高中数学 · E12 · 选学

数学归纳法

先证明一个起点,再证明正确性可以传给下一个整数,由此覆盖所有后续整数。

两个步骤

先证起点,再证如何从一项到下一项

把一个与正整数 $n$ 有关的命题记作 $P(n)$;它表示“当编号为 $n$ 时,要证明的那句话”。用 $n_0$ 表示开始证明的正整数,目标是所有 $n\geqslant n_0$ 都成立。

第一步:归纳奠基

直接验证起点 $n=n_0$,证明 $P(n_0)$ 成立。

第二步:归纳递推

用 $k$ 表示范围内任意一个正整数,即 $k\geqslant n_0$。暂时假设 $P(k)$ 成立,在这个条件下证明下一整数对应的命题 $P(k+1)$。

$$P(k)\Longrightarrow P(k+1)$$

箭头表示:如果前一个命题成立,后一个也必然成立。

这里证明的是条件关系,不是预先认定所有 $P(k)$ 都成立。只验证一个特定的 $k$,也不能代替这一步。

为何有效

起点确定,正确性就能逐个传下去

第一步已经证明 $P(n_0)$。将 $k=n_0$ 代入第二步的条件关系,就得到下一项;随后重复使用同一关系。

$$P(n_0)\Longrightarrow P(n_0+1)$$

从已经证明的起点出发,得到下一个命题。

$$P(n_0+1)\Longrightarrow P(n_0+2)$$

上一轮的结论,成为这一轮的出发点。

对任何选定的整数 $m\geqslant n_0$,从 $n_0$ 出发只需 $m-n_0$ 次递推就能到达 $m$。因此每个这样的 $m$ 都能被证明,结论覆盖所有 $n\geqslant n_0$。

完整证明

证明从 1 加到 n 的求和公式

现在证明下面的等式对每个正整数 $n$ 都成立,并把这个等式记作 $P(n)$。此时起点是 $n_0=1$。

$$1+2+\cdots+n=\frac{n(n+1)}2$$

这就是本次要证明的命题。

先验证 n=1

$$1=\frac{1\times2}{2}$$

左边只有一个 1,右边也等于 1,因此 P(1) 成立。

假设前 k 项的等式成立

任取正整数 $k$,暂时假设:

$$1+2+\cdots+k=\frac{k(k+1)}2$$

这是归纳假设,只在接下来的条件证明中使用。

再证明多加一项后的等式

前 $k+1$ 项的和,比前 $k$ 项的和多出一项 $k+1$。先写出目标左边,再利用刚才的归纳假设。

$$1+2+\cdots+k+(k+1)$$

这是 P(k+1) 的左边,尚未使用要证明的结论。

$$=\frac{k(k+1)}2+(k+1)$$

用归纳假设替换前 k 项的和,保留新增加的一项。

$$=\frac{k(k+1)+2(k+1)}2$$

把 k+1 通分为 2(k+1)/2,再合并分子。

$$=\frac{(k+1)(k+2)}2$$

分子提出公因数 k+1,剩下 k+2。

最后的式子正是把原公式中的 $n$ 换成 $k+1$ 得到的右边。因此,假如 $P(k)$ 成立,就能推出 $P(k+1)$ 成立。

起点 $P(1)$ 已验证,递推关系也已证明,所以求和公式对所有正整数 $n$ 成立。

两步缺一不可

只有起点,或只有传递,都不够

有传递,却没有正确的起点

若要证明“所有正整数都满足 $n\geqslant2$”,确实有:只要 $k\geqslant2$,就有 $k+1\geqslant2$。但起点 $n=1$ 不成立,所以不能得出覆盖全部正整数的结论。

有起点,却没有传递

命题“$n=1$”在 $n=1$ 时成立,却在 $n=2$ 时不成立。仅仅验证起点,不能保证后面也正确。

奠基负责启动,递推负责延续。两步不能互相代替。

检查证明

假设只能用前一项,不能偷用结论

  1. 目标写对:把原命题里的每个 $n$ 换成 $k+1$,得到要证明的 $P(k+1)$。
  2. 假设用对:可以使用 $P(k)$,不能把尚未证明的 $P(k+1)$ 当成已知,否则就是循环论证。
  3. 范围对应:从 $n_0=2$ 开始,只能覆盖 $n\geqslant2$,不能自动补出 $n=1$。

若过程没有使用归纳假设,要检查是否已经直接证明了任意 $k$ 对应的 $P(k+1)$。若没有,就还未建立从前一项到后一项的联系。

核心结论

用起点与传递,覆盖全部后续整数

先证明起点:$P(n_0)$ 成立。

再证明传递:对任意整数 $k\geqslant n_0$,在 $P(k)$ 成立的条件下推出 $P(k+1)$。

两步合起来,才能得出所有 $n\geqslant n_0$ 都成立。数学归纳法证明的是一条完整的传递关系,不是用几个例子猜测后面也正确。