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_uM2r1UQk9Ao2sSebklyTynwQfp5ezcypfxX8Gq8Gt2pj6LA9jNW74hmy5LZgskB9mAdksny6t9Tyixfrpg1ktVi7yJFG7mVwdItO78lRq87mVaaE3piwaixar-9XzuwLQ3iSG-8adf1ssQlsAoX99aD1tX8bg0bOUExATHoCWvRCZpbC4Dbqnx3g=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_siOkcdH-DOL1w4OaDhdZQgtcTFb_ez5nszhSDcygty28vnwgNc08vlnMheelxGTRHnVkZFwYk5kzRRmWOFn-KiN6iOCbN4a6VyRZB-KzLZYbTH6NQC81RKAuHZ1PMx5e3lSVRT1gifWCzNAd-koNZtC3TU9E4PVqKlsDvFE9P3yicfrHfBIOPQO-kpym9vLefBfrKnipeW8cJF6CUUhMMv8dLbjnrSx-8mvIqbmQPF8H_pTumMO3BmhbvA=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_tc4G_MnKYHqfHgdmXd7VW6XNFmqiRBz1M5FS57Sp4JEn4mjH-j7S36E0-yWqWsTjUUOp3a7b6OdXFqhSfvTw0wFaP-qhACZPBfvaC30NpqbkxmMWAVxCbe_REFKd9alYWfJR3TPxYduYywCoAr7qDgrZd5w_4mv5dYSVeqkX_6ezoIhUYTqv7Apm6HHIUWlxbs=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_uFs8Hjv0ExMOnIh2XgFmBQAcZcLX750g8MFZPJlWcZydfSwV_fdIpzrGiHhP6rrAYur2hIyaVvlW_zB97OueEkHsNglN6Tz6PY85swf0-CKfv8LghwwClvr1DCKtBDpjpbIXpIEAo-cgssWKN3aQPqrOWxfkSyf9E5IrnptgxvH3U_SiCE2b-npIOLtuF24g=s0-d)
Primeiro, temos a base da indução,![n=1 [; n=1;]](https://lh3.googleusercontent.com/blogger_img_proxy/AEn0k_vKSXHAxPpoUAGQNfeIbxBJ3jc-S5ic5JJSRVr7oYkEW5vKqawXfKjQvtqaO1bl9a724Z7MrxCHy5CdpJuZ_A=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_vDW6vlcKtoeDLISJ5GhTkPZa8fM33T05g4Q1eU1HV-AayoZ8q9i529ZP5Rx02jwfeCHOs_Z4_ESVaEus-7-vIKzCD_BpUA3ciUzouptFllDFK-auHlAF6alJHgDzA2xnhSZtbMrYDJjFTjmfniNXBKKCbeNjvGzlbACzCuJXbeeMAofqjaDQS46nW2Fqcq_wNt6ASeohoL7gHETu7c7ra3nArgi5bPkBE-33gMwUzMGNqU_4vNaAr_lV7_ay7F00Zk4OZ7Dv-GNQW6nsZbhsUNFygWgwLwh1_5hvFXF2dbXomR=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_uxcEDFIX6ecT-ADh1B1WoHxq8tkr_fKMzELN_fmZ_LyPG7-rrmnVs6psZGGiN55Sd4f4BrjZiEatYDp-62LEUHxi8hFEt_gbk35w901i6zb16Xc6cmP6wxhA2sRNl5lX1zGEKQcKLDJQ6mTfKLud-5f3EWuyNR72fjs5TZMWkoZ6cd5ko_e9N0jh6-6_0nKuihn9tpifj5L3U9AtI21-30peQNOu7KZU2TjrtFprKWQRGLIAQ=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_swhQBRTjwuhIyJjsPXtDU5dVMkpe1klM91IH-MgWaZVcvYGDISrInNSMDZ-aWMRw3KqKx_X_Y1VVL8YJl0fyzp1oFBrV-GAvxQSXhb7Q9W2k_YzOO5SQa3_EQzpX0vTN1aB89dM_l85hnRA_RskxZhjknEWBppLU_q8epdksShGXrXefjLehUMZwG6w4OjGyCdNVE8A0cApIFuiU9LR4mYh06pgisKGpcl4NO_NIN7Nhhf2hCSKhTTuDhSvmfa7gJkzbxzsEJ8gCZJSssWr-VAv-YtiMYZpAgJBlGZkrQIUhY-VKtlGNojkg4XqxRKmHzd98DAwqnexnUnzNw0=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_uIIWoeVXw732f_ZVQ0zOYQdT0kRztrxy32N5RpFjty2i_tTz-6uM1zDuvHRD9hQdWcQj5LNofZwJIb8Hcpck4YAFt8rL6d-bkikovHAWYk5imuW9wSWHBCcrKHt8p-YygMHX-92YtX-KWce7pa13k=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_uIg-_cOhkWwF-lms_VCVKCSLHMJFEV5_YFi4XStFb5TTb-NLGWlvcoS6jWN7_V3PV0iZg-WAzGmB-k3wGQi8H-FMG9EdLuVLmi6Bapiquho5fVhqAITAwXV2DY4JDLNEmpB2ppJAb44Y_7EsHVd5KcfWEstTPg07jroYkxp8omXw=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_s8OLncnbiISUv3y-PQluhI77Ee5L8JX3m0x_cQYeDsDP6Azg94nOMQyH30McK2YwHK7IoKuC39vw23Uo43Fr3w-EseQhb4R3ndUasfHHkHxMOM04vJ-OaZ9DJNUyCxnSpsYXN2m7aaPtf7D0LuQxUbSzR4uh6rv3hy-7l5HzYIVhJFBJcN7aY=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_sHV4SqYPleFho8AzRoXIDhmuyn62iDW6jjX14TVnAD4oogAV9s5PrnY5bClTl59yYq_RQpHkjNsY0H1K688CD53NKMibpiAvSbSTC9qw1B21i8lh7uoaB2wYCcWN2CfR1CY7_qUlcDizyh5W2Fs88jwvrK48uzpLVVsPg=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_t8-XLRtTTYxfxCTrYLGVINAV13qwsY0CiefBNgKk2Yw0RgU4gm7gHIk7KBe2IGsP7JEhxIy9TfwMKZZY9d_NHWhFK89aXmhIfk9wwPLQdZ28F9K8nafi1G5KGlCFDkoSnV8PSrX0vdU-ZtmVR2oJVr-SuglI-YqZ1x1W8H2Hp3yddSsNQ8gV0tu4YNxGgk0RBUQLUE3vCMHg4vfMRqsUnVJ8DVW-0o1clmbGONSn-cuajTPXr2bDnMLeXT=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_s4u3_lvW0mZ1jdAhon4JjugqqloIL9ntu6H62ouc9hxmPozMoTrKmaTxCO9rXgHMS7NB0BHxJVK98zrg06934PXKreyRE1T6D5YMViIykuOOS7mhdF9fe9WiQ6o9pb0lVdkMNQXeQax7PJrfwYIr44pLbYspCyrXaLgnQvRULqrrtdnyi7BUgUsEFV6GHnebYdkJgsbCDXcfGw3BfSKvbzTpQMro06jJg=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_to2T91j9iqcaz3y7nyuD8R4p7M1xGIceS9dmJunLOFTEkWAs3rrW0p54JNu5OadqL7HloFza8SGpQovs9bRFYoZxM_WmkgeS4H0gXoeiB-aN9bPmflxUXOeUMYQcy3i7eaMZHFxyu9dhTa8kqX5TBGwluDgP5_oQ=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_sxTjflFhlv1W-938AZUo5mx3RVeq3At60vgAklOyb2d0KnhbY4nucBo-SZ8XSIPvoeC5kAgcWYITn8e0n56MhEd7FjikzjoerFqLMrBCbiHfO9YAtGca0o5lBmFsAaBAWts_SIZzshjTCVTS8L3aEBNEUwvUWbnRRWgW58o__cW7uovbXXjuly4Iwt=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_sHxncm0kW0VrzJIYBB45vhK-NVjZxwAZWwUwzbuCUsWDjt3QG_0wh6_8rfXbHk6I8yA1k07rKKBh4CDbDdwMLxSMO-zok=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_vx_EvZmkNuf8B35Iylt4AKst1fVzMFa7nJuOsNWEub62AmCfco0Pk_9IwYcJ5fOiWVcZdVTEPNvOxY3JOPGk6vMX-iLlfPZWv5Uwi-m2sVcQQPK84uH9C8bDhM3ya_PoY=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_udc0V5iWcum5TJOuKqB8ZpAwuWCFQbgdne1jGIg2NlZrCWl_-IbnJ-hqMRX3_lllKFa6s7WUjCmN_qefq7-tKGOllaKE5DIVduC-eb934vGBBozR_Cm2jNDJXkEtO6hZsA-44vTWt3-h1CIFROzp6G8fpnU7qVsMo69mu3pImrtzEg5YcmShbwE4dhuhjjZ2NkQ_C3jg=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.