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_vixI8tVqys29CZ809C9k5lSY1DIwYvJ4szjSFP72Dge4RpWGZ2GgZBoPKxYDuXZewFpvphnziTWvlD4f-5PhvZ20w04Nd6rMMLbErnn2W_HAN96vy-0E7KSyFZ0-j_8NU9C7ILlvoy50At1FyYS3Jm8cbXAfDg1WW77b_IPOhDv3pftHz9OfJaBQ=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_sHwBI1-mks_xh2HUBJP5i053h7IPYJRM4yxf3q7wTnYuNZ7j3r6qir8F0RZ9TEfAuY-0HDB5UKmtnpWp02L_9WU9bz4nyuSIsb3TmD1ixD-T9MxWphwqb6i8vBb-Q5vRhdopa9K-1gVlSRNqt3pf4S0MOriBjRdx5JH-s8I9N5O6dT0KIzL0t7dZfy_t_MYItsA-FTAPsXqtHMY5CtbP2Ymtwz8Vy3pGBkA1p9L_OeRxk0yZyMHM9gddep=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_uwcOhZ9HIwrD04bVGUZapAGpizjzWjSHsToNzGoOdamRGP2GqTwL8C7F7Prp12XQczgkxONAhxwdVD3IWK16IHhzxXRP58N6qBtL1ySsMx4lcvfEqRORSqTHLfOEnNFYtEWAuERcsDDrFBYjIZv-ghr58i7W6ni8KSPWx1PyDixN6l5mX3kaqCdnq7s_DkZZNw=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_si9IGF2ew392Fpy6FPzMj-zDTXvAN8TvAwt52oO_gP2FCfdc3bByaA3xldCVzjOVazPMn_y4Ib4IzD0vmohrlmG-3zGq9g66z_wuwCRuxwbC9PUY3gnDuLCQYBs6_3-6_0ezz3u8Af5mwC1syfiauO9fVAr3jmugEI6pa2m2rm_qZrj3aZS2u544-fWvPCiA=s0-d)
Primeiro, temos a base da indução,![n=1 [; n=1;]](https://lh3.googleusercontent.com/blogger_img_proxy/AEn0k_v7qvPgCXKG9dyP0A4azKXZLHs3TKvwW09GonaIZrRFV07AwWYfURdfc4YUze25AxcPpsjvu3cGbqzT3B65vQ=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_tRKVWgPNdG_hy9rAAfx_WEGmr3higa_FWlIjmT8eW9vQvpuBZKvmE1QfHrgy8dQeHovpriwlK4OmLCC__Gm18ygAdjiygScvJm5SobrtsQ8WHkN7MDb2bxMmlvcHIEs3hAtdYQT11XrRwN_t77sBjXlastS0-FcDd2XU2mu4hmaIz3604JlJ_Kr55Ky_HYStrZ1yib_2N6o12cSCB7B-5OMWcK61y_K8qTE6d504ds3Wqpp16HqbqpMPX9REIjqY4uC-JCroBYbIYk4yTO9FlJ0oO--_3qEGLO9tU0aXxyzRoM=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_ufwBgB6Fm1kxAD33MIYPYrvthfm3K3KD1dw3BaadvDBaIHJCXhyn56huOgOKm78riOVzV0LwZcmKyfA34hkErgl14G2iBfHuMJoK7YXUvCJV2XuUgYXaXj4CO60T1Z4oYQ28N8TZEjcZFFHVrtv7MpKQMdp5pM1N9ies8J5_w5dGf4HQWCenb0O1C6CO1p5yFgIaiJ6FqKoeF2F7NVsvFHUCtGZwcDxSJIcj5us8TdEAflwCY=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_vjT7ET6HCw-CFTOOxlSmaBvd1XjZ_Xl_XzcvMFllpM2K4Z1d2oocPYZcqI3kD027AJuhF8-0BmA7BM1LS-7cTecXMbea_Egvl90uit01fv8-pBp0YioB7pOXqE3ocjsCv0EnCXxYf7VsRE66J74JXTwzFnBVE33uhmPk-2tMACNpDI422cj1BgcSqusmRsLqsYtI9QPqF1709LzaZqDQEcQglCWWMzBsgGZtLRYPyTfVGsD7cKHlufavbycbcJL6qwefWizgREB_suD18eePAYkH89UQV8bpCnpNfv6g0DCd8BaNmeTXE7WXDKE8DXsc87tRfrEAVZtMJUXJ14=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_vqqIsCQN06ziPfJ48C9-tuMPB6cLtxqgFAlJhcVXRH-kObPupR2fBrkgK7e3BwJa6t-y_Qn7LdgdzNmp6fmxsQ1cHmgirrP94BLmsp-1vNY-FNolEW2g6erTd3VZxcJR5sAHiahPB-Aswrt5ll9lw=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_vPrOVOtr5r18nwIsmMO5oi-L7VUbTRkk9RWbfckvQIp2nR8V8n6s9qpzcND2aCqTxgRGiB-CgKWGs07WBGUNL336ZtCDt6Nzv6FKXXXYEfo7CuIiikMIaL3ltGM9uBsFNOFSdaBrllgKzXUD2DFPpcm3Oy-AVn7moPs83uUucrfA=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_tllmH_i3A-KACZHXriqKILuctbGAZa-fSXcDivwpDens-weNhhJyIysqAG56_DwGTbIrqdwyMsgVlhNGqsAaF7W7JjKQCYvFuxPheY5gfCWXtZbuW4ONbSvIoZMRS9FNVckjssqa8N_fuwaxa99FhVVS4XOqpOtmJw3eESSnNWgoEdctmgJk0=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_uLCZcdoWa-tCThs_LMn9BebQG7x7ctWPQKqxOYO7ft0yCB84n99N18jP5-o0rXRe_5V-HmXGLo8kK9S5AAsf-X2eG0OkRCc8AkPQMLWomC2WZdPdCDIG28Ce7hSwuDMewy8ORe0jD4jN4KlwAw9eAcIc9B_ZS6igvl6l4=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_vLjSLebxK2TMWhUnNGBMyJHbg-JGS5Cge6bVjxxNR1or-wDSGPw6CvD83hTx7oYIvBZQ2KJKo1zvD9OdFKZzM2DTttgXPA8BwvGMVo8FExb6CLPma-MQxUNVHfVq42J-Ypf2kP3uUyUfPkPD3YIcJEy5BOK8hBc5kJq3Y6tfd0zpNpG2xhlLFyiZjhVQB_oqNe72kbAkYsFVFYuKcHB0rAwsAiTQTVg-fjbozHqfY5t3S40HifjkeL0UkJ=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_smwsBOiSWGhLsPvXw2ye5a1tFLkkxBEqrJ7SLH21TSby5hvbdn1etwoIfcmpsRTzj3Frl46Lvf-pQJM8X0Q7B-xzDfdJkYMmb1-mEdL6aRUxrxmPsApRVW5WQfXQtK438I3mEteFRHlLTyWFa3FKTFiKbMX5J1RiuqU_htQYgPaxfcLCU4y6cH8-3WaDzwHZbUAfGMuJAAQ-VYH76b_VEEmC8fzCEgWf4=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_tLI-K2ddFPF1C3AjgpA28fWEtZt4onUj2Iw7D4chmfLYNkM9Q3A1BAW0KUpTZH0b4O_4loYXXOkyvaSGSuIN6Ligyo8ASVodtn9Sblq7D2eTWeI9IUOFLSeDpj5eH_CQmMxImODPvyTmmoc_L7Rq1rUt2VXrbs6w=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_tlOU8Zqd26BaPf2CrR-rCmLUqFa_6A18iSECv2_acHBNItfXA_e2VWkwMK6Vg9V5lHJ2l31l6djotNfcQYBF-d3beHKcY0a0FoIj9hPUeupEvtxHkzTJts1mq9k6QoczkyMZ3wa7miX6eEMh5VYzTnLT4GOOrKwD0aXvB1xd6vCe5kiPeWSH3NDZk2=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_vwpAD-SbEPL3MxCupfFH56k-yQQ3wcO5YsMqmXtRa5F_PZidXD3ezk3MwH5bgChHHkloOCCjGwmk5svhsf9G_AHN2PO60=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_v5N6bb-8TWlF6XXl52eWfg3QotoGDHIhQbyQQQYcYxHeOM6k2aSjedwYO1PBHAt9QYFJC_bryL2XSdmZjjoWUlBrUjLqVZDS_MoVDn0kaSD7RwdrfSft_OwggONM4lPwE=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_sBzES0Bx4vENqOhTDT0zzUmmlcjuEPq5B0hJCBBsy5s9wNkMVnmkup08dNq-9U1_5eqde7q007U31NX5oZrwd_AIFvrR5XyFp1loshCYwmRGwzPz4cg-PI5O_GAMYITonw4Kg0s8TU6t0bLfpJFe2LkE3cpFz5_csGX8JmMC9MHqu_FgFxv7GN3YiUDZAqMScCjwCWqg=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.