数学归纳法
数学归纳法是一个特别的证明方法。它只有两步:
- 一、证明首个为真
- 二、证明若任何一个为真,则下一个亦为真
故此,所有都为真
听过"多米诺骨牌效应"吗?
- 一、第一个多米诺骨牌倒下
- 二、当任何多米诺骨牌倒下,下一个骨牌亦会倒下
故此。。。。。。所有多米诺骨牌都会倒下!
这就是数学归纳法的精髓
在数字领域上,我们说:
- 一、说明当 n=1 时为真
- 二、说明若当 n=k 时为真,则当 n=k+1 时亦为真
怎样做
第一步通常是容易的,我们只需证明命题(我们要证明的东西)在 n=1 时成立
第二步最好这样做:
- 假设当n=k时命题成立
- 证明当n=k+1时命题成立(以当n=k时命题成立为事实。)
第二步有时候不好做。。。。。。因为时常要用到高明的诀窍!
例如:
例子:3n−1 是 2 的倍数
这是真的吗?我们来看看。
一、 证明当 n=1 时命题成立
31−1 = 3−1 = 2
对了,2 是 2 的倍数。易如反掌。
31−1 成立!
二、. 假设在 n=k 时也成立
3k−1 成立
(慢着!我们怎么知道这是真的?
对,我们不知道!
这是个假设。。。。。。接下来,在这例子里我们以此为
事实)
现在来证明 3k+1−1 是 2 的倍数
3k+1 也是 3×3k
把 3× 拆开为 2× 和 1×
每项都是 2 的倍数
因为:
- 2×3k 是 2 的倍数(乘以 2)
- 3k−1 也是 2 的倍数 (这是我们的假设)
所以:
命题:3k+1−1 是 2 的倍数――成立!
大功告成!
你看到我们怎样利用 "当3k−1 时命题成立"为假设?那是允许的,因为我们依赖多米诺骨牌效应。。。。。。
。。。。。。我们其实在问:"若任何一个多米诺骨牌倒下,下一个会不会也倒下?
我们假设(暂时)"n=k"的骨牌倒下(当3k−1时命题成立),然后看看这能否导致 "n=k+1" 的骨牌也倒下。
窍门
上面我说通常我们需要用到高明的诀窍。
一个常用的诀窍是把 n=k+1 的例子分拆为2个部分:
- 一部分是 n=k (我们假设成立)
- 然后看看另一部分是否也成立
上面我们就是这样做了。再看一个例子:
例子:奇数相加
1 + 3 + 5 + ... + (2n−1) = n2
一、证明当 n=1 时这是对的
1 = 12 是对的
2. 假设当 n=k时这也是对的
1 + 3 + 5 + ... + (2k−1) = k2 是对的
(一个假设!)
现在来证明 "k+1" 是对的
1 + 3 + 5 + ... + (2k−1) + (2(k+1)−1) = (k+1)2 ?
我们知道 1 + 3 + 5 + ... + (2k−1) = k2 (我们的假设),所以我们可以用 k2 来代替除了最后一项外所有的项:
k2 + (2(k+1)−1) = (k+1)2
展开所有的项:
k2 + 2k + 2 − 1 = k2 + 2k+1
简化:
k2 + 2k + 1 = k2 + 2k + 1
它们相等!所以当 n=k+1 时,这也是对的。
故此:
1 + 3 + 5 + ... + (2(k+1)−1) = (k+1)2 成立
功德圆满!
讲完了!