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Induc¸a˜o Finita Rodrigo Carlos Silva de Lima ‡ rodrigo.uff.math@gmail.com ‡ 1 Suma´rio 1 Induc¸a˜o 3 1.1 Princı´pio da induc¸a˜o finita . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.2 P0 :Princı´pio da boa ordenac¸a˜o . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.3 Induc¸a˜o e somato´rios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1.4 Induc¸a˜o e divisibilidade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.5 Induc¸a˜o e produto´rios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.6 Nu´mero de elementos do conjunto das partes e induc¸a˜o de primeira forma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.7 Induc¸a˜o e desigualdades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 1.7.1 Exercı´cios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 1.8 Segundo princı´pio da induc¸a˜o . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 1.8.1 Teorema fundamental da aritme´tica . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 1.8.2 Nu´mero de elementos do conjunto das partes . . . . . . . . . . . 14 2 Capı´tulo 1 Induc¸a˜o 1.1 Princı´pio da induc¸a˜o finita Para provarmos que uma relac¸a˜o e´ va´lida para todo n ∈ N empregamos o princı´pio da induc¸a˜o finita(P.I.F). m Definic¸a˜o 1. Seja n0 um nu´mero natural, definimos Nn0 como o conjunto dos nu´meros naturais n ≥ n0. Se n0 = 0 com isso temos N0 = N. Axioma 1 (Princı´pio da induc¸a˜o). Sejam P(n) uma proposic¸a˜o aplica´vel no con- junto Nn0 , S um subconjunto de Nn0 tal que Pn seja verdadeira, a proposic¸a˜o Pn sera´ verdadeira para todo Nn0 (logo S = Nn0) quando: 1. P(n0) e´ verdadeira, isto e´, a propriedade e´ va´lida para n = n0 ( n0 ∈ S) 2. Se k ∈ Nn0 e P(k) e´ verdadeira (κ ∈ S), enta˜o P(k + 1) tambe´m e´ verdadeira (k+ 1 ∈ S, isto e´ k+ 1 ∈ S sempre que k ∈ S ). Nessas condic¸o˜es S conte´m todos elementos de Nn0 O P.I.F, sera´ usado para provar a maioria dos resultados neste texto, por isso ele e de fundamental importaˆncia. 3 CAPI´TULO 1. INDUC¸A˜O 4 Z Exemplo 1. Vamos provar que a soma dos n primeiros inteiros positivos e´ n(n+ 1)/2. Isto e´ n∑ i=0 i = 1+ 2+ 3+ ...+ n = n(n+ 1)/2 da definic¸a˜o de somato´rio temos que n∑ i=0 i = n−1∑ i=0 i+ n e 0∑ i=0 i = 0 temos que mostrar inicialmente que a proposic¸a˜o e´ va´lida para n = 1. Para n = 1, temos 1∑ i=0 i = 1 = 1(1+ 1)/2 faremos agora a hipo´tese de que a propriedade e´ va´lida para n − 1 (obs: apenas coloque n− 1 no lugar de n na hipotese) n−1∑ i=0 i = (n− 1)(n)/2 a partir da hipo´tese da validade pra n− 1 devemos mostrar que vale para n enta˜o devemos mostrar que n∑ i=0 i = (n)(n+ 1)/2 mas pela definic¸a˜o de somato´rio temos n∑ i=0 i = n−1∑ i=0 i+ n e da hipo´tese n−1∑ i=0 i = (n− 1)(n)/2 CAPI´TULO 1. INDUC¸A˜O 5 substituindo a hipo´tese n∑ i=0 i = n−1∑ i=0 i+ n n∑ i=0 i = (n− 1)(n)/2+ n colocando n em evideˆncia (n)[(n− 1)/2+ 1] = (n)[n− 1+ 2]/2 = (n)(n+ 1)/2 enta˜o esta provado que n∑ i=0 i = (n+ 1)(n)/2 Todas as provas foram feitas em cima das definic¸o˜es, isso mostra a importaˆncia de ter definic¸o˜es formais do que se quer provar. Vamos agora provar o resultado acima de maneira menos formal, sem usar a notac¸a˜o de somato´rio, e vamos mostrar um metodo de deduc¸a˜o para a fo´rmula Tambe´m. Informal Tomando a soma 1+ 2+ 3+ ...++n− 2n− 1+ n = s n+ n− 1+ n− 2+ ...+ 3+ 2+ 1 = s somando ambas termo a termo n com 1,2 com n− 1 e continuando assim, ficamos com n termos n+ 1, isto e´ 2s = n(n+ 1) logo s = n(n+ 1) 2 . Essa maneira pode ser usada como deduc¸a˜o da fo´rmula pore´m uma prova mais formal pode ser feita por induc¸a˜o novamente. Para n = 1 temos 1 = 1(1+ 1)/2 CAPI´TULO 1. INDUC¸A˜O 6 Tomando a hipo´tese para n 1+ 2+ 3+ ...+ n = n(n+ 1) 2 e tentando provar para n+ 1 1+ 2+ 3+ ...+ n+ n+ 1 sabemos que 1+ 2+ 3+ ...+ n = n(n+ 1) 2 da hipo´tese, substituindo ficamos com 1+ 2+ 3+ ...+ n+ n+ 1 = n(n+ 1) 2 + (n+ 1) = (n+ 1)(n+ 2) 2 . Logo esta provado. 1.2 P0 :Princı´pio da boa ordenac¸a˜o Axioma 2. Todo conjunto na˜o vazio de inteiros na˜o negativos conte´m um elemento mı´nimo, em sı´mbolos, para todo subconjunto S de Z, tal que S 6= ∅ e ∀p ∈ S tivermos p ≥ 0 enta˜o S conte´m um elemento p0 tal que para todo p ∈ S se verifica p ≥ p0. O princı´pio da boa ordenac¸a˜o e´ um axioma equivalente ao princı´pio da induc¸a˜o, axiomas A e B sa˜o equivalentes quando podemos a partir de A demonstrar B e a partir de B demonstrar A. Vamos enta˜o demonstrar o princı´pio da induc¸a˜o a partir do princı´pio da boa ordenac¸a˜o. b Propriedade 1 (P1:Princı´pio da induc¸a˜o). Sejam P(n) uma proposic¸a˜o aplica´vel no conjunto Nn0 , S um subconjunto de Nn0 tal que Pn seja verdadeira, a proposic¸a˜o Pn sera´ verdadeira para todo Nn0 (logo S = Nn0) quando: 1. P(n0) e´ verdadeira, isto e´, a propriedade e´ va´lida para n = n0 ( n0 ∈ S) 2. Se k ∈ Nn0 e P(k) e´ verdadeira (κ ∈ S), enta˜o P(k + 1) tambe´m e´ verdadeira (k+ 1 ∈ S, isto e´ k+ 1 ∈ S sempre que k ∈ S ). Nessas condic¸o˜es S conte´m todos elementos de Nn0 CAPI´TULO 1. INDUC¸A˜O 7 ê Demonstrac¸a˜o. Vamos fazer a demonstrac¸a˜o por absurdo. Considere que o princı´pio da induc¸a˜o seja verdadeiro, pore´m o conjunto S na˜o seja igual a Nn0 . Como S e´ subconjunto de Nn0 , deve haver um conjunto S ′ tal que a proposic¸a˜o P(n) seja falsa com S ∪ S ′ = Nn0 e S ∩ S ′ = ∅ pois uma proposic¸a˜o na˜o pode ser verdadeira e falsa. O conjunto S ′ deve ser na˜o vazio de nu´meros na˜o negativos (pois Nn0 e´ um subconjunto dos nu´meros naturais, logo seus subconjuntos so´ possuem elementos na˜o negativos) logo o princı´pio da boa ordenac¸a˜o e´ aplica´vel tendo o conjunto S ′ um menor elemento l. Esse elemento deve ser diferente de n0 pois por hipo´tese esse elemento pertence a S, como l >n0 e´ o menor elemento de S ′, temos que l − 1 ≥ n0 esta´ em Nn0 e em S, mas pelo princı´pio da induc¸a˜o se l − 1 ∈ S, l − 1 + 1 = l ∈ S logo chegamos a um absurdo pois l na˜o pode pertencer a S e S ′, assim o princı´pio da induc¸a˜o esta´ provado. b Propriedade 2 (P2:Segundo princı´pio da induc¸a˜o). Sejam P(n) uma proposic¸a˜o aplica´vel no conjunto Nn0 , S um subconjunto de Nn0 tal que Pn seja verdadeira, a proposic¸a˜o Pn sera´ verdadeira para todo Nn0 (logo S = Nn0) quando: 1. P(n0) e´ verdadeira, isto e´, a propriedade e´ va´lida para n = n0 ( n0 ∈ S) 2. Se para todo t ∈ Nn0 e t ∈ [n0, k] com k ≥ n0 natural tivermos P(t) e´ verdadeira , enta˜o P(k + 1) tambe´m e´ verdadeira (k + 1 ∈ S, isto e´ k + 1 ∈ S sempre que todo t ∈ Nn0 e t ∈ [n0, k] ∈ S ). Nessas condic¸o˜es S conte´m todos elementos de Nn0 ê Demonstrac¸a˜o. Vamos mostrar que P1 ⇒ P2, o primeiro princı´pio da induc¸a˜o implica o segundo. Seja U um conjunto onde sa˜o satisfeitas as condic¸o˜es de P2, devemos mostrar que U = Nn0 . Vamos denotar por An a sentenc¸a "os naturais de n0 ate´ n (incluindo os naturais n0 e n) esta˜o em U. An0 e´ verdadeira pois por hipo´tese de P2, n0 esta´ em U", assumindo que Ak e´ verdadeira para um natural k ≥ n0. Enta˜o os inteiros de n0 CAPI´TULO 1. INDUC¸A˜O 8 ate´ k esta˜o em U e por hipo´tese de P2, k + 1 esta´ em U, implicando assim que Ak+1 e´ verdadeira, logo pelo princı´pio da induc¸a˜o P1 aplicado em An, An sera´ verdadeira para todo n ∈ Nn0 e portanto U = Nn0 . Para terminar a demonstrac¸a˜o de que o princı´pio da induc¸a˜o e´ equivalente ao princı´pio da boa ordenac¸a˜o, vamos demonstrar que P2 =⇒ P0 F Teorema 1 (Princı´pio da boa ordenac¸a˜o). Todo conjunto na˜o vazio de inteiros na˜o negativos conte´m um elemento mı´nimo. ê Demonstrac¸a˜o. Seja S um conjunto na˜o vazio de inteiros na˜o negativos. Devemos mostrar queS possui um elemento mı´nimo. Assumindo que S na˜o possui elemento mı´nimo e denotando por Un a sentenc¸a "n na˜o e´ um elemento de S". Temos que B0 e´ verdadeira, pois se 0 ∈ S ele seria seu elemento mı´nimo. Assumindo agora que Bk e´ verdadeira para todo n de 0 ate´ k (incluindo 0 e k), temos que os elementos de 0 ate´ k na˜o pertencem a S, se o elemento k+ 1 estivesse em S, seria seu menor elemento enta˜o, na˜o pode estar, sendo assim Bk+1 verdadeira e por P2, Bn seria verdadeira pra todos naturais, implicando o conjunto S ser vazio, que e´ contra´rio a hipo´tese, logo temos o teorema provado. 1.3 Induc¸a˜o e somato´rios Z Exemplo 2. Mostrar que n∑ k=1 1 k(k+ 1)(k+ 2) = n(n+ 3) 4(n+ 1)(n+ 2) . Para n = 1 temos 1∑ k=1 1 k(k+ 1)(k+ 2) = 1 1(2)(3) = 1 6 = 1(4) 4(2)(3) = 1 6 . Supondo a validade para n n∑ k=1 1 k(k+ 1)(k+ 2) = n(n+ 3) 4(n+ 1)(n+ 2) CAPI´TULO 1. INDUC¸A˜O 9 vamos provar para n+ 1 n+1∑ k=1 1 k(k+ 1)(k+ 2) = (n+ 1)(n+ 4) 4(n+ 2)(n+ 3) . n+1∑ k=1 1 k(k+ 1)(k+ 2) = n(n+ 3) 4(n+ 1)(n+ 2) + 1 (n+ 1)(n+ 2)(n+ 3) = = 1 (n+ 1)(n+ 2) ( n(n+ 3) 4 + 1 n+ 3 ) = n(n+ 3)2 + 4 4(n+ 1)(n+ 2)(n+ 3) agora n(n+ 3)2 + 4 = n3 + 6n2 + 9n+ 4 = (n+ 1)2(n+ 4) enta˜o n+1∑ k=1 1 k(k+ 1)(k+ 2) = (n+ 1)(n+ 4) 4(n+ 2)(n+ 3) . Z Exemplo 3. Mostrar por induc¸a˜o que (a− 1) n∑ k=0 ak = an+1 − 1. Para n = 1 temos (a− 1) 1∑ k=0 ak = (a− 1)(a+ 1) = a2 − 1. Supondo que (a − 1) n∑ k=0 ak = an+1 − 1 vamos provar que (a − 1) n+1∑ k=0 ak = an+2 − 1. Por definic¸a˜o de somato´rio e pela hipo´tese da induc¸a˜o temos (a− 1) n+1∑ k=0 ak = (a− 1)an+1 + (a− 1) n∑ k=0 ak = an+2 − an+1 + an+1 − 1 = an+2 − 1 . 1.4 Induc¸a˜o e divisibilidade Z Exemplo 4. Mostrar que 6|52n − 1 para todo n ∈ N. Para n = 0 vale 6|50 − 1 = 0. Supondo que 6|52n − 1, vamos mostrar que 6|52n+2 − 1. CAPI´TULO 1. INDUC¸A˜O 10 52n+2 − 1 = 25.52n − 1 = 24.52n + 52n − 1︸ ︷︷ ︸ 6| seis divide as duas parcelas enta˜o divide a soma . Z Exemplo 5. Mostrar que 5|42n+1 + 6n+1 n ∈ N. Para n = 0, 5|4 + 6 = 10. Supondo para n, vamos provar para n+ 1. 42n+1+2 + 6n+1+1 = 42n+1.16+ 6.6n+1 = 6.(42n+1 + 6n+1) + 10.42n+1 segue enta˜o por induc¸a˜o. 1.5 Induc¸a˜o e produto´rios Z Exemplo 6. Mostre que se n ≥ 4 enta˜o n! > 2n. Para n = 4 vale 4! = 24 > 24 = 16. Suponha validade para n , n! > 2n, vamos provar para n+ 1, (n+ 1)! > 2n+1. Multiplicando n! > 2n por n+ 1 de ambos lados segue que (n+ 1)! > (n+ 1)︸ ︷︷ ︸ >2 2n > 2.2n = 2n+1 . 1.6 Nu´mero de elementos do conjunto das partes e induc¸a˜o de primeira forma b Propriedade 3. Seja |A| = n enta˜o |P(A)| = 2n. Onde |A| simboliza o nu´mero de elementos de A e P(A) o conjunto dos subconjuntos de A, chamado de conjunto das partes. ê Demonstrac¸a˜o. Por induc¸a˜o sobre n, se n = 1, enta˜o A = {a1} possui dois subconjuntos que sa˜o ∅ e {α1}. Suponha que qualquer conjunto qualquer B com n CAPI´TULO 1. INDUC¸A˜O 11 elementos tenha |P(B)| = 2n, vamos provar que um conjunto C com n + 1 elementos implica |P(C)| = 2n+1. Tomamos um elemento a ∈ C, C \ {a} possui 2n subconjuntos (por hipo´tese da induc¸a˜o), sk de k = 1 ate´ k = 2n, que tambe´m sa˜o subconjuntos de C, pore´m podemos formar mais 2n subconjuntos de C com a unia˜o do elemento {a}, logo no total temos 2n + 2n = 2n+1 subconjuntos de C e mais nenhum subconjunto, pois na˜o temos nenhum outro elemento para unir aos subconjuntos dados. 1.7 Induc¸a˜o e desigualdades Z Exemplo 7. Mostre que (1+ x)n ≥ 1+ nx+ n(n− 1)x 2 2 para n natural e x ≥ 0. Vamos chamar C(n, x) = 1+ nx+ n(n− 1)x 2 2 . Para n = 0 temos (1+ x)0 = 1 = 1+ 0x+ 0(0− 1)x 2 2 = 1 logo vale a igualdade considere agora a validade da hipo´tese (1+ x)n ≥ 1+ nx+ n(n− 1)x 2 2 vamos mostrar que vale (1+x)n+1 ≥ 1+(n+1)x+(n+1)(n)x 2 2 = 1+ ( n+ 1 1 ) x+ ( n+ 1 2 ) x2 = 1+nx+n(n− 1)x 2 2 +x+nx2 (1+ x)n+1 ≥ C(n, x) + x+ nx2 onde usamos a relac¸a˜o de Stiefel, multiplicando a desigualdade da hipo´tese da induc¸a˜o por 1+x, na˜o alteramos a desigualdade pois 1+x e´ positivo, temos enta˜o (1+ x)n+1 ≥ C(n, x)(1+ x) = C(n, x) + C(n, x)x CAPI´TULO 1. INDUC¸A˜O 12 agora vamos mostrar que C(n, x) + C(n, x)x ≥ C(n, x) + x+ nx2 vale pois equivale a C(n, x)x ≥ x+ nx2 que vale se x = 0, agora se x > 0 equivale a C(n, x) ≥ 1+ nx 1+ nx+ n(n− 1)x 2 2 ≥ 1+ nx⇔ n(n− 1)x2 2 ≥ 0 se n = 0 ou n = 1 vale, agora se n 6= 0, 1 vale pois temos x2 > 0. 1.7.1 Exercı´cios Prove usando induc¸a˜o 1+ 2+ 3+ ...+ n = n∑ i=0 i = n(n+ 1) 2 ∀ n ∈ N. (1.1) 2+ 5+ 8+ ...+ 2+ 3n = n∑ i=0 2+ 3i = n(3n+ 4) 2 ∀ n ∈ N. (1.2) 20 + 21 + 22 + ...+ 2n−1 = n−1∑ i=0 2i = 2n − 1 ∀ n ∈ N. (1.3) 12 + 22 + 32 + ...+ n2 = n∑ i=0 i2 = n(n+ 1)(2n+ 1) 6 ∀ n ∈ N. (1.4) 13|22+4n + 32+4n ∀ n ∈ N. (1.5) 64|32n+1 + 40n− 67 ∀ n ∈ N. (1.6) 1+ 3+ 5+ ...+ 2n− 1 = n∑ i=0 2i− 1 = n2 ∀ n ∈ N. (1.7) CAPI´TULO 1. INDUC¸A˜O 13 n∑ k=1 k3 = [ n(n+ 1) 2 ]2 n∑ k=1 k3 = [ n(n+ 1) 2 ]2 1.8 Segundo princı´pio da induc¸a˜o b Propriedade 4 (P2:Segundo princı´pio da induc¸a˜o). Sejam P(n) uma proposic¸a˜o aplica´vel no conjunto dos naturais. Se 1. P(0) for verdadeira . 2. E se o fato de P(k) for verdadeira para todo k ∈ N com 0 ≤ k ≤ n implicar P(n+ 1) tambe´m verdadeira, enta˜o P(n) e´ verdadeira para todo n natural . A parte (2) e´ chamada de hipo´tese de induc¸a˜o e a parte (1) de base da induc¸a˜o . 1.8.1 Teorema fundamental da aritme´tica b Propriedade 5 (Existeˆncia da fatorac¸a˜o em primos). Seja n > 1 um nu´mero natural, enta˜o n pode ser escrito como produto de primos . ê Demonstrac¸a˜o. Caso n = 2 enta˜o n e´ produto´rio de primo, n = 1∏ k=1 pk onde pk = 2, provamos a base da induc¸a˜o . Suponha que todo nu´mero menor que n e maior que 1 natural, possa ser escrito como produto de primos (hipo´tese da induc¸a˜o), enta˜o vamos mostrar que n tambe´m pode ser escrito como produto de primos . Se n e´ primo, nada pecisamos fazer . Caso n na˜o seja primo, enta˜o ele e´ composto, podendo ser escrito como n = m.s, onde m e s sa˜o maiores que 1 e menores que n, aplicamos a hipo´tese da induc¸a˜o em m e n, o que implica CAPI´TULO 1. INDUC¸A˜O 14 m = t∏ k=1 pk, s = w∏ k=t+1 pk sa˜o produto de primos, enta˜o n = m.n = w∏ k=1 pk e´ produto de primos . b Propriedade 6 (Unicidade da fatorac¸a˜o em primos). Seja n ∈ N,n > 1. Se n = m∏ k=1 pk = s∏ k=1 qk onde cada pk e qk sa˜o primos, na˜o necessariamente distintos enta˜o m = s e pk = qk∀ k , apo´s, se necessa´rio, uma renomeac¸a˜o dos termos. ê Demonstrac¸a˜o. Vamos provar usando o segundo princı´pio da induc¸a˜o, para n = 2 a propriedade vale. Suponha a validade para todo t < n vamos provar que nessas condic¸o˜es vale para n. n = pm m−1∏ k=1 pk = qs s−1∏ k=1 qk pm divide o produto s∏ k=1 qk enta˜o deve dividir um dos fatores, por exemplo qs (se na˜o, renomeamos os termos), como pm|qs enta˜o pm = qs pm m−1∏ k=1 pk = pm s−1∏ k=1 qk ⇒ m−1∏ k=1 pk = s−1∏ k=1 qk = n0 < n como n0 e´ menor que n, usamos a hipo´tese da induc¸a˜o, que implica m − 1 = s − 1, qk = pk de k = 1 ate´ m− 1, daı´ segue que m = n e qk = pk de k = 1 ate´ m. 1.8.2 Nu´mero de elementos do conjunto das partes b Propriedade 7. Se A possui n elementos enta˜o o seu conjunto das partes possui 2n elementos. Conjunto das partes de A e´ o conjunto P(A) de subconjuntos de A . CAPI´TULO 1. INDUC¸A˜O 15 ê Demonstrac¸a˜o. Iremos provar a seguinte propriedade, por induc¸a˜o de segunda forma . Se An possui n elementos, enta˜o Se A = ∅ e´ vazio enta˜o P(A) possui apenas um elemento que e´ o conjuntovazio, portanto a base da induc¸a˜o esta´ verificada, A possui 0 elementos e P(A) possui 20 = 1 elemento . Suponha, por hipo´tese de induc¸a˜o que todo conjunto A com pelo menos k ele- mentos possua 2k subconjuntos com k elementos, para 1 ≤ k ≤ n − 1, vamos provar que se A possui n elementos enta˜o tem 2n subconjuntos . Seja A = {a1, · · · , an} enta˜o um conjunto com n elementos , para contar quantos subconjuntos ele possui podemos separar A = {a1, · · · , an−2}︸ ︷︷ ︸ B ∪{an−1, an}. B possui n−2 elementos, por isso possui 2n−2 subconjuntos por hipo´tese de induc¸a˜o , a cada subconjunto desses tomando a unia˜o com {an−1} formamos no total mais 2n−2 conjunto e com unia˜o de {an} formamos mais 2n−2 e por fim com unia˜o de {an−1, an}, formamos mais 2n−2 conjuntos, enta˜o temos no total 4.2n−2 = 222n−2 = 2n subconjuntos. Indução Princípio da indução finita P0:Princípio da boa ordenação Indução e somatórios Indução e divisibilidade Indução e produtórios Número de elementos do conjunto das partes e indução de primeira forma Indução e desigualdades Exercícios Segundo princípio da indução Teorema fundamental da aritmética Número de elementos do conjunto das partes
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