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_u2v-uvc0OOwpcDQP05byj_NJqoMJcFj8ygaYjIuqnr_R1Wc4kGDqI7tpDt7fhIdFhpOTcr2DPDu6wPwlSdZRZlgJPTNNbeKT9Tq_gYNXFvOF3PiPSOH9bHQa_wwr99D21mlU1hPqHrd1fpqALAkOrcilJcgW0N2B0vzOLKmD2IGQQQyTK9Yi96bA=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_vvqZ9dJjffaIt88SnIgao0ta97CqRjZX5JNSvOZOU2aMyZH7l-Ran2HnWzLruIp8koWdNJwf7GpygfzLL8IuuorVcSMg0ZXa9d2N7djG5ovknSUxm7-60aBKIPSXaHq9D8ZqPZDnAgTWP5pcS9bqPz0I9RrzOmYvwuCoAHe-AJd7s8cUI8klyPGgXudJ3xyoyFUEpeZ3kRSh5bf1pvw_8ePbH_pWRXfRXkLM9v-dbCUAb47L6y1QDn6my3=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_sqruHstzXxVxv495z_xdrT_nMEsuWrTElDyK1LwKMM0ZyEOGNNkHGvF_NegHbSuXFP6FKtMDwTLBgwf5MRSt9EGi7ARRVYeVhiWEp3_IApQUlgqs-lwu_-Z1uSfCP5w4i6sjb2JcF-rlDavpUQBWE5qtVhXDBtLVNDLl1c8E184b3wzZglFRC1OkquYPBgdnuW=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_smbLZvH-GBj03eLUPsQWpM9POuH2DYauqpWyGWhqsjVfyx_KhdXk8FjsH3Qwk-cDhx63J_nyCaBrEziqOzvtAIao7dApiiaCOKEbaEWCMh89dt-EgiqoxZ2QReZWmNBGu8QrVAt9xHxfCrhwPzfGx2TQ7ciE_yBVkrOLJYt9pJdHTyV7opOkp8c5PFilZmXA=s0-d)
Primeiro, temos a base da indução,![n=1 [; n=1;]](https://lh3.googleusercontent.com/blogger_img_proxy/AEn0k_vHgoDaXpBRidC4dQvH1Vspf4sYSa4l3RC7KOaMOtiaPWSq-wir2iReZOfrw1rClVN7kW2_-_jorVKdPZ47Lg=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_sFcEmO_4j35a_qjdWmBh9-o-y8ct7MK25zcwu9itAbmnjjsi9CENLPeng9H7DNsM9I9L-qEDC0h0mVIIgHB7TyzYkOXcnWkd93IUkwno-r1l8DYEShBxKxnjlLUXy1u8iWNgjqI7FWDhWqd8L0Yf_uPjiBfg3kB77Gf4ifHc9KW-aTzNYTtGif-W3Zzng3EAacqmCbJoWn6Q5xT-9G44BNk54TQ_6jDHQl84Yrvj-jbvZtvernh5ok5B5mB2nyZ7rhA_BZ3BHG-XKVeY0skmOzPbDHaTekqTMqwlj_Q3c__jgg=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_ubzdbvHVOSakjiA15quJftxReOE1DIQzq9dPsPJ0dEkT6tRa2num70SUEu55q9E09R6F70zi9F6dBm7cmofbln0El8bk3sTKwabbY64sk3Nhit9HoEIg8iYBreCvFS0PHXCku9UQIqthGW34fqDg3A63ohXmSanMO8lH3LuaiZ-C3MPAIVmFyzyIOrfp4Fq-fFEaBCr03I-wEBbMVJiz-x2mkoBO8WNmI9NdF68Cg33lhnPkg=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_vJyRnE-Q3ylxdJyZOKAwzmz0ewRY6gWZ_r2uGR5xQpURT5xeeWf6bFbrxKjDwdrnNlGPEppuGAnT5cioREEyiyOwTvFrL5hKix0HK3fSstNFdB01c8WQM1hcxhbOOjhEZVg9kAPjr6K6fzcCGOHY6TXZ55eI_jw4iBJ-54eCvUWUKN3rDovVcAXWKi6XqzadZlQ3iJFna7xl-jcxmllfzAGJdZOGwY61tfF7FV3gHaiEF_AJ7hw8UhNEUqEsfUgau_9eoccJ5DyuKMG5LOXsuk9sEHs2zNvl1q_TJBEOEHrejT021YTUjxrciXRlqu2xIIz_KZ7xwa9LvbVX9X=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_vHUQdDmPBZoPr3qJR_NfkCoa_5CdkkxRkssm3Zh7Mdxg8kbOzYzge2SquIxLlHeTGXqsLi7pMyTScVvDe8Yo2PpN2RG5N_zdWQN8ksvSueyoAJ-FZyFi764zC6anNZSH8DwnUCEThrAPyuL0ramQk=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_vLw514RbUNhn56foOpsO7B04YgNGW6FwjIXBDzUofkoGXW2R0LxFKGsZ6ewByk_3qOwjPY1E5F9oVDxMxQDwLQK1P6A15MIOnyPxC1PVy0Bu_NtoyKMUmAOPTSWHFioLll9fXWuy3OrmNlVLm6UypnZ2FsVdl9bK0_ORmF7lV3Lg=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_tP60qZo3w8YzI9Dmhp2DQtolFImPw5uHIZNeB8xXCC6KpF5Nt8iGhA-oVN0CmZEHZHZZzJlAoO92ChwbVEaWzfzfTS_8Oz2KtwuwwW6mpPyPg6aFCY7XpYie4lAEADnCdvGpUndfGfgApoq3aTTl2cCfHuDcN3it0s-nF0pds-LfNfmzWD4Gg=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_scZ17LmpEde8CPeJgmzGhOcPIgPRftWgu75Yw_XOcyYSXfkHtUVJjZ5fdPu5bZU3UVlg0Qm6wYSdAc0PO3FsT05-V7vjscxWkNlzfKzaPM-dk2YGoqXy_yvtOXuRGDmemAacNHLL6B2UFngrSUZPlZlPuJIqO7ewiNA-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_vg1UJHgFPVfxWwgxNKqGQKZmRDPsIkMv2EFxbjRTiGoXqZroua75bAu_fCtgraxZJzrmNweMQLmcEcuqsJIHN_PZXSTfYKs2MxJTgGvRFbG0bUi2M-_9RxyVIt91QBPKKIDdlWeUlbMhgUvCBFQrI-g3XWWs-gMm5O0WjPL3dX2qQ9cmJcaiNNsxHl8NnCHcsHs9TFDO3ss708WacMrweamL_p7P1Riz1G2p7XmxQVgb-GY_pJWPTlY3P8=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_suq7Yuq_Oqxq9nLJQdnWIATm-QGd9sXbbBMkosyoDnlhxk3dOdKce2Wf9KTT_UQfj4-VCtK24HTN9fdgh6jSQl4NB_PSWjWEc8vMRLRKR5Lxe4m_2FJOL4J9ZQN2vR0Ohj_UQF6xJ-dytyrGPSYrHu1wL3a4JI21Wwb2cRQj5IoBngFQXpPoWqVjsbfc2uU2rsvrZK_bRSN6H0LmUhmRCvEtK4rMyxlPg=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_sJWDc0g5F9_NirZC0ivwH6m63GmkBzMFsgZSDkg8iyJJb-TmIucpOLUZEmNj-Xf26rFtn38ZQREWc3AkgfqSHtYQ_g5FJKtzVI5-cbh5W02C3YY-zROnKi2WEBfdJw-krCjbg_5kQHPuF94LsEAkhKJlyODVbDaA=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_ukQM9ntY4t8QiaEfzloydInc-9sdHw0bI3I5GFpJWmpKD6eJpyb6f4Bpf0-T9GK9frWVPC0ld8mlc2QE3yKg8vN8QkBiRtxq1ctV9LZPm9CLbPt8mXJii6VZ3OdMRq2qcP9R3627ttfHH9Z_B-NE5UHqaToY6CisFTxXBWvCWBXrBg8TqPysXSqpOz=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_updytXqfUx6UGTZpqyaJUJX8mLf5dCmfTfS94lsEaF6odjO4TBnCkjxAR0oftBT9U6snelTlaRumBgbuDAC44Wbp_ovL8=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_tngvlTG37KEftCZpGtsuxAZPj9I6hND7fXDL6ijTqz9a6CDhFMwqOHDsD4mVrYZfIx2WSni72qwAZhmokECuqlS14rvi-Fh8H_n_WmmDTvWXQOTyYC-sjzacBT5bbKXEk=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_vDZLiy1Sb2HIR6hlQFefAWBRHbq79OfH3t6juK8EmtZscAh2Lx00A6zfV7xiAhzVJFz9DbvlRobgsrrbM4RCU9J73h1QSpOLSc9WnGAGyhEQDOm_WsldxVCkSS-2zbZ2mNCLARvPs38GoSWvv-RknC6UIx9eSBk5MClLXJUUdjF4jCJnLXbKQlgxxshJ9KsrQ4XRcenQ=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.