数学归纳法
求证:
我们要证明的是,对于所有的自然数(下面的讨论只谈大于0的自然数,事实上,考虑0,这个等式也是成立的),上述结论都成立。
具体的说,是要证明:
……
……
这无穷多个算式一个个都是成立的。
其实,这些等式,具体到每一个,它是否成立,都是可以直接检验的。比如第一个,左边是1,右边1*2*3/6=1,等式成立。第二个,左边+4=5,右边2*3*5/6=5,当然,要检验第100个和第101个算式,就有点繁(是繁,不是难,就是计算,没什么难的)。
最重要的一件事来了:如果我帮你验证了上面第100个等式是成立的,在这个基础上,你再来验证第101个,是不是就没那么繁了呢?
我是说,假设我验证了:
是成立的,那么,验证:
是否成立,是不是要简单一点呢?我想你一定注意到了,这要简单很多,因为:
如果第100个等式是成立的,那么我们就只要看
是否成立了。
这个算起来就不那么繁了!
我想你的注意到了,别说是101,如果你能保证第1000个等式是成立的,稍稍计算一下,我们就能验证第1001个等式是否成立(事实上是成立的),一般而言,如果你能保证第k个等式是成立的,也就是:
我们就可以来验证第k+1个等式:
成立与否,我们就来做这件事:
(注:这一步利用了你给我们保证的第k个等式成立这一条件。)
这说明第k+1个等式是成立的。
然而,然而这有什么用呢?我得很认真的说:很有用,事实是:这时第二数学归纳法,你已经证明了这所有的等式都是成立的!换一句话说,是这个结论对所有的自然数都是成立的。有这么玄吗?我们来理一理,看我们到底做了什么工作。
第一
我们验证了:第一个等式是成立的。
其实我们验证的不只是第一个,第二个我们也验证了。但在这里,这不重要,关键是第一个
第二
我们确认了:如果你能保证某一个等式是成立的,那我就能确保紧挨着它的这个也是成立的。
我们只做了这两件事,难道就能保证每一个等式都成立吗?
的确是这样,让我们来看看:
由上述第一:我们确保第1个等式是成立的;
既然第1个等式成立,由上述第二,我们就能保证第2个等式是成立的(只要某个等式成立,那接下来的这个就成立,这一点我们论证了的,就是上述第二);
既然第2个等式成立第二数学归纳法,由上述第二,我们就能保证第3个等式是成立的;
既然第3个等式成立,由上述第二,我们就能保证第4个等式是成立的;
既然第4个等式成立,由上述第二,我们就能保证第5个等式是成立的;
……
这样的语句,可以没完没了的写下去
是不是觉得,这真是说明了每个等式都成立?
反过来想一次?
如果真有哪个等式(比如第1000个)不成立,那么它前面那个肯定也不成立,也就是第999个肯定不成立。当然是这样,因为第999个成立会直接导致第1000个成立。第999个不成立也意味着第998个不成立……这样,最后会得到这样一个结论:第一个等式不成立。然而,这是不可能的,我们老老实实验证过 ,第一个是成立的!
想想多米诺骨牌吧。如果有:
1、第一块被推倒;
2、每一个被推倒的骨牌都会导致挨着它的后面一块被推倒。那么,所有的骨牌都会倒,无一例外!
这就是论证涉及自然数的问题的强有力的数学归纳法。它就是基于上一节讲的皮亚诺公理中的第五条:数学归纳公理。
公理5:如果一个集合满足以下两个条件:
1、0属于这个集合。2、若一个自然数属于这个集合,则这个自然数的后继数也属于这个集合。那么这个集合就是自然数集。
接下来我们讨论自然数的加法,乘法的定义,证明相应的运算性质时,都要用到数学归纳法。下一节中,我们再用数学归纳法来讨论一些小学数学中的问题,比如多边形内角和之类。
明天继续……
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