Артур Бенджамин - Магия математики: Как найти x и зачем это нужно

при добавлении следующего нечетного числа (2k + 1) у нас получится

Другими словами, если сумма первых k нечетных чисел равна k², то сумма первых k + 1 нечетных чисел обязательно будет равна (k + 1)². Значит, теорема, истинная в отношении n = 1, будет столь же истинной в отношении любого значения n.◻

Индукция – инструмент действенный. Эта книга начиналась с проблемы определения суммы первых n чисел. Разными путями мы пришли к тому, что

Это предположение, безусловно, правдиво при n = 1 (потому что 1 = 1(2)/2). Предположим, что оно правдиво и для числа k:

Тогда, прибавив к этой сумме (k + 1), получим

В этой формуле k + 1 использовано вместо n. Значит, если она верна для n = k (где под k может скрываться любое положительное число), она будет так же верна и для n = k + 1. Равно как и для любого положительного значения n.◻

В этой главе (да и в книге вообще) будет еще много примеров использования индуктивного метода. А пока для закрепления материала вот вам песня, написанная «музыкантами от математики» Дэйном Кэмпом и Ларри Лессером на мотив знаменитой «Blowin' in the Wind» Боба Дилана.

Откуда нам знать, что теорема вернаС любым значением n?Миллиард вариантов – все не перебрать,Никак не свести в один.Но как же иначе найти нам ответ,Чтоб не свалиться в сплин?

Индукция, друг мой, – вот наш господин.Индукция – наш господин.

Сначала находим, с чего бы начать,К чему наш закон примени́м,Потом переносим все это на k,Потом – и на k + 1.Ну а дальше легко – ведь эффект доминоНисколечко не отмени́м.

Индукция, друг мой, – вот наш господин.Индукция – наш господин!

n раз повторю, да хоть n + 1:Индукция – наш господин!

В главе 5 мы рассмотрели несколько задач, основанных на числах последовательности Фибоначчи. Попробуем доказать парочку из них, используя метод индукции.

Теорема: Для n ≥ 1

Доказательство (методом индукции): Если n = 1, то F1 = F3 – 1, что соответствует 1 = 2 – 1, что безусловно истинно. Применим это к n = k, то есть

Добавив к обеим частям число Фибоначчи Fk+1, получим

что и требовалось доказать.

Столь же простым будет доказательство для суммы квадратов чисел Фибоначчи.

Теорема: Для n ≥ 1

Доказательство (методом индукции): Если n = 1, то F1² = F1F2, что верно потому, что F2 = F1 = 1. Применив это к n = k, получаем

А теперь добавим к обеим сторонам F²k+1:

что и требовалось доказать.

В главе 1 мы выяснили, что сумма кубов равна квадрату суммы, то есть

но тогда мы не были готовы это доказать. Просто мы ничего не знали об индукции. При n ≥ 1 общая закономерность выглядит так:

А так как нам уже известно, что докажем схожую теорему.

Теорема: Для n ≥ 1

Доказательство (методом индукции): При n = 1 предположим, что 1³ = 1²(2²)/4, что истинно. Следовательно, если схожее предположение будет истинным и при n = k, теорема будет доказана:

Прибавим к обеим сторонам (k + 1)³ и получим

что и требовалось доказать.

А вот геометрическое доказательство тождества суммы кубов.

Посчитаем площадь фигуры двумя разными способами, а потом сравним результаты. С одной стороны, перед нами явно квадрат, каждая из сторон которого равна 1 + 2 + 3 + 4 + 5, а общая площадь, таким образом, – (1 + 2 + 3 + 4 + 5)².

С другой стороны, если начать с верхнего левого угла, а затем двигаться вниз по диагонали, мы пройдем последовательно через один квадрат размером 1 на 1, два размером 2 на 2 (один из которых разбит на два прямоугольника), три квадрата размером 3 на 3, четыре размером 4 на 4 (и еще один «разрезанный» пополам) и, наконец, пять квадратов размером 5 на 5. Следовательно, их общая площадь будет равна

Так как обе полученные нами площади должны быть равны, имеем

То же можно сделать и с квадратом со сторонами длиной 1 + 2 +… + n, чтобы прийти к

Доказательство методом индукции применяется не только при сложении – оно отлично работает всякий раз, когда некую «большую» проблему (вроде k + 1) можно решить посредством «маленькой» (вроде k). Приведу вам свою любимую теорему, вроде той, что мы доказывали в начале главы, когда решали проблему с заполнением шахматной доски костяшками домино. Однако на этот раз поговорим не о невозможности, а наоборот, о возможности, причем возможности постоянной, а вместо домино используем тримино[16] L-образной формы.

Так как 64 (число клеток) на 3 не делится, одних лишь тримино для всей площади шахматной доски нам явно не хватит. Но стоит взять дополнительно один квадратик размером 1 на 1, и можно смело утверждать, что вне зависимости от его (квадратика) положения на доске для всего остального хватит тримино. Причем утверждение это справедливо не только для обычных шахматных досок 8 на 8, но и для досок размером 2 на 2, 4 на 4, 16 на 16 и т. д.

Теорема: Для любого значения n ≥ 1 шахматная доска размером 2n на 2n может быть выложена костяшками тримино и одним квадратиком размером 1 на 1 при любом положении последнего.

Доказательство (методом индукции): Утверждение является истинным при n = 1, потому что для того, чтобы выложить доску размером 2 на 2, достаточно одной костяшки тримино и одного квадратика (при любом его положении). Попробуем доказать то же в отношении n = k, то есть доски размером 2k на 2k (притом что нашей конечной целью остается 2k+1 на 2k+1). Сначала положим квадратик на любое место. Потом разделим доску на 4 равных сектора, как на рисунке выше.

Сектор с квадратиком имеет размер 2k на 2k, что значит, что его можно полностью выложить тримино (исходя из того, что наше утверждение истинно при n = k). Затем положим одну костяшку тримино в центр доски так, чтобы она находилась одновременно в трех оставшихся секторах, каждый из которых также равен 2k на 2k и в каждом из которых у нас теперь есть по одному квадратику, что делает их абсолютно похожими на первый. Ну а если можно полностью выложить неперекрывающимися тримино каждую часть (размером 2k на 2k) доски, то ими можно выложить и всю доску размером 2k+1 на 2k+1.☺