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_v2aErq1g8J6NtElOhkb-SWVeUUeON2q-io6zLpAGv7N1ep0kchyNkkIyOuQU_LnA8s3WVMl4uk1ZpM2UXqDm7zwmgnLrt1YMg_HALAJ0Lmj473AUNv2P3ERT7sWrqZAwp7uj2gM6eK32vQK6thtsnhz6h7QCwb6_sjytNwK5fusxkrgq5aD2in4w=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_vaGOpzV7wa5Nmfgxi73kVnN_0bq5pNJhF9n5KAzUbOcBF9soWUHTU9v0IuhGHRz_uf4Fvd8nWOn157TN3cxIv45IlGMTHR38gSshXjRQd8KJgBZQHKPihw1ylE8lQlZRz0YnOv_y9zWTGFN-WrUblc3UG2VxZUvtEnWT4ZKV8S186XvRXndSsz1l2E34INL0vzZkJ7igQLsDhG4edD5Pv-OjtXnYwdDCWt1I8Aa-H8oa_v1TgSc9tiDraO=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_t9V6FVRclczatkTn_ZjrU6ENC4YyisjlwWuDisMTZpPXlpzMF9HSIntzcniB3wnNR_Q-8sotGH2CLj55rbYbi5nW_yUa9lhDR6RU9PeaEvtgDPtRmWdwvYIfQnQvEvhNT-8v_djMwDcfX3Glf2kLwi1gA0WwwJAHjDsrdmY0Kj6_JXFf5Swya6EGXAy64quN11=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_vhSe__TP40U97WYBa7Z6nheD0z-JFJdZ-oLONd8gWor5gtcq6XSX41U6jMK84HF86nrl4l8QEIoHuInc4fXHJpqKoCmrlhJoGiZC52ynCPMYwktaelv8p7f7ODMjqRH0gnhe3sxprSpdkqleH0fiC1aOKjoY7qa4taGF3vxSjcVoaFqrphzqZbTWt5SQHsZw=s0-d)
Primeiro, temos a base da indução,![n=1 [; n=1;]](https://lh3.googleusercontent.com/blogger_img_proxy/AEn0k_sYkBrq2n2GXj98rQA7CCd7mMEs8ZlVS3IimfqbokbIn5kMVK7d8EHPCcGgz6KbzjdK9H4V5vhMbe40hJ5lXA=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_uaf96WbVbXg5zyxaBsutRYYCa602eUalJtlNPL8kXXDWDpzWZj4IYfR2suiMKHOz2KSQt67nk9_hiuse9G6v3YT6DIs7eVTGcmGnaa1xmmYQ_gFWjw9FHNG3rrqn-ES-ATwaq4KEyzbiyW-a_JAwOOxhjeCMbnmS7BFuNJGN-p_EGw5gkl-nhrOcAD59XjwrjUiIcBvnbrxHi1Buxn0qXtVS4o-_lKFrIXNAfuUpzablw6vAj1u0Buc_S9wJCUrjz4hFolkI_x5pL6BtnmDgi98uHDNo7vtqDTXTGOr4CugqG8=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_uBivwxsmvFn2-6jTLKiBe3sYLwvV6eOCVkiR1srRbhEXc7ktrflGt56Cdjgc3Ez9ix9AJVh5syVIsgFL8coIpO3DvWA0_qC8dhXNVX7PaUBeWTFWMlywhB-jaHG0Ydr28CTaFqbKtNWvSMEV3bfk9VxxF-N9YMbyZUVwydzhx8OnMBeYvjC1pFeAn97ueKGSQbrqXxmiz0xvzS6Ah59aZPcq4qljaJwrM4ShjZ6XgVl_xQoXY=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_u6savgWryX4uTtaLxyTrSX4P5jI79iTcGqZsabLeJ2tGUpN2c6DN1B4xsqq2vCc2mwTil7E7_FInmpuKpInuqE2516dfXC-Tb8e5dANWf34gMjE_44D0-9fUxYeqxWA_DHSahPxtivdmsBbqvIJ1FhVYmVdyhOR99nKdITP18YqJUCZcUgrb2vstRzzBiP2rZLBShnNvuUWxawIonBE7y5vJbXJjkVGAouXM20xeyKFpTWJBd-gXGv8epfQKc8ppkAdvgHCu6_aa0Y06fSERU9Sy-6iguR6WPzh90p2EQgi3gFOr1v2plhw8lgRqlebzgt_9-jWcRqCNM037vn=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_tN0FgVPpu62_PWofFwv3Aov9toDjR372YgJhaWbpr0Uk8cZfr7cREEB8KjOQRUPseh5LyY2mb9IxP8S1TjBf-imOdHZRBlDUwXNM3G3bRnsKEjDH-I2tXXTDoYnosciRuOc8OD2SA1gv-SIcx_ehA=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_v4c6Hvd-COWmW-nZuw1U3jupNfEfdfnrX-5uragL5zz3BKfNNljPzwWFAe3HQUuDFCD6bGU1LCo1zCuDfneFhdMjnTXUNha4QgwmOfGicvTCsLFGaXUngCwSMUUZRKLTOs49giu4h373vTSRBcQ1TX5nNH-XcebG5JxBRWHGlHfA=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_tu3Kfs5F1tQaDy-fnRGH6Vk9h9eCedTMwJ_MJMBxgOxWIljO_zj1k0STm5zn0ScEDF-rHA-AqIx98cc40IPHi_zjxGrlG-40c2DYHSwklQ64GcSNDCtmB2xQg_sllOGoyOwTP3_GESsZ4CiXoeyMcjzwSjdj6OePxMeZzOuS06h0oWWlQUe_o=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_spoWIz5MKbqu6wGUupA0CS3QUz6Cn9gE5uBB1WKttbzp197yKTqg2AAhOXY4UHTTJb7DCoj5k1Wt3L5j7Bq1lLTUxVRifPvVS27fGKv91ggaUMnZ0SNBsi1X8wnIiLDPDeyGYkSE3I3QkNt0Zl2XEKzl9ggqmYfpVfn00=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_v3NxcRB0_OaTRSMdAwRimw3DxkT8qtipbtlHeOExOmxsqO7cAoSjFQs1cJ2_MrDwSBurteE6xmZMSeU7M42WC2HgrFWTrkDBUbjFkj9kCwBHguCaWJUoHazAs28ILlMfqJQ92q4dm4UIqNQR7rqmH1_D_Ti1iN2b4c24mwYZwm9C9gFsZq_mC5gwaag2toxZwZfAsJjedrKRAPKfLizBR454nbjp9pv7efjLypBN2_ra1N8icb8offSnhz=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_s7puBtpV6ZRIHzZdH7YTzkM-TeMrSnnoGQE113XiMFZx5fgSFCYIAc4QEfbn8CEDQ5PaRXSURiIZlB7U9EAYNt8-Lurt1rCduMUhsJRwFljEC5Nu6zhQinkfV-FCVPvQ4fB1C1-cupnIl9-NweZWhvgPXb5vBzY_f-CYn6jRMbVI3zJOeG_m7c_1l294aNtTN6XILVlfXNiTDGlJCA2lYL4tKzqY_76rI=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_tHygwcvGHFnOu2WdIEwEbWBWTnw-Y7TCWclyHj8wn5m9r42IOv2msg128RnO3fmAzNXg3TIktymL65w5cM4bhSSBgp-0dSMQwDByQ32U2VJWAerB0CRnZwIZUWFyCkccwijTtwGqhAHNdbDafpVfWXGZ3Ts2Gbmw=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_utjylVLuFKehMonUBvBogK9otyHf3uBhvdluKpS0IZ_WS7YoumJ1LJr1tt_w0BssfHfscNvkbaYZIkTSnKwjrbLbZ3HYEs5J-uH_vh9hwjRuKLS5KC1zp14YW2UW50m9f6Ufz5ea_2awXOgtQ4-3wZbVboVZfQfqzge9w8MUPoXLq1BOn9N2EoH5rk=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_t8jQMghr81pvjJsU7ZzC8FaJQKZxaZUEKSaSPAf9JVSYG3J22Cn09XMauLzPsTtU6Dl0Vm-SGOaFqcNkhC4eXPxj2JzUQ=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_sSk5YaiTZE1sbh82TsfSn2nTLlJO_TNaTO_rgqemPEXIt01t0o0jnY8r0YiKp90MCLhfiNObWEtJY73RP0hKQ5awHafQqxrygKq29z_Gz_TqVTB_KDC-cSZzkdeAaYPNs=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_tcfM9q-5ONcL6ObfDX_FWFFyShCg0bP7BQOO_e4Et6N-N27jsjzqccozUMBOZLX0_hITt-PPwlaUlHTgfJQcUeBD0ouTu3O9G_horKI2Zuaj42K-pd1vFs4cR6wSWLrZGj3ET34YR_feJkRmkETTOJKsrUB37-eR_58dsmapvFPbuGFqH_jvzW_RuNiy0sb1Xc5ac4bg=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.