Matematická indukce

Tento článek je o metodě matematického důkazu. O způsobu logického uvažování pojednává článek Logická indukce.

Matematická indukce je metoda dokazování matematických vět a tvrzení, která se používá, pokud chceme ukázat, že dané tvrzení platí pro všechna přirozená čísla, případně jinou, předem danou nekonečnou posloupnost. Typicky se užívá k důkazům těch tvrzení o přirozených číslech, u nichž je snadné ověřit, že platí pro číslo 1, a zároveň lze platnost pro každé dané n převést v konečně mnoha krocích na platnost pro 1 s tím, že počet těchto kroků s rostoucím n také roste.

Princip důkazu indukcí

editovat

Typický důkaz indukcí se skládá ze dvou kroků:

  • První krok: V tomto kroku se dokáže, že tvrzení platí pro nejmenší přirozené číslo n, nikoliv pro n=1, pro které nemusí vždy obecně platit.
  • Indukční krok: Ukážeme, že pokud tvrzení platí pro n = m, pak platí i pro n = m + 1 (Část následující bezprostředně po pokud se někdy nazývá indukční předpoklad).

Princip matematické indukce pak již říká, že tvrzení platí pro každé n.

Často se v prvním kroku dokazuje, že tvrzení platí pro n = 0. Tento způsob je zcela ekvivalentní.

Tento postup se někdy přirovnává k dominu. Obě tyto části jsou totiž podobné dominovému efektu:

  • Spadne první kostka domina.
  • Pokud spadne nějaká kostka domina, spadne i její nejbližší soused.

Výsledkem potom je, že spadnou všechny kostky.

Příklad

editovat

Mějme následující tvrzení: Pro všechna přirozená   platí

 

První krok

editovat

Nejdříve zkontrolujeme, zda tvrzení platí pro n = 1. Je zřejmé že ano, jelikož součet prvních 1 přirozených čísel je 1 a 1(1 + 1)/2=1.

Nedokazujeme pro n = 0, protože v zadání příkladu je uvedeno n ∈ N, tudíž nejmenší n je 1.

Indukční krok

editovat

Nyní chceme ukázat, že pokud tvrzení platí pro n = m, platí i pro n = m + 1. Tj. platí-li tvrzení, píšeme-li v něm všude m místo n, pak platí také píšeme-li v něm všude m + 1 místo n.

Předpokládejme tedy, že pro n = m tvrzení platí, čili:

 

Přičtením m + 1 k oběma stranám této rovnice dostaneme:

 

kde pravá strana se rovná:

 

Máme tedy:

 

To je ale přesně tvrzení pro n = m + 1. Dokázali jsme, že je pravdivé, pokud je pravdivé tvrzení pro n = m.

Shrnutí

editovat

Tvrzení tedy platí pro všechna přirozená čísla, jelikož:

  • Platí pro 1.
  • Jestliže platí pro 1, platí i pro 2.
  • Jestliže platí pro 2, platí i pro 3.
  • Jestliže platí pro 3, platí i pro 4.

 

Věta o důkazu indukcí

editovat

Myšlenku matematického důkazu indukcí lze formulovat touto matematickou větou:

Buď   množina přirozených čísel, která obsahuje nulu a s každým svým prvkem x obsahuje i x+1. Pak  .

Související články

editovat

Externí odkazy

editovat