数学归纳法 Mathematical Induction

数学归纳法 Mathematical Induction

–摘自Discrete Mathematics and Its Applications

数学归纳法原理

为了证明对于所有正整数nnnP(n)P(n)P(n)为真,其中P(n)P(n)P(n)为命题函数,可以分为以下两步:

  1. 基本步BASIC STEP:证明P(1)P(1)P(1)为真
  2. 归纳步INDUCTIVE STEP:证明对于所有正整数k,条件表述P(k)→P(k+1)P(k)\rightarrow P(k+1)P(k)P(k+1)为真。这一步的证明是应用归纳假设,即,假设P(k)P(k)P(k)为真。
数学归纳法证明的模板
  1. 对于固定整数bbb,将需要证明的表述的形式表示为对于所有n≥b,P(n)n \geq b,P(n)nb,P(n)。这里整数bbb可以为负整数、零和正整数。
  2. 基本步,证明P(n)P(n)P(n)为真
  3. 归纳步,对于所有k≥bk \geq bkb,假设P(n)P(n)P(n)为真
  4. 写出P(n+1)P(n+1)P(n+1)的表述
  5. 使用P(n)P(n)P(n)为真,来证明P(n+1)P(n+1)P(n+1)为真
  6. 写明完成归纳法证明,比如“归纳法证毕”
  7. 表述结论,如“通过使用数学归纳法,对于所有n≥bn \geq bnb的正整数bbbP(n)P(n)P(n)均成立。
数学归纳法的英文表达是 **Mathematical Induction**。它是一种常用于证明与自然数相关的命题的数学方法。 在 LaTeX 中,可以通过特定的数学符号和环境来表示数学归纳法的步骤。以下是如何表示数学归纳法的常见形式: 1. **基础步骤(Base Case)** 通常表示为当 $ n = 1 $ ,验证命题成立。 在 LaTeX 中可以表示为: ```latex When $ n = 1 $, the statement holds true. ``` 2. **归纳假设(Inductive Hypothesis)** 假设当 $ n = k $ 时,命题成立。 在 LaTeX 中可以表示为: ```latex Assume that the statement holds for $ n = k $. ``` 3. **归纳步骤(Inductive Step)** 证明当 $ n = k + 1 $ 时,命题也成立。 在 LaTeX 中可以表示为: ```latex We now prove that the statement holds for $ n = k + 1 $. ``` 一个完整的数学归纳法证明示例,如证明 $ 1 + 2 + 3 + \dots + n = \frac{n(n+1)}{2} $ 在 LaTeX 中可表示为: ```latex \documentclass{article} \usepackage{amsmath} \begin{document} We prove by mathematical induction that $$ 1 + 2 + 3 + \dots + n = \frac{n(n+1)}{2} $$ for all positive integers $ n $. \textbf{Base Case:} Let $ n = 1 $. Then, $ 1 = \frac{1(1+1)}{2} = 1 $, so the base case holds. \textbf{Inductive Hypothesis:} Assume that the formula holds for $ n = k $, that is, $$ 1 + 2 + \dots + k = \frac{k(k+1)}{2}. $$ \textbf{Inductive Step:} We now prove the formula for $ n = k + 1 $: $$ 1 + 2 + \dots + k + (k+1) = \frac{k(k+1)}{2} + (k+1) = \frac{(k+1)(k+2)}{2}. $$ Thus, the formula holds for $ n = k + 1 $. By mathematical induction, the formula holds for all positive integers $ n $. \end{document} ``` 通过上述方式,可以在 LaTeX 中完整地展示数学归纳法的结构和证明过程。
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