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_tIS1S7z79dBkLFoCBAOBQNnfLkt9sTSu4Gw_QudblpPW8tgqazrbj4c4YfpXsUKbtTNl1IbCV4yUZ0PfTsMaKGABJ0EryDJ23Rxt2BBtWoJId2fFgCe5U24WrLk-pn-cLTovL_QgoHCNeoK7YBsk-HPuxXZc5BW8idOCswgx2FpgBWI_etmbE1ag=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_tn9Cno9FCqDT34V-3OEGCBsL6cfTzweVYxeCzzdGTvmfQGA-FZfELPwZIC4kgZj1TjcsPo2N2FzaCO-PapyhoNrA3syCoHp0JGjN3XSITeEyoO-xzckaN46yzFlkMlwsxKwJetLe7nIxsMOsRBjTIf9JqmSG73J2jRhx848Xre1am_3knbM3OodNUqjS6K8zHY1UWiLBfiTXZh1nI-pLQxIz80HpLviGneFSR5PFZ3mlYz61sRl1U_6eZD=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_te6xbL7N6Cj2H3g4-x1pyBbYZshyEMWyOXZePny-y2shCErPWIkc6nFAVBW-tD4zMDLd_S0RUFLgXhZFE2jfAc9fBoy2BuuKYH6dOpqgSoV5Wmmukdi5iAE2QuPbE6ByYLKSmfzMGT5vPhjagFDrpwmztEJRyk3pWSZRYJ9F214Q046Hx8zTdaHuWMJAFFdjYt=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_u6khzSTsLLWLmtmE9cvbeKTFF6hyiptjxFaa_878ki-tRH1jyu_G4Oxp9wtP5OBjndRF6x6htCd_mDNvGUwU8rVvDdTYQuF_d6PG21NSwT5F0ctYsiWHyR2eErjtOusjH5B2yQc_lH6xdO-WbMHCDYozzl2IL05Rt80TtWb8tajF6UURQgkekXGo9S5IIg8A=s0-d)
Primeiro, temos a base da indução,![n=1 [; n=1;]](https://lh3.googleusercontent.com/blogger_img_proxy/AEn0k_s0RcPhqOE3FQuXYi75DtdFc9LZ54mU3JjrsGM-RG-GgvMGTWhTax4zJNSiNcDPiiWjeycUy-n9vRda-fl1lA=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_uJL8OH4Xhovxoa0kY43D5E4l65qpH-mo6DkloJmix0pcSnKkpKskysiG5gMlb3HQRmlL10vHFaulJlBwNRimTeDli5e-MZNxTXOq54rNZL5hpmyVf_15OCsWVWmPVS9H9zj4YQ8-NgkYDyI0blL8WiI0Ic-p85UH4zH6EN_f1xPG4gn6m5LmfpN8aIasG5aatvqps_OGNHcuBBE3qsd3m6i-TweqAkIwLxnqAVV3HDk5NPHOUBNi4DErQ7EPlT4-OU7y72xE4inZuHtTjkPVO3UsG8cutUtfMMxZGlQRNwdMpS=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_uM_F_0xQG4WBsjxAL8yqRVm_34gxkho400diI41mW12wwAYciZ2A7rnTwhFOQ0okz61pemPxW_VYUBbdjfgynPURmmcFc8m49DpVJTksM3LCgHpiLMQS_gsswIdR8-zzPSgZpSZsOiTxP3wxkm0L2Sw7ezjYHjl6Ql-bdd_JcVZnR5wcKuzVF1bt0z5F8nSClq1pKDLRaKegU1ee7brU3KWchy91hpNwGnAI0RaJzKovzkEFs=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_u7Wz_Sdfv3Ukykw5GtUOi1WgSSUqdMa3FCTsYh1x4jpRA6biSDL_OmgHDS_GRm9tCCbuGhTpSonHCfm9DfgjHHblMR0-RNibFixstQSGBB6NuKbH1SQN7QK3jPrYsSI7yIfhxccDkBj1oLbiyEt4R0uyRoLnSF7LJVszLQQZcWDEzkXFXEQXOOZraaGJmqicRc9jWuStA31aMXdI-2UFLSBtKs0n3owLqb7itl8JRETzxFBTCSrujTO-5cfMn79bY5DGbImMmCc6Yh0VHdQAW0zu3GFxkMpZNfg7KLJjyaoduOfNWGinBSzEpoAudmAz3bn5g81_dxeU-oOB71=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_v-Wef72nde2qppNsG8pKQQFP2B7wy3OacOM1oWzdoQ6itiDjQMLm7ASqAAwrgGUgE7DNouAZD8lbcS_BkI0i_jmD7dAMj8DE40JDNPdc0d0kElktg_YQ8YrzTCsLDibICl9Q6k_wrwYJRk8dvbYeI=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_tFKvSjF3CuWZSprWTcwbErcXQzy6iTHZb7OWXnAVTs39NbY2Eo2oGTpfrNfHbmckizeKPpeHRBQjBxtTNrv3oEi-5urVZNGHTvcuzasZuvdvVLOJ0JAuJgNWpkdVq3HqPfK2Wjyz28ow7ke5sTgorvB7nGnD4p-6yQtMpuNZW6qg=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_sArlwh5cutPcb4SHb4WGd4Kv2CgO45veGqcnL2g0DuAuc4NsxEXmrxnxaGprWFsaYsG_ivRFZERSQJHnhCHef7wXCEYpF-yRSU1rEZrtBf_SOLgaLTUmo5e3kh4QXXB90mQrI6RYUZ0UDw9_4IBqdcKsYdWMJVLHD094nc5N0FY-t9vJuOvXI=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_t3OWHqMnopJneedhitM9-hOpzbv-JPRvShZ1-KvTjyOyjaBfsRs03lCVPyC_7im17e0uHq8WA3Xaaq8NYX3jwJm2u9-Nve9mEgPAx53gDUomRIMm2ckdhgt3Nft_BtCqb8ZgK_95zVbhd3FkpIoUKi3dxN3BuBoFsnu4k=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_saYQmDNFcfEx5P6-VeORrrrl7LWCEQtPxkQE8Npfsbq70wDDxCkCAz1yYgSg0lt182pmH6DKPiAp077hw1VaFlkVYgbzqfsXfatXHpkHVxNxEG6e73V5WoGjOOWvkGJ_VB-wU0W2hNBbZzbPgoMPWb3DxfnFwFyq1AkXFBh-xVmI9QjXWNJprs3dKvPRiw3VPpae8L023Ac8HTlHDNb3sE6OpP0_1sPHBfMcCyustN_NAPzr66FSEupfjz=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_tp2WpTWbV-5_TasA-FEt5_L_CTF-LdZF6Dt7zkLMfepZHa8Vg8wJNq7RwTm7MQxSWVwnMh9Td6O43u9vzcOqSj-fpeZDeWpP1-hAhlFlpA_h7B5S5nfN3Z20eS62sRAEcyAxTVdhAEkYLg-t-gGjj3ITNtD-kNQvhykHaiu5wRy13jF4J5VQBb0MUfLYZQT-4dtoYLhcJu6NU3lwOe0hbLBHSDogmX-Jk=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_uPx1gN8K3UnAsUAcDpNHH6nX91HPywDy3ChV-tyqbAiv2Ve-czuZ_KisDhmY5PiP89MNEIT0lwzBJvNT9JSD2C_42EjSJhKIFg_hBIrRYr4V_Feh40en8XfzZQ7ZCTVB1WPiPyM-YWwtgDtJmgArYr6m1I--fDFg=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_vLTeRvvEBjnyPkCmzcplKN9C0Hv6tWaP8ENZl7P07UMsaHJGShm9w7YAT8KBwbGZ5WScgAGm6CJja5J3qJ-aW3--O5bWz66xg_VMbxau8DAbrOmmzO3QWp2ZGlzt1VLsr2Ld1GL9t-lTUK52CQQObm6JixFDKTVyoCAPUrnnto9QG3mgeDopQfwKSy=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_t-baGPWhpXZRT9Uy4QliLlV-Wt83-zPQmnVJhTC_kHotFFlmrIjAk0fCjLx28BRZ2uyHhWKve9F3xjldMQTVOu-LIOQG4=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_uzcL4A0ilFpkCmytJXTO0B9fYwzCPIFhGVSQ0vvzaju2dstJWUhagoWQ48qQUurt3kO3YCasIA3hYMx4y25IIzSbXOnGKdZRgzA2ZnzHKQZznY6WdBYQP0VgSmhguA7Pc=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_sfuZIB8WMtn3jF87pU4okDWYN8hQn1LJ9As5lXiJigP_UUsDuCvAbFMR92ipTsURtva_r57MA5w5yyQiHkUo3YZi1I7qO4JN0aTt_RGkFAFd_bbFZ_6VrggVMsBXzoSCZe7HQD4KlchlLt5bcCl7-8DM4PDAHEadCWfP1kqogNFs5bSRGsITabnZooYH_9W1mP2XAcaQ=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.