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_tEvq91PqwkMCzxa0C5YrURW1ZxHFl_hMPA8RExTX20oaCp3FO830jzGmQHE4_dNP_2Z8XlNu-dsv6JxZj02Dawwe4bAHPq2nC1yinji_l_HGDp4ULXPeQKM6IijAIq0qKK9766tJJI9AB4Ad-DSR5v7L19elNpR6AkcCgQk_bUE0RcuqKlb5sjoQ=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_uvWe7wCIns0hlX-yuuDiWPES4jxktDQiU0Gw4k9A5gUtqQOX4ji70Y5ktUlyCuJDVt9HbbXvgAdGsQwvXxpDl6qbWcz_zUgNoKV3uQAE9DRFfvjtRGXm3m7zK-aiZvY3xezNkgswHUwoTIUZxnkacFNy2Olt55A-uci2bItqoHKkxQ_ziGR40Y6NUC6moxEqdgq8nwbZ2_R53u8_r_UrNa3zxYX8-X5tCXJ2yZxvqET3uDOyZwBIqRMsHQ=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_v-iuparBTC3cFjkSsvO-Ji15loIoqyj3h5LDTcE3wICJ8DQqzq2cNo8UYPryQGN5dFO7pv1OB7gxYFcV-gG-O--ejbkEel3utUoEWAr7Z32lVWj3seUaysnT5m6S0wg6JBH7Pu4UVO4gsJL80ckpgu1vtloR0L8Lq0Ae4PyuqSif_t4Qc5TzVp94IobH19Rs9y=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_vhKp4dCcq-l_77HnVMbo_jPjcqr_XnwoBMzK8rnNTUbiIXhwedQIvktD-2eqPmkT731bM8IygsAxyGC8GTB2sstMHTVWeYgHaMFkXgWWrQLaY2WoEZWYE_pOnv8pbFF_DFBj9XP5qxRm_raEp83iM13o6gKLzQBmNw6uDq4w70DLlMn4k-uE5sndLB1SLBDg=s0-d)
Primeiro, temos a base da indução,![n=1 [; n=1;]](https://lh3.googleusercontent.com/blogger_img_proxy/AEn0k_v45CWFO2vRYafRji8_4tWdeOLk4z6TJHqfUI2DsjwfQ9Y-vSIjL3IzX6WqeRyO61-JjCM4QUabtg7sG0Cs4Q=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_tV_YJWVhffJaN6AhH2Lyk3sjAtWJDtZ-ud4hiTAzJ8XJU7fy9X2jK-kKdkMeLBPgbqpPBx5j7pcQWp4sCDXhBNsxXdQuYDSRG0IWe64OC3TNQyh43F5Sl2VZK_4Xr9ImUxf-sz_v48zGELOX6fgrugjfJIY2qymNAIX3VPqwXb24fJtcBFew3VYaGxYoPDe9LG6-MtU6FYxDBnveYCVVcz86gLcaiA3KQ7bz_YIKLaDoy3NA9eGSfJ483KkS6hULyhgvKK_yfCsfE0hrPKtwsPyCmeFxWlx9vSqtUh356HCGHq=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_tv8B5xtMsblaLalfwYgDyJOVqI9Adc0cdI3r3nZ9W7XX05MjnphWE63013h5zXcFrxJ1Ajp_jz8zsdI0lQjhUvFx7GmwIQcPxwepJ9Pez38pnkarKdK1FQTwIKheWLAHGhyB4wKrOI7n2FqIXtLHcL-V6tb2O_Q_pCIKjuxWIOTG84TBLaJ66gOoN38O1Mc_u2zr1mO9m9JHwQUGc6ih1no81YAIOEQgx4IHHatYJmL2SgZso=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_sZTNnVe5ofreey_TpAD3OYjUx2j4jK7ND_cb4Jc1Hn9-L2aPjsSbx5lye8hxA5u3wkzU2M4X636rQYA2ii90VkxcWgLOxs4pNLejWIi76EomciXpYHp4LJZeKFxfpc2UzWgy0ATgvchkyKHjxYwwCo7Y64BmOmnPi1W-VYkIq7a67Lk3v09EgF7C-C7T7rh05TTiSGu5AniZgP3y3JvGBu6Ex34BV128kH_2Iuenge2Xh9SW84W4EfHLspwshIZ4kGsPpd6wsoCgfjoh9O-5ZV-kwGD1V2sJlu-VGiCKm-GNfqo8cS-lpJt3dovtPgSyVUnhgeIpllMqpd62AP=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_ujUvC7UCZQ1hx_BXZ_zRYPWV9A2hOOMplyUxNkIkPyXJjlqXQ9i-mDgCGkXuq9p3m_E-V0cFiTCekWkmREiX6HO6iowHgrqmh-K8pX7jxqy2uM2SmdEyEMDctUxSeSOZCmWsTbD6d-ZWkz6P_A2Oo=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_tssLnC_rYREnIdibKshhFWXeTOJ3fe8WPzGeb9neXZ39gbHPeiZOJWZ0dIbtJlj_S_U0tcljzC5FprUoErUteOmpcSw00AYLc-oTGUBtd8M0yH5m-ad2F_OiE-SkdIdpqDjHId6DyTyd77u1XIU6i0FeK1JdNzXSa1H9RwB7uZ2g=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_vbwdwk4AnKhrFQ3kPIKSMC5vGkYlzZeKi-z5CNTA-PD1YDEItCDtDhcYb2on0nMd7QyArVE6ebmvup5SGtaeyEDA4LWUZl1EcLkA7gesCyY40kpZxMJ3lLSiUwpx7v-Ul7zrRV9RUX79cfajPRfw_Tj-85oA7tFp4epifVlilup-_dKGs8Gjs=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_s5DOT0ZJJvsfwqiUcxU-UnRY4ElNxEBfJ9nEa75DDTWrRq_xxiY2EriEWej1IA0yXfre-GExLHVzxaEhAlky2a0zbo6b0F10GtXuQFb5iilBp-pKSnwxc2xxxZy6CGZLb2w4zTqMA_fzafZPhqKeQlG8qpTjtNLc2wWxQ=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_vPpxjmrGF-B2HSMB4Vd0q5epmGXa7ZY6ES6LclMvZPfKjkke-SLolEreAhb9pUYGiRcdbxasuRcrI6EmTxfTnZ00FQ-dhFnaNqAvXqe3wbOVwDiJ7ZiRKzo4394X6I9dM7DLwcofYfNhTFohlE77CAfo3M3Y82Y2MocaELPdwOhh6oCI0_9scOzafUubpgARVhfbMeP04BrTzTPoGUScnbhLtYmMq_7Hei38LuoTex7ktVLIU6Oag86TGx=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_tyQiMywb-dKKVE-QDBTSUqwHjBHJHuHpBzZvNn4QDuFIfaRpXeIGKfm8Iv3XygllZ8i225z4mu9oNApRakDHj1REfYXrRF8s1SEjAh09DEuDHOTf-odiROxPpsdBKE6Lsn8mYhOpn95x2SZN-iO1psSXg0cwmVw2MB51FOvp8_mFV-tfQuR_Lh-j7iE6C8uYnEyQDJv1ZuwPbCNAzSrrHPVsIQsO7FxCg=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_tgcMcAT-9lS1kKIQhSKjqXOK_qtNKE2n5zq80q456ibmPIflvKtkhPZm0wsOn5pRJqOON48dycA5FQYo4_e36bHf5tYAvfqhSTo52P8ee2lmW6MPJf3v99crH2r3mIV-r49nOmG8ZvISBkaXQAKSbBzSS-ds7v7Q=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_tHh8-L99JW_SrtY2gapSC8niomJjJgfw9qVfWdf5tew_6HVdBQPM3P2dYNVvKiKV2JBzFY5uk55_PgDsCiMZWhcDeML8Dw9pf4p-byTZx_a5aEyYhKks67fbZIjkxDEjHBuiX8ULRP3m-24giHSEBQn5IBqf0XntlLoJUrIl5lw_V9VhLpI5Tj_mOx=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_uVk4cAKAhOSJIW0ttRPb3WXK7cq6ULWweUASAQS-UEXmewyzaqgxQJnCPOPOLLU31ZComhoXzg_gpYJUk6aXpiM7mgeps=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_sjneb7DRBznMT0JgV1E_FFe3ogeqmr7K4GfxmGYnbVyywiS1rOQwvvdAzt1nh1uyneCRcdoGdLRQFZ80U-fDyeYM3EQbXcqJA2-PTCwD6yyhTwWthA1ruEHt6LLQUQv4M=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_uN57KgtZMGPQIskXhHu5ZbuBe47ZJiwjm_FAAX7RH63fp0UuEJw8WFYsRoYg8oUNV39HjFAEbE5bgVXD8VSIhO-Muw2FmfrHaX4VnPSnECWKASM18ikWTMGwqlg2_TiQN4vWZS5LKHxf-P8ICW7Ic_fLeKlIKzBTWHtkspXwB3B0W4b07FewoDsa_vC4u0CYZ-Z7_gwA=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.