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_v8Sq72ki3n19IpjuEGEEyf4yUqHIwbo9QKrhfG6ZV63l9MfpOWg-OvJ2XhmyHJLwJORVTf-RJEvXLC8DhGIKTStMtOAxg5rAEs-GyLgtBGLktkfsL5OSnsyo19Up6gGt1SRo9hKTeac6AEMv056l9qwwoetexJi98C39rl_M4WPkRulocQEXzhFg=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_u_T-9JiskJE-sz3yDMmFBnGHGKtLKHuShNrRrC39AWHi-jxt6Kx_fLpxj4rqrnmJ53OKqOnSposVyqT0-RugcDfaypmELIdBBXoQATWRyd99g6_p1NqiZ_v0yPfEGYeV0DJFaHc0_vhkFKqlcfYyyBANq69_A0RLGlJCuiMSWonq3avVKkivOVdHeuDig-qITf1h2PeKuPtkB1kNBoEBPOnEkiYaJVQU_oLSoYQGkqjXo060aUccbxZ5eT=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_v0NbWSe4ppgUvHi_HraCikmDSRWLdaMQohLMBKlPDM71KNon6fnpR0DoRBz0Vlto3HmSiHvBJsZ-7RQvqxvJhlS49_aeU3ETHJf9xinb9172RYwAHacC3SYVWMnlrydFDKYn4tfgHYBAVBO4_LJ4KjEMcNqu-HA5nAXYaT2PKGi0XZqBLUQqT-JHsygQuPJBPf=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_sg4jGCROads0rCTN8qQAmegDbLfltvM3wsL7msUGGE9TjGeB87g7Pz2CvCik3pj-uf6PVpZXXaES0PQy6O8AQ0ln1VsDhUUXCkNBSHTB-9Sbqh6_4k1s_YyHiSGYHcDc6xTq2hFxv4zNBAL2-2j7G-1iNeYzewqHPLjwhwHioDv1Tur4q38gHsCJm0eL0v3A=s0-d)
Primeiro, temos a base da indução,![n=1 [; n=1;]](https://lh3.googleusercontent.com/blogger_img_proxy/AEn0k_ueR4ZhQfysiswoaMQuVavsNMF04OsOXXyU0ke1vMZPQz0x7Jm4RZkeeYkR7MS5aWLzLEaAUsSfjMrqe0Qi9Q=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_usKBvBHPg6187fAtvSilzI7JyKxFqzdsEbbYwM5DQhZ_fBCEyPnqDsG4WXGKzwO0HenZ0uQGt9oQkO6-xvAjwHGqCOhDf5EYMRyNx_RAtpVRINspMz9-ulqJ3ifne4gqALXxtwDy6t-AJytiLhTYN-WlrgkM4Vpx7yxh9DyVqWEfb4BDb1TV8uxxn8iXHyTKZMKPvNamJF0Vj-aQP1Ih3LKn96dMiTth9TKaTKbgcLwXa0f3sO9H0AZ2-RVYT0lkwvcZiweDDMVnzNOqnl7Wzy2AbcLcISk3rYEbcBmpv1D3lB=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_u4OjarOo5kir_v0PD4rUkIFu96eGiydyvnY679C4vIn3Bakx5lwMW8MA3-zlzHooEbcoFuocYZdb-cljqfeZDupTrcCl85iKNDxRQh_3R66pd5u0oC-bb1Ys1rb2sgFFvE4mB9eVumgPmMBfORiwqClq04kd196CZZRgAYOez-_8r-HgaopIQ5n1aEk-3QkyNdw0-gS6ODuYBfZDiOhsmQQeHN6i_yeopQ9Ho692cG8KS2oCs=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_sLnUkZCVmLI__rADnrD8V9xRgs_trZIgN0sXYQvbZ2MIpWv3aNdUiG6yT4AZNeZzoB1jAefYBRPpdfczyFt63P3vnfXfvQpF07iJxKI8CRkwtcNC3WL8NrylbzSW-E5DNJR6KyPPT93mrjttDi0uR5NHVpDjF3Lac7Tor21_nvsb9KBmAmsSQsvgiPfcbsZLIyuWlhKtpuBtgwLwv9A8dBI7-IGx_mP82pey7p1kHQvM1ddtKSm-qd7wRf1DvfYoEjzc9ThKhCeIcU7x0qkbVj6vhpANPeDLyK5W3_R4Iw11Hc5txQtIrYcvCBUlSCovimAJErJ_SjfD_uZpF6=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_tDWyWnKmss2DQcq276ZhnKcdRqUjlbUil0QpX0b0_U5GmSk2FNsYJ6tfWdp57jlQwLgShfnCdLTn4ARzTalxrGihQ2pSJDqQ6M2s5mSQkFTKOV7YwfXE5vptFF2yGn1UGXq96VTW8H2juwosYC_TI=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_tRc4-B6ogH-dO0LyHoTztueT9oKp692EF6oNFUIxfTdprLDGAZabB41c3dz_bNJQFgHWQYJA8ZpQAq_iyfYUWVXPxx6DWosVLeX-7pBfl3JzChoVjjPGuclqxlVtjlMp42GY7-cBpJpdlWCmmvGP4IS2ZVwJqFuCfjo08RXy1oOA=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_tT5tJS9gjKsZlcxEvIUP-1h5Xr1wycz16r_9c2JsDRGLAMvET8HU1LJvzsYqHId1d8DSaqel8rwXaLmcVJqG3Mle_WdX3u1GlkoG9TEJiNvhsw4dKoOjKomDMv5-htvea-18NtwtDiGATfJMrrliIMInsD_QVVWHqY6JELmtlbkrDXhvLIB-Q=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_tS6uZSQbKeLJ-qpB1ScIzE__3RrhcJs0mVKn5ciXy80xGmzyihXMUYscjAAp8K0X1T7V2v9iTwzGLgnBgrq2xclVIqRv8eVCuDSfSEmmtz_cTAjok1SksOwwTohZtzp_QeZKiZKqznBTzXnNQjkse6UHrODHwfNfOS8EI=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_uIAKunSZR9rPusEUk55E-qe3FC5Z8xt463tnERTX3KXHMqfn2PfD7Fd-MuTxmCPQHc94RDwowF7ufDVrJCQP_w20ytNgvwJe_pOCWPoNFI1RQpFOIzBPrmb79phaoliwCSiWRZ_ysMlUBsnDKraYrP6jgj_Xsg7J25-t3eGpwFmVxIyre-jHle0t_iz-m71cDpqRbpbMvq6du6laaF6HKVyDWgDsWEb5h1HjJACqC6pUE7b3N-HAzoTAe6=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_udGFrH4D8OZYgNA30KIAV6cwu5i-JkrHSN9EtUKy4gn2GIfZMEfXohI1yEmJkHLqlSq-E8wGRHBnOwlNdPV0jNwzVdakWl4s1D45sHmt0lGpuJuAp4RbQA5P82bg1_eJdMRw1lkmg0iYVnt7eANiEzKGexpVpIEz306v1sRqNbuPkqL1Nu2hnebtBvfvVhWkFSWonM3EZCvv2QoaaMqlURfCgIamw0haA=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_tKxJ2STSX29EzIIjngnEqkToF5PV-3pR-dJdlIM_fEcgxfx1rOIQSS9ytqu5hlZ7Kev4sx5Wi8arFga2f52rM5BuI51qm5x4Ez4y6Noofr-dkL5_amOz8M3XkUYQr0_UBA53Olt_nPpBOh-3p-eykZj_CVjaUwng=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_sLbcyp0IG89hkW22Zz92aCyflI7ioKi3IStTn28ovIrPN6Vreei5Yvuv6lyj_W0ho9sBHCRA_mEGTxnKoh8H8eBkJOuaxhAPj2J70DUS1w9Gjv4qzxRctIRtlNmN-FlK-OVpw9Q6jVFqjeRo23lnGtSD6nrgEYp2Cgyd2U7GZwI4X6ysONLhAONHbm=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_uZCBF0MgCWs0Jkis5IFUajyJcuU45xDYJsEYfhklWYz_XHm7Y0eG0Uh5NC62UlSLfFfTljm1fJlgRh5tXzx92vE7wuP50=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_vIBkJkx_EDe3nvX2rr2GJjlssGKJi_TlBC620vosFIha51l83jCTZPpKeObIwVsAhqC_qg3KTlfs3_F6CW0SEUORmELlEw_M3vHOnVfkX5x0rIo6zVW9un-cDf0uXlEU4=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_t6CJBJdgnmHgbypy3_kzOfXc3attd_Hx3cp1cHg-G19IwZsqjdwL1rbu6A_PJr9_8U6d7r-uaFAxz1FNSTRcMf_VeOPNCaka4N4IbQDxby-Ck3Xzs9w1DFWnwYJoGancjHCrx3srOfZ6SgfLM7X0vzAo_wja8_VJf8LqRVFhmU5ODwcr_2idJAXlQHVnbw0eELuGCQEg=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.