數學歸納法證題步驟與技巧(2 / 3)

證歸納變元n為每堆棋子的數目。設甲為先取者,乙為後取者。

奠基n=1,易證乙必勝。

歸納設n≤k時,乙必勝。現證n=k+1時也是乙必勝。

設甲在某堆中先取r顆,0<r≤k,乙的對策是在另一堆中也取r顆。有二種可能:

(1)若r<k,經過兩人各取一次之後,兩堆都隻有k-r顆,k-r<k,現在又輪到甲先取,依歸納假設,乙必勝。

(2)若r=k;顯然是乙勝。證畢。

上述兩種形式的歸納法雖然比較簡單,但如使用不當,往往會發生錯誤。有兩點應注意。第一,在使用歸納假設時防止無形中引入不相幹的假設。第二,在證明過程中應注意數學規律的正確性。下麵我們引入1個反例,在這一個反例中,由於錯誤的證明導致證得了錯誤的待證命題。

反例:證明任意n條直線均能重合成一條直線。

下麵給出錯誤的證明:

證奠基n=1時該命題成立

歸納利用強歸納法,可以有如下的歸納假設:任意1條,2條,3條,…,k條直線均重合成一條直線,要證k+1條直線也重合成一條直線。設這k+1條直線為為L1、L2,…,Lk、Lk+1。由強歸納假設得L1,…,Lk重合為一條直線,記為L。又由強歸納假設得L和Lk+1這兩條直線重合為一條直線。於是任意n條直線便重合為一條直線了。

細心的讀者也許已經發現這裏的錯誤了,這是由於錯誤地使用了強歸納假設而造成的,具體地說就是“L和Lk+1這兩條直線重合為一條直線”這一點把強歸納假設使用錯了。強歸納假設中並沒有包含這一條件,因為我們這裏奠的基是n=1,因此待證命題“k+1條直線重合為一條直線”要求對於一切大於等於1的k成立,而上麵證明中所假設的L和Lk+1重合為一條直線實際上是要求k≥2。這就是錯誤的所在。

3、參變歸納法

在待證命題中含有參數的時候,例如P(u,n),則用數學歸納法證明P(u,n)對一切n成立時,在奠基步中,應證P(u,0)對一切u成立。在歸納步中,假設P(u,k)對一切u成立,證明P(u,k+1)對一切u成立。這裏,“P(u,k)”對一切u成立稱之為參變歸納假設,這種證明方法叫參變歸納法,u起著參數的作用。

例:求證n≥3時有n0+1≥(n+1)2

本題證明的困難主要在於歸納步,無論采用哪種歸納假設,都難於證明。如果我們對該待證命題施展一定的技巧,把該式中的部分n寫成u(視作參數),部分n保持不變,即寫成

nun≥(u+1)1

則可用參變歸納法證明當u≥n≥3時上式成立,原命題即可得證。

奠基n=3時,對u≥3的一切u均有

左端=3u3=u3+u·u2+u2u≥u3+3u2+9u>u3+3u2+3u+1=(u+1)3=右端。

歸納n=k+1時

左端=(k+1)uk+1=u(k+1)·uk

=(uk+u)uk≥(uk+k)uk=k(u+1)·uk≥(n+1)(u+1)k

=(u+1)k+1=右端

所以當u≥n≥3時,有unn≥(u+1)n

令u=n,上式便為nn+1≥(nn+1)n,即為原不等式,故原式得證。

值得指出的是,上麵三種形式的數學歸納法,都要求待證命題含有自然數變元n,對n施行歸納,n稱為歸納變元。但是在數學的一些分支中,有些待證命題表麵上看來似乎不含自然數變元n,但仔細一分析,實際上是含有自然數變元的,當我們一旦把n的含義明確以後,用數學歸納法去證明這些待命題就迎刃而解了。舉一個簡單的例子。