INDUKSJONSPRINSIPPET MAT111 - H16 1. Matematisk induksjon I
Transcription
INDUKSJONSPRINSIPPET MAT111 - H16 1. Matematisk induksjon I
INDUKSJONSPRINSIPPET MAT111 - H16 ANDREAS LEOPOLD KNUTSEN 1. Matematisk induksjon I læreboken står kun en liten trudelutt om matematisk induksjon i margen på side 110 (side 109 i utg. 7, side 108 i utg. 6). Det er en veldig viktig teknikk og vi kommer til å møte på denne flere steder i kurset (og i senere kurs), så det er viktig å lære seg dette. Hensikten med dette notatet er å utfylle læreboken ved å gi noen flere eksempler. Her er en oppsummering av teknikken: Induksjonsprinsippet. La P(n) være et utsagn som gir mening for ethvert heltall n ≥ n0 , der n0 er et fiksert heltall (ofte er n0 = 1). For å vise at P (n) er sann for alle heltall n ≥ n0 er det nok å vise følgende to fakta: (I) Utsagnet P (n) er sant når n = n0 (dvs. P (n0 ) er et sant utsagn). (II) Hvis utsagnet P (n) er sant når n = k, der k er et fast men uspesifisert heltall slik at k ≥ n0 , så holder også P (n) når n = k + 1 (dvs. at hvis P (k) er sant så er også P (k + 1) sant). Merknad 1. I steg 2 tar vi ikke stilling til om utsagnet P (k) virkelig er sant: vi bare viser at om P (k) er sant, så er jammen P (k + 1) sant også. Antagelsen om at P (k) er sann kalles induksjonshypotesen og hele trinn (II) kalles gjerne induksjonstrinnet. Tanken bak prinsippet (og grunnen til at det virker!) er temmelig enkel: Vi viser i trinn (I) at P (n0 ) sann. Trinn (II) med k = n0 viser derfor at også P (n0 + 1) er sann. Vi kan derfor bruke (II) en gang til med k = n0 + 1, som viser da at også P (n0 + 2) er sann. Trinn (II) nok en gang med k = n0 + 2 gir at P (n0 + 3) er sann, osv. 2. Noen eksempler på bruk Læreboken har bare noen få eksempler på bruk av induksjonsprinsippet, stort sett knyttet til å beregne n-te deriverte av funksjoner (se også beviset for Taylors teorem (Teorem 12 i §4.10)). Vi skal her se på noen andre eksempler på bruk av induksjonsprinsippet. Forsøk gjerne å løse problemene på egen hånd først. 1 2 ANDREAS LEOPOLD KNUTSEN Eksempel 1. Vis at for ethvert positivt heltall n, er summen av alle heltallene fra 1 til n lik n(n + 1)/2. Bevis ved induksjon. Vi skal vise at utsagnet n X n(n + 1) P (n) i = 1+2+3+···+n = 2 i=1 er riktig for alle heltall n ≥ 1. (Første likhet til venstre er kun definisjonen av summenotasjon, som jeg regner med er kjent fra VGS.) Først observerer vi at P (1) er riktig: Ved å sette n = 1 inn i formelen, ser vi nemlig at venstresiden er da lik 1 og høyresiden er lik 1(1+1) = 22 = 1. (Dette er trinn I.) 2 La oss nå anta at påstanden P (n) holder for n = k, der k ≥ 1, dvs. vi antar at P (k) holder, med andre ord at k X (1) i=1 i = 1+2+3+···+k = k(k + 1) 2 (Dette er induksjonshypotesen.) Vi vil bruke dette til å vise at P (k + 1) holder (induksjonstrinnet). Da regner vi ut: k+1 X i = i=1 1 + 2 + 3 + · · · + k + (k + 1) = (1 + 2 + 3 + · · · + k) + (k + 1) ved (1) k(k + 1) = +k+1 2 (k + 1)(k + 2) k(k + 1) + 2(k + 1) = . = 2 2 Dette er P (n) for n = k +1. Vi har derfor vist at hvis P (k) er sant så er også P (k +1) sant og vi er ferdig. Merk hvor vi brukte induksjonshypotesen i induksjonstrinnet. Merknad 2. Eksempel 1 er Teorem 1(b) i §5.1 i læreboken, hvor det bevises på en annen måte uten induksjon. Beviset i boken er lik beviset til den berømte tyske matematikeren Johann Carl Friedrich Gauss (1777 – 1855), ifølge en anekdote. Da han var åtte hadde han nemlig en lærer som ga hele klassen i oppgave å addere alle positive heltall fra 1 til 100, for å holde dem opptatt. Gauss kom raskt frem til det riktige svaret, 5050 = 100·101 , ved først å finne frem til formelen 1 + 2 + 3 + · · · + n = 2 n(n+1) . Den kom han frem til ved å legge merke til at 2 ganger summen kunne skrives 2 som 1 + 2 + 3 + · · · + (n − 2) + (n − 1) + n + n + (n − 1) + (n − 2) + · · · + 3 + 2 + 1 INDUKSJONSPRINSIPPET MAT111 - H16 3 Siden summen av hver kolonne er n+1 og det finnes n kolonner, er 2(1+2+· · ·+n) = n(n + 1). Neste eksempel er av lignende type, men viser at vi noen ganger trenger litt mer mellomregninger i induksjonstrinnet for å nå frem. Eksempel 2. Vis at for alle naturlige tall n er n X √ 1 1 1 1 √ = 1 + √ + √ + · · · + √ > 2( n + 1 − 1). n j 2 3 j=1 Bevis ved induksjon. Vi skal vise at utsagnet P (n) n X √ 1 1 1 1 √ = 1 + √ + √ + · · · + √ > 2( n + 1 − 1) n j 2 3 j=1 er riktig for alle heltall n ≥ 1. Vi starter med å sjekke om P (1) er riktig: Ved å sette√n = 1 inn i ulikheten, ser vi nemlig at venstresiden er da lik 1 og høyresiden er lik 2( √2 −1). Påstanden P (1) sier √ derfor at 1 > 2( 2 − 1). Dette er ekvivalent med 32 > 2, som igjen er ekvivalent med 94 > 2, som er åpenbart riktig1. Vi har dermed vist at P (1) holder. (Dette er trinn I.) La oss nå anta at påstanden P (n) holder for n = k, der k ≥ 1, dvs. vi antar at P (k) holder, med andre ord at (2) 1Her k X √ 1 1 1 1 √ = 1 + √ + √ + · · · + √ > 2( k + 1 − 1). j 2 3 k j=1 har vi gjort mellomregningene √ √ √ 3 √ 1 > 2( 2 − 1) ⇔ 1 > 2 2 − 2 ⇔ 3 > 2 2 ⇔ > 2 ⇔ 2 2 √ 2 3 9 > 2 ⇔ > 2. 2 4 4 ANDREAS LEOPOLD KNUTSEN (Dette er induksjonshypotesen.) Vi vil bruke dette til å vise at P (k + 1) holder. Vi regner ut k+1 X 1 1 1 1 1 √ = 1+ √ + √ +···+ √ +√ j k+1 2 3 k j=1 √ 1 2( k + 1 − 1) + √ k+1 √ √ 2( k + 1 − 1) k + 1 + 1 √ = k+1 √ 2(k + 1) − 2 k + 1 + 1 √ = k+1 √ k+1 2k + 3 √ − 2√ = k+1 k+1 2k + 3 √ = −2 k+1 (Merk at vi altså har brukt induksjonshypotesen her, i andre trinn; resten er elementær regning.) For å vise påstanden P (k + 1), som lyder: ved (2) > P (k + 1) k+1 X √ 1 √ > 2( k + 2 − 1), j j=1 ser vi at det derfor holder å vise ulikheten √ 2k + 3 √ > 2 k + 2. (3) k+1 √ Ganger vi begge sidene med k + 1 og kvadrerer, så får vi at siste ulikhet er ekvivalent med (2k + 3)2 > 4(k + 1)(k + 2), eller 4k 2 + 12k + 9 > 4k 2 + 12k + 8, som er sann. Vi har derfor vist at P (k+1) holder hvis P (k) er sant. Induksjonsbeviset er dermed ferdig. Neste eksempel er et eksempel på induksjonsstart i et heltall større enn 1. Vi dropper også skrivemåten P (n) for påstanden, siden det ikke er vanlig å være like formell som vi har vært i de forrige eksemplene når forholdene er oversiktlige. Eksempel 3. Vis at for alle heltall n ≥ 5, gjelder 4n < 2n . Bevis ved induksjon. Vi skal vise at ulikheten 4n < 2n er riktig for alle heltall n ≥ 5. INDUKSJONSPRINSIPPET MAT111 - H16 5 For n = 5 sier ulikheten 4 · 5 < 25 , m.a.o 20 < 32, som er riktig. Anta nå at ulikheten holder for et heltall n = k ≥ 5, dvs. anta 4k < 2k , for et heltall k ≥ 5. Adderer vi 4 på begge sider2, får vi (4) 4k + 4 < 2k + 4. Vi observerer at 4 = 22 ≤ 2k , siden k ≥ 5, slik at (5) 2k + 4 ≤ 2k + 2k = 2 · 2k = 2k+1 . Setter vi sammen (4) og (5), får vi: 4(k + 1) < 2k+1 , som er ulikheten 4n < 2n for n = k + 1. Vi har dermed vist ulikheten for alle n ≥ 5 ved induksjon. Neste eksempel er av en litt annen type: Eksempel 4. Vis at 8n − 3n er delelig på 5 for alle heltall n ≥ 1. Bevis ved induksjon. For n = 1 er 8n − 3n = 8 − 3 = 5, som er delelig på 5. Anta nå at (6) 8k − 3k er delelig på 5 for et heltall k ≥ 1. Vi vil vise at også 8k+1 − 3k+1 er delelig på 5. Da skriver vi3 8k+1 −3k+1 = 8·8k −8·3k +8·3k −3·3k = 8·(8k −3k )+(8−3)·3k = 8·(8k −3k )+5·3k . Induksjonshypotesen (6) gir at 8 · (8k − 3k ) er delelig på 5. Dessuten er også 5 · 3k delelig på 5. Men da er også summen 8 · (8k − 3k ) + 5 · 3k delelig på 5, slik at vi har vist at 8k+1 − 3k+1 er delelig på 5. Vi har dermed vist påstanden for alle n ≥ 1 ved induksjon. 2Hvorfor kom vi på å addere akkurat 4? Jo, vi visste at vi ville frem til ulikheten for n = k + 1, dvs. 4(k + 1) < 2k+1 . Venstresiden her er nettopp 4k + 4, og det første vi derfor prøver på, for å utlede den ønskede ulikheten av (3), er å legge til 4. Så ser vi hva som skjer! Matematikk består ofte av å prøve seg frem. Den pene løsningen vi så skriver i lærebøker og i matematiske artikler er rensket for alle feiltrinn og skrevet i andre rekkefølger enn den vi har “på kladd”, og viser således ikke alltid hele tankegangen bak. 3Igjen, hvorfor kom vi på dette “trikset” med å legge til og trekke fra 8 · 3k ? Jo, vi ønsker å kunne bruke induksjonshypotesen, som involverer uttrykket 8k − 3k . Vi ser at 8k+1 = 8 · 8k , og for å fremskaffe uttrykket 8k − 3k trekker vi fra 8 · 3k , og skriver 8 · 8k − 8 · 3k = 8 · (8k − 3k ). Selvsagt må vi da også legge til 8 · 3k , og må jobbe videre med det uttrykket vi da får. 6 ANDREAS LEOPOLD KNUTSEN Neste eksempel er hentet fra en eksamensoppgave fra UiO og er et typisk eksempel på en oppgave med “praktisk formulering”: Eksempel 5. En butikkarbeider har stablet hermetikkbokser oppå hverandre i en slags pyramideform slik at det øverste laget består av én boks, det neste laget av tre bokser plassert i trekant, det neste laget der igjen av seks bokser plassert i trekant osv. Figuren under viser de tre øverste lagene sett ovenfra. (a) Vis at antall bokser i det n-te laget ovenfra er n(n + 1) . 2 (b) Vis at det totale antall bokser i de n øverste lagene er n(n + 1)(n + 2) . 6 Løsning. (a) La An være totalt antall bokser i det n-te laget ovenfra. Da vet vi at A1 = 1 (og A2 = 3, A3 = 6). Siden det n-te laget oppnås ved å legge til ytterligere n bokser i forhold til forrige lag, har vi An = 1 + 2 + · · · + n, og vi kan nå løse oppgaven som i Eksempel 1. En alternativ, men nesten helt ekvivalent løsning, er å argumentere for at vi har rekursjonsformelen (7) An = An−1 + n, for alle heltall n ≥ 2, nettopp siden det n-te laget oppnås ved å legge til ytterligere n bokser i forhold til forrige lag. Oppgaven ber oss om å vise at (8) for alle heltall n ≥ 1. For n = 1 sier dette A1 = An = 1·2 2 n(n + 1) . 2 = 1, som er riktig. INDUKSJONSPRINSIPPET MAT111 - H16 7 Anta at (8) holder for et heltall n = k ≥ 1 (induksjonshypotesen). Siden k + 1 ≥ 2, kan vi konkludere fra (7) at Ak+1 = Ak + (k + 1), som sammen med induksjonshypotesen for n = k gir at k(k + 1) k(k + 1) + 2(k + 1) Ak+1 = Ak + k + 1 = + (k + 1) = 2 2 (k + 2)(k + 1) (k + 1)(k + 2) = = , 2 2 som er formelen (8) for n = k + 1. Vi har dermed vist at (8) holder for alle heltall n ≥ 1 ved induksjon. (b) Oppgaven ber oss om å vise at (9) A1 + · · · + An = n(n + 1)(n + 2) 6 holder for alle heltall n ≥ 1. For n = 1 sier dette at A1 = 1·2·3 = 1, som igjen er riktig. 6 Anta nå at (9) holder for et heltall n = k ≥ 1, dvs. anta k(k + 1)(k + 2) . 6 Vi kommer også til å bruke det vi viste i (a) for n = k + 1, nemlig (10) A1 + · · · + Ak = (11) Ak+1 = (k + 1)(k + 2) . 2 Da regner vi ut: A1 + · · · + Ak+1 = (A1 + · · · + Ak ) + Ak+1 (10) k(k + 1)(k + 2) = + Ak+1 6 (k + 1)(k + 2) (11) k(k + 1)(k + 2) + = 6 2 (k + 3)(k + 1)(k + 2) k(k + 1)(k + 2) + 3(k + 1)(k + 2) = = 6 6 (k + 1)(k + 2)(k + 3) = , 6 som er formelen (9) for n = k + 1. Vi har dermed vist at (9) holder for alle n ≥ 1 ved induksjon. Erfaringsmessig viser det seg at en del studenter har problemer med å utføre matematisk induksjon på riktig måte eller med å føre oppgaver på slik måte at det klart kommer frem at man har forstått teknikken. Det er viktig at det klart kommer frem av føringen: • hvor man viser påstanden for n = n0 ; 8 ANDREAS LEOPOLD KNUTSEN • hvor man bruker induksjonshypotesen for n = k for å vise at påstanden holder også i trinnet n = k + 1. Ofte er siste punkt veldig uklart utført og i mange tilfeller ikke utført i det hele tatt. En annen type, om enn sjeldnere feil, er at man blir så opphengt i induksjonstrinnet at man glemmer å vise påstanden for n = n0 . Følgende eksempel viser hvor galt det da kan gå, i det at man “viser” en påstand som er opplagt feil. “Oppgave”. Vis at n + 1 < n for alle heltall n ≥ 1. “Svar”. Antar ulikheten holder for n = k, dvs. k + 1 < k. Legger vi til 1 på begge sider får vi k + 1 + 1 < k + 1, dvs. (k + 1) + 1 < (k + 1), som er ulikheten vi skal vise for n = k + 1. Har dermed vist at n + 1 < n for alle heltall n ≥ 1 ved induksjon. Det morsomme her er at man har utført induksjonstrinnet riktig, og man har vist at “dersom påstanden holder for k, så holder den også for k + 1”. Problemet er at man ikke har vist at påstanden er riktig for noen k i det hele tatt, slik at det man har vist er egentlig et “tomt utsagn”. Ellers er det en ikke så uvanlig feil å tro at man har vist en formel/påstand kun ved å ha sjekket den i de første tilfellene (spesielt skjer dette i tilfeller der man blir bedt om å først gjette en formel/påstand basert på noen enkelttilfeller, og deretter å bevise den). Følgende to velkjente eksempler viser at man ikke kan trekke generelle slutninger ut i fra (noen få) enkelttilfeller. Eksempel 6. (“The Monstrous Counterexample”, fra P. J. Davies, Are there coincidences in mathematics?, Amer. Math. Monthly, 88 (1981), 311-320). La oss betrakte påstanden √ P (n) 1141n2 + 1 er ikke et heltall. Det er lett å sjekke at denne er riktig for de laveste positive heltallene. Faktisk kan man vise at påstanden er riktig for alle heltall n slik at 1 ≤ n ≤ 30 693 385 322 765 657 197 397 207. Men det morsomme er at påstanden slår feil for neste heltall, n = 30 693 385 322 765 657 197 397 208. Eksempel 7. Et Fermat-tall, oppkalt etter den berømte franske matematikeren (og juristen!) Pierre de Fermat (1601 eller 1607–1665), er et tall på formen Fn = 22 + 1, for et heltall ≥ 0. n INDUKSJONSPRINSIPPET MAT111 - H16 9 De første Fermat-tallene er F0 F1 F2 F3 F4 F5 F6 = = = = = = = 3 5 17 257 65537 4294967297 18446744073709551617 Fermat sjekket at de fem første Fermat-tallene F0 , . . . , F4 er primtall og la frem en formodning om at alle Fn var det. Den tyske matematikeren Leonhard Euler viste imidlertid i 1732 at F5 ikke er det, siden 4294967297 = 641 · 6700417. (Fremdeles idag kjenner man ingen andre Fermat-tall enn de fem første som er primtall. Man vet at ingen av Fn for 5 ≤ n ≤ 32 er primtall, og det største Fermat-tallet man har vist ikke er et primtall er F3329780 .) 3. Utenfor pensum: Fullstendig induksjon I matematikken brukes også en litt annen variant av induksjonsprinsippet, noen ganger kalt fullstendig induksjon eller streng induksjon. Vi kommer ikke til å få bruk for denne varianten i MAT111, og den er derfor heller ikke pensum. Imidlertid vil (noen av) dere merke at det i senere kurs tas for gitt at dere også kan denne varianten, eller at det er “opplagt” at denne varianten egentlig sier det samme. Jeg inkluderer derfor også denne varianten i notatet, for de som er interessert. Induksjonsprinsippet (versjon 2). La P(n) være et utsagn som gir mening for ethvert heltall n ≥ n0 , der n0 er et fiksert heltall. For å vise at P (n) er sann for alle heltall n ≥ n0 er det nok å vise følgende: (I) P (n0 ) er sant. (II) Hvis utsagnet P (m) er sant for alle m slik at n0 ≤ m ≤ k, da er også P (k +1) sant. Forskjellen er altså at vi antar noe tilsynelatende sterkere i induksjonshypotesen, nemlig ikke bare at P (k) er sann, men at alle P (n0 ), . . . , P (k) er sanne. Tanken bak prinsippet er den samme som før (og fortsatt temmelig enkel!): Vi viser i trinn (I) at P (n0 ) er sann. Trinn (II) med k = n0 viser derfor at også P (n0 + 1) er sann. Da vet vi at både P (n0 ) og P (n0 + 1) er sanne. Vi kan derfor bruke (II) en gang til med k = n0 + 1, som viser da at også P (n0 + 2) er sann. Da vet vi at P (n0 ), P (n0 + 1) og P (n0 + 2) er sanne og kan bruke trinn (II) nok en gang med k = n0 + 2 til å konkludere at P (n0 + 3) er sann, osv. 10 ANDREAS LEOPOLD KNUTSEN De to induksjonstypene er variasjoner over samme tema, slik at det egentlig ikke er nødvendig å skille mellom disse to typene induksjon så mye som enkelte lærebøker gjør. Sistnevnte type brukes i tilfeller hvor vi ikke så enkelt klarer å redusere påstanden P (k + 1) til noe som involverer P (k), men bare klarer å redusere den til P (n) med enda lavere n. Et typisk og klassisk eksempel er beviset for den ene halvdelen av aritmetikkens fundamentalteorem4 Eksempel 8. Vis at ethvert heltall n ≥ 2 kan skrives som et produkt av primtall. Bevis ved (fullstendig) induksjon. Påstanden vi skal vise er P (n) n kan skrives som produkt av primtall for alle n ≥ 2. Første trinn er å observere at P (2) er opplagt sann, siden 2 er et produkt med seg selv som eneste faktor, og 2 er primtall. La nå k ≥ 2 og anta at P (m) er sann for alle heltall m slik at 2 ≤ m ≤ k, dvs (12) Alle heltall 2, . . . , k kan skrives som produkt av primtall. Vi sjekker P (k + 1). Dersom k + 1 er et primtall, er P (k + 1) sann (av samme grunn som at P (2) var sann), siden k + 1 er et produkt med én faktor, nemlig seg selv, som er primtall. Dersom k + 1 ikke er et primtall, da kan det skrives som et produkt k + 1 = ab av to heltall a og b som begge er ≥ 2 og < k + 1. Induksjonshypotesen vår (12) sier at både a og b kan skrives som produkt av primtall: a = p1 p2 · · · ps b = q1 q2 · · · qt . Dermed får vi at k + 1 = ab = p1 p2 · · · ps q1 q2 · · · qt også er et produkt av primtall, slik at P (k +1) er sann. Vi har dermed vist påstanden P (n) for alle n ≥ 2 ved induksjon. Siste eksempel er igjen av litt mer “praktisk karakter” og er en “klassiker”. Den er også spesielt interessant fordi vi i beviset trenger å vise noen flere spesialtilfeller i tillegg til første trinn i induksjonen. Eksempel 9. Vis at enhver porto på minst 12 cents kan oppnås ved å kombinere frimerker på 4 og 5 cents. 4Aritmetikkens fundamentalteorem sier at ethvert heltall n ≥ 2 kan skrives som et produkt av primtall, på en entydig måte (bortsett fra rekkefølgen av faktorene). Vi minner om at et primtall er et heltall n ≥ 2 som kun er delelig med seg selv og 1. (Per konvensjon er altså 1 ikke et primtall.) Eksempel 8 viser kun eksistensen og ikke entydigheten av primtallsfaktoriseringen. INDUKSJONSPRINSIPPET MAT111 - H16 11 Bevis ved (fullstendig) induksjon. Påstanden vi skal vise kan matematisk formuleres som P (n) n kan skrives som en sum av 4ere og 5ere for alle heltall n ≥ 12. Første trinn er å observere at P (12) er opplagt sann, siden 12 = 4 + 4 + 4 = 3 · 4. Vi observerer også, siden vi kommer til å trenge det senere i beviset, at påstandene P (13), P (14) og P (15) holder: P (13) 13 = 2 · 4 + 5 P (14) 14 = 4 + 2 · 5 P (15) 15 = 3 · 5. Anta nå at P (n) holder for alle n = 12, 13, 14, . . . , k, for et heltall k ≥ 12. Vi vil nå vise at også P (k + 1) holder. Dersom k + 1 ≤ 15, er vi ferdige, fordi vi er i ett av spesialtilfellene vi allerede har sjekket. Dersom k + 1 ≥ 16, er (k + 1) − 4 ≥ 12. (Her ligger nødvendigheten av å vise tilfellene 13, 14, 15 for seg.) Ved induksjonshypotesen vet vi at P ((k + 1) − 4) holder, dvs. at vi kan skrive Men da vil (k + 1) − 4 = 4a + 5b, for heltall a, b ≥ 0. k + 1 = 4a + 5b + 4 = 4(a + 1) + 5b, som viser at P (k + 1) holder. Vi har dermed vist P (n) for alle n ≥ 12 ved induksjon.