL4d3kMfwArF9D3kG71VK0H5bSe2iMa8l-RwgmelpHqb5Ps_94YbztWpBpiLuVGcvJDdAgvn9zb2zLaAglAN05bVClCqEGykWZ7ke1pi9OBxOTTaRakgybTCDrCY2k5ZKnI085tRMpX0FJhtkFLgLfbVKp9rU_SfsUzPmsKQVHG-k_fLdkZbIoOzR9AettY21_OWPze4MnqMY9ln9FO=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_sQE3jd2-gEdiT1AiGsgpcBOnRuCFw1CbG2tlYZ0ovjcNVMPTmmtK-kbgY87sGHZcJP7mkRjFJ9CfYxQ71zNvG3Ig6lM6VfDLJROBska9Lfh8RyaeGmWWKnzFKRg5EnvgM2EjykpiL_8ZOHM_vZjNPX8J2PWq3vrDe8RdSdPfUwmbp--yEje3oPdWtw4PUCrK6ggaZSJxhhRScLp66qVtYx4pjBQ9Rmyys=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_suFCqM-lnI34x-BiR50aST_LRq2vjnRnykgfXuckJnX7L80lsSt-v2MWVSdEShyoaS0O1JioClI0XMb7j8R0fVY2JDMFt1UB9wzL261dp1hOwts-A6Ob7xYOW2ApM4bC-mn9Qa3qa5xmHi6P9dlpPMfBFsk7oIhw=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_tdXRwIul4eEChxKNeEmfr1z_dFAPhoOopib1ZkZYthcP-yv1QqM3N8UecGr6HzhjxBVHr6MgHQqZbyrx25mwu8hHsbeAX0DwcEPHtrS_5QGy4GK9DyGmvj0GN6wfCFBJi6akFsyE653fkB89qc5VzDHSSxFNywWQWbPRyw9ILrl22ujc6i8M_OLRYB=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_tGlm6CO9zq9zwuldPpZciJ7hxzXGMIui1rfOcrBIXjIhMHK7NnU7FePPIQyy-KffCHX_1MbzVRFYtxBBJ76UENKGKt8d4=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_vdwCbMteWX6iGBxRZCOl4XwlayayVUNz6YNLSG28iW1tx-_PE1XpwpeUANERKnGAQwW8APJlN-Cl7EjeiLSb4BURzpXudB3GKkB9jHTKRK3VqWfctWIQyTJVs3-1eewV0=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_tYockzxSRLSOLUSu0LgIGEDpWGkfpJd3pbVPdx0HprZimCWWGsCWeqM4KgbVU9UAfAbALSwQwcyEjiNbPBgBi4plwkAsUoSUxDr8VnfNowt83kBNPeavyps0XB0EfzXrZ_hMGS24N1hkP7gcuVDpbjXQxE9qGy-UHAIXa9_bkL_WEvMRrdtLbZ2Nq9n2_NXf2h3t2X9w=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.