Metody dowodzenia twierdze«

Podobne dokumenty
Metodydowodzenia twierdzeń

ARYTMETYKA MODULARNA. Grzegorz Szkibiel. Wiosna 2014/15

Zbiory i odwzorowania

Materiaªy do Repetytorium z matematyki

X WARMI SKO-MAZURSKIE ZAWODY MATEMATYCZNE 18 maja 2012 (szkoªy ponadgimnazjalne)

Wielomiany o wspóªczynnikach rzeczywistych

Wybrane poj cia i twierdzenia z wykªadu z teorii liczb

A = n. 2. Ka»dy podzbiór zbioru sko«czonego jest zbiorem sko«czonym. Dowody tych twierdze«(elementarne, lecz nieco nu» ce) pominiemy.

ARYTMETYKA MODULARNA. Grzegorz Szkibiel. Wiosna 2014/15

Indukcja matematyczna

Semestr letni 2014/15

ARYTMETYKA MODULARNA. Grzegorz Szkibiel. Wiosna 2014/15

Indeksowane rodziny zbiorów

ARYTMETYKA MODULARNA. Grzegorz Szkibiel. Wiosna 2014/15

ELEMENTARNA TEORIA LICZB. 1. Podzielno±

ARYTMETYKA MODULARNA. Grzegorz Szkibiel. Wiosna 2014/15

Algorytmiczna teoria grafów

XVII Warmi«sko-Mazurskie Zawody Matematyczne

Wykªad 4. Funkcje wielu zmiennych.

Wyra»enia logicznie równowa»ne

Wykªad 7. Ekstrema lokalne funkcji dwóch zmiennych.

Równania ró»niczkowe I rz du (RRIR) Twierdzenie Picarda. Anna D browska. WFTiMS. 23 marca 2010

Relacj binarn okre±lon w zbiorze X nazywamy podzbiór ϱ X X.

Wektory w przestrzeni

x y x y x y x + y x y

det A := a 11, ( 1) 1+j a 1j det A 1j, a 11 a 12 a 21 a 22 Wn. 1 (Wyznacznik macierzy stopnia 2:). = a 11a 22 a 33 +a 12 a 23 a 31 +a 13 a 21 a 32

Zdzisªaw Dzedzej, Katedra Analizy Nieliniowej pok. 611 Kontakt:

ARYTMETYKA MODULARNA. Grzegorz Szkibiel. Wiosna 2014/15

Ukªady równa«liniowych

Podstawy matematyki dla informatyków

Przekroje Dedekinda 1

Funkcja kwadratowa, wielomiany oraz funkcje wymierne

Twierdzenie Wainera. Marek Czarnecki. Warszawa, 3 lipca Wydziaª Filozoi i Socjologii Uniwersytet Warszawski

1 a + b 1 = 1 a + 1 b 1. (a + b 1)(a + b ab) = ab, (a + b)(a + b ab 1) = 0, (a + b)[a(1 b) + (b 1)] = 0,

Ciaªa i wielomiany. 1 Denicja ciaªa. Ciaªa i wielomiany 1

ZADANIA OTWARTE KRÓTKIEJ ODPOWIEDZI

ANALIZA MATEMATYCZNA Z ALGEBR

Funkcje, wielomiany. Informacje pomocnicze

ARYTMETYKA MODULARNA. Grzegorz Szkibiel. Wiosna 2014/15

2 Liczby rzeczywiste - cz. 2

Ÿ1 Oznaczenia, poj cia wst pne

Interpolacja funkcjami sklejanymi

Elementy geometrii w przestrzeni R 3

Wst p teoretyczny do wiczenia nr 3 - Elementy kombinatoryki

1 Bª dy i arytmetyka zmiennopozycyjna

Elementy geometrii analitycznej w przestrzeni

Zadania z PM II A. Strojnowski str. 1. Zadania przygotowawcze z Podstaw Matematyki seria 2

Arkusz maturalny. Šukasz Dawidowski. 25 kwietnia 2016r. Powtórki maturalne

Wst p do informatyki. Systemy liczbowe. Piotr Fulma«ski. 21 pa¹dziernika Wydziaª Matematyki i Informatyki, Uniwersytet Šódzki, Polska

1 Przypomnienie wiadomo±ci ze szkoªy ±redniej. Rozwi zywanie prostych równa«i nierówno±ci

ANALIZA NUMERYCZNA. Grzegorz Szkibiel. Wiosna 2014/15

1 Poj cia pomocnicze. Przykªad 1. A A d

Macierze. 1 Podstawowe denicje. 2 Rodzaje macierzy. Denicja

Czy funkcja zadana wzorem f(x) = ex e x. 1 + e. = lim. e x + e x lim. lim. 2 dla x = 1 f(x) dla x (0, 1) e e 1 dla x = 1

Metoda tablic semantycznych. 1 Metoda tablic semantycznych

Statystyka matematyczna - ZSTA LMO

Macierze. Dziaªania na macierzach. 1. Niech b d dane macierze , D = , C = , B = 4 12 A = , F = , G = , H = E = a) Obliczy A + B, 2A 3B,

Informacje pomocnicze

istnienie elementu neutralnego dodawania (zera): 0 K a K a + 0 = a, istnienie elementu neutralnego mno»enia (jedynki): 1 K a K a 1 = a,

Macierze i Wyznaczniki

WST P DO TEORII INFORMACJI I KODOWANIA. Grzegorz Szkibiel. Wiosna 2013/14

ODPOWIEDZI I SCHEMAT PUNKTOWANIA ZESTAW NR 2 POZIOM ROZSZERZONY. S x 3x y. 1.5 Podanie odpowiedzi: Poszukiwane liczby to : 2, 6, 5.

Podstawy matematyki dla informatyków. Funkcje. Funkcje caªkowite i cz ±ciowe. Deniowanie funkcji. Wykªad pa¹dziernika 2012

Ekstremalnie fajne równania

WST P DO TEORII INFORMACJI I KODOWANIA. Grzegorz Szkibiel. Wiosna 2013/14

Podstawy matematyki dla informatyków. Logika formalna. Skªadnia rachunku zda« Skróty i priorytety. Wykªad 10 (Klasyczny rachunek zda«) 15 grudnia 2011

Podstawy logiki i teorii zbiorów wiczenia

1 Metody iteracyjne rozwi zywania równania f(x)=0

2 Podstawowe obiekty kombinatoryczne

Schematy i reguªy wnioskowania w logice rozmytej

MATERIA DIAGNOSTYCZNY Z MATEMATYKI

Rachunek zda«. Relacje. 2018/2019

14.Rozwiązywanie zadań tekstowych wykorzystujących równania i nierówności kwadratowe.

JAO - J zyki, Automaty i Obliczenia - Wykªad 1. JAO - J zyki, Automaty i Obliczenia - Wykªad 1

Macierze i Wyznaczniki

Maksymalna liczba punktów do zdobycia: 80. Zadanie 1: a) 6 punktów, b) 3 punkty, Zadanie 2: a) 6 punktów, b) 4 punkty,

5. (8 punktów) EGZAMIN MAGISTERSKI, r Matematyka w ekonomii i ubezpieczeniach

Twierdzenie Wedderburna Witold Tomaszewski

O pewnym zadaniu olimpijskim


ARYTMETYKA MODULARNA. Grzegorz Szkibiel. Wiosna 2014/15

Mierzalne liczby kardynalne

Funkcje jednej zmiennej. Granica, ci gªo±. (szkic wykªadu)

Zadania z analizy matematycznej - sem. II Ekstrema funkcji wielu zmiennych, twierdzenia o funkcji odwrotnej i funkcji uwikªanej

Wojewódzki Konkurs Matematyczny

i, lub, nie Cegieªki buduj ce wspóªczesne procesory. Piotr Fulma«ski 5 kwietnia 2017

Teoria grafów i sieci 1 / 58

pobrano z (A1) Czas GRUDZIE

Liczenie podziaªów liczby: algorytm Eulera

CAŠKA NIEOZNACZONA. Politechnika Lubelska. Z.Šagodowski. 18 lutego 2016

Funkcje wielu zmiennych

Funkcje wielu zmiennych

Geometria. Šukasz Dawidowski. 25 kwietnia 2016r. Powtórki maturalne

PRZYK ADOWY ARKUSZ EGZAMINACYJNY Z MATEMATYKI

Liniowe równania ró»niczkowe n tego rz du o staªych wspóªczynnikach

MATEMATYKA POZIOM ROZSZERZONY PRZYK ADOWY ZESTAW ZADA NR 2. Miejsce na naklejk z kodem szko y CKE MARZEC ROK Czas pracy 150 minut

Zbiory ograniczone i kresy zbiorów

Zadania z analizy matematycznej - sem. II Rachunek ró»niczkowy funkcji wielu zmiennych

Indukcja matematyczna, zasada minimum i maksimum. 17 lutego 2017

ZADANIA. Maciej Zakarczemny

Transkrypt:

Metody dowodzenia twierdze«1

Metoda indukcji matematycznej Je±li T (n) jest form zdaniow okre±lon w zbiorze liczb naturalnych, to prawdziwe jest zdanie (T (0) n N (T (n) T (n + 1))) n N T (n). 2

W przypadku formy zdaniowej okre±lonej w zbiorzen 1 = {1, 2, 3,... }, rozwa»amy zdanie (T (1) n N1 (T (n) T (n + 1))) n N1 T (n). 3

Przykªad. Obliczy 1 + 3 + 5 +... + (2n 1), gdzie n jest liczb naturaln. Dyskusja. Wprowad¹my oznaczenie: S n = 1 + 3 + 5 +... + (2n 1). Mamy: S 1 = 1, S 2 = 1 + 3 = 4, S 3 = 1 + 3 + 5 = 9, S 4 = 16, S 5 = 25, S 6 = 36. Widzimy,»e powinno by S n = n 2. Czy mo»na to jako± uzasadni? Trzeba si przyjrze, w jaki sposób otrzymujemy kolejne S n. 4

Na przykªad, je±li mamy ju» obliczone to S 6 = 1 + 3 + 5 + 7 + 9 + 11 = 36, S 7 = 1 + 3 + 5 + 7 + 9 + 11 + 13 nie b dziemy liczyli od pocz tku, tylko wykorzystamy zale»no± Podobnie S 7 = S 6 + 13 = 36 + 13 = 49. S 8 = S 7 + 15 = 49 + 15 = 64 i tak dalej. Zwró my uwag na to, co nale»y doda do S n,»eby otrzyma S n+1. Je±li S n = n 2, to S n+1 = S n + (2 (n + 1) 1) = n 2 + 2n + 1 = (n + 1) 2. 5

Zadanie. Dowie±,»e dla dowolnej liczby naturalnej n 1 2 + 2 3 + 3 4 +... + n (n + 1) = Rozwi zanie. I. Baza indukcji. Dla n = 1 równo± jest oczywista: 1 2 = 1 2 3. 3 n (n + 1) (n + 2). 3 II. Krok indukcyjny. Niech k b dzie dowoln liczb naturaln. Zaªó»my,»e dana w zadaniu równo± zachodzi dla n = k: 1 2 +... + k (k + 1) = k (k + 1) (k + 2). 3 6

Wówczas dla n = k + 1 mamy: 1 2+...+k (k+1)+(k+1) (k+2) = k (k + 1) (k + 2) +(k+1) (k+2) = 3 = (k + 1) (k + 2) ( k 3 (k + 1) (k + 2) (k + 3) + 1) =, 3 czyli dla n = k + 1 równo± jest speªniona. Na mocy zasady indukcji matematycznej równo± 1 2 + 2 3 +... + n (n + 1) = zachodzi dla dowolnego naturalnego n. n (n + 1) (n + 2) 3 7

Zadanie. Dowie±,»e dla dowolnej liczby naturalnej n i dla dowolnego rzeczywistego x > 1 zachodzi nierówno± (1 + x) n 1 + nx. Zadanie. Dowie±,»e dla dowolnego n 0 liczba 2 2n+1 + 3n+7 jest podzielna przez 9. 8

Rozwi zanie. Dla n = 0 mamy liczb 2 2 0+1 + 3 0 + 7 = 9, która jest, oczywi±cie, podzielna przez 9. Niech n b dzie dowoln liczb naturaln. Zaªó»my,»e dla n twierdzenie jest prawdziwe, czyli liczba 2 2n+1 + 3n + 7 jest podzielna przez 9. Wówczas 2 2(n+1)+1 + 3(n + 1) + 7 = 2 2n+3 + 3n + 3 + 7 = = 4 2 2n+1 + 3n + 10 = 4 (2 2n+1 + 3n + 7) 9n 18. Liczby 9n i 18 s podzielne przez 9, liczba 2 2n+1 + 3n + 7 te» (z zaªo»enia indukcyjnego), wi c liczba 2 2(n+1)+1 + 3(n + 1) + 7 równie» jest podzielna przez 9, czyli dla n + 1 twierdzenie jest prawdziwe. Na mocy indukcji matematycznej liczba 2 2n+1 + 3n + 7 jest podzielna przez 9 dla dowolnego naturalnego n. 9

Dowód indukcyjny w nast pnym zadaniu b dzie przebiegaª wedªug schematu: I. Baza indukcji: T (0) T (1) T (2). II. Krok indukcyjny: T (k) T (k + 1) T (k + 2) T (k + 3) dla dowolnego k 0. Zadanie. Ci g (a n ) okre±laj nast puj ce warunki: a 0 = 2, a 1 = 3, a 2 = 6, a n = (n + 4)a n 1 4na n 2 + 4(n 2)a n 3, dla n 3. Udowodnij,»e dla ka»dego n a n = n! + 2 n. 10

Rozwi zanie. Mamy a 0 = 0! + 2 0, a 1 = 1! + 2 1, a 2 = 2! + 2 2, wi c dla n = 0, 1, 2 twierdzenie jest prawdziwe. Niech n b dzie dowoln liczb naturaln. Zaªó»my,»e a n = n! + 2 n, a n+1 = (n + 1)! + 2 n+1 i a n+2 = (n + 2)! + 2 n+2. Wówczas dla n + 3 mamy a n+3 = (n + 7)a n+2 4(n + 3)a n+1 + 4(n + 1)a n = = (n+7)((n+2)!+2 n+2 ) 4(n+3)((n+1)!+2 n+1 )+4(n+1)(n!+2 n ) = 11

= tu jest troch rachunków = (n + 3)! + 2 n+3, czyli dla n + 3 twierdzenie jest prawdziwe. Na mocy indukcji wzór a n = n! + 2 n zachodzi dla dowolnego naturalnego n. 12

Twierdzenie. Dowie±,»e dowoln liczb naturaln wi ksz od 1 mo»na przedstawi w postaci iloczynu liczb pierwszych. (Je±li n jest liczb pierwsz, to iloczyn ten skªada si tylko z jednego czynnika.) Dowód. Liczba n = 2 jest liczb pierwsz, czyli iloczynem jednej liczby pierwszej samej siebie. Niech n b dzie dowoln liczb naturaln wi ksz od 2. Zaªó»my,»e ka»d liczb naturaln mniejsz od n mo»na przedstawi w postaci iloczynu liczb pierwszych. Poka»emy,»e n te» mo»na przedstawi w postaci iloczynu liczb pierwszych. 13

Je±li n jest liczb pierwsz, to teza dla n zachodzi. Je±li n jest liczb zªo»on, to mo»na j przedstawi w postaci iloczynu dwóch liczb od niej mniejszych: n = k l, k, l < n. Na mocy zaªo»enia zarówno k, jak i l, jest iloczynem liczb pierwszych: k = p 1... p i, l = q 1... q j, zatem n = k l te», oczywi±cie mo»na tak przedstawi : n = p 1... p i q 1... q j, co ko«czy dowód kroku indukcyjnego. Schemat powy»szego dowodu: I) Baza: T(2). II) Krok: T (2)... T (n 1) T (n) dla ka»dego n > 2. 14

Twierdzenia i dowody Twierdzenie to zdanie logiczne dotycz ce obiektów danej teorii. Przykªad: 2 jest liczb niewymiern. 15

Twierdzenia na ogóª maj posta implikacji a dokªadniej: p q, x X (p(x) q(x)), gdzie p(x) i q(x) to formy zdaniowe okre±lone w pewnym zbiorze X. Zdanie p nazywamy zaªo»eniem, a zdanie q tez twierdzenia. Mówimy,»e p jest warunkiem wystarczaj cym (dostatecznym) dla q, a q jest warunkiem koniecznym dla p. 16

Przykªad. Warunkiem wystarczaj cym na podzielno± liczby naturalnej przez 9 jest to, by suma cyfr jej zapis dziesi tnego byªa równa 9. Czy jest to warunek konieczny? Przykªad. Warunkiem koniecznym na to, by czworok t byª kwadratem jest posiadanie wszystkich k tów prostych. Czy jest to warunek wystarczaj cy? 17

Podstawow metod dowodzenia twierdze«postaci p q jest dowód dedukcyjny b d cy w najprostszym przypadku ci - giem implikacji wychodz cych od zaªo»enia p p 1... p k q. Przykªad. Je±li a, b, c (a 0) s takimi liczbami caªkowitymi,»e a b i a c, to a b + c. 18

Ci g implikacji p p 1... p k q czasami konstruujemy od ko«ca, nazywamy to metod redukcyjn. Przykªad. Je±li liczby rzeczywiste a, b s dodatnie, to a + b 2 ab. W praktyce cz sto stosujemy metod mieszan, ª cz c elementy obu metod. 19

Metoda dowodu nie wprost jest oparta na tautologii (p q) ( q p). Zadanie. Dane s liczby caªkowite a i b. Wyka»,»e je±li a b jest liczb parzyst, to a jest parzyste lub b jest parzyste. Zadanie. Dane s liczby naturalne k 1, k 2,..., k n > 0. Wyka»,»e je±li 1 k 1 +... + 1 k n > n 2, to k i = 1 dla pewnego i. 20

Metoda dowodu przez sprzeczno± jest oparta na tautologii (p q) (p q). Zadanie. Dane s liczby rzeczywiste x, y. Wyka»,»e je»eli x 2 + y 2 < 1, to x + y < 2. Zadanie. Wyka»,»e w ka»dym trójk cie co najmniej jeden z k tów ma miar nie mniejsz od 60. 21

Twierdzenie q p nazywamy odwrotnym do twierdzenia p q. Twierdzenie: Dla dowolnego trójk ta ABC, je±li BAC = 90, to AB 2 + AC 2 = BC 2. Twierdzenie odwrotne: Dla dowolnego trójk ta ABC, je±li AB 2 + AC 2 = BC 2, to BAC = 90. 22

Kwadrat logiczny tw. proste p q tw. odwrotne q p ( p) ( q) ( q) ( p) tw. przeciwne tw. przeciwstawne 23

Niektóre twierdzenia maj posta zamkni tego ukªadu implikacji p 1 q 1 p 2 q 2. p n q n, gdzie dla ka»dego x dokªadnie jedno ze zda«p 1 (x), p 2 (x),..., p n (x) jest prawdziwe. 24

Przykªad. Dla dowolnego trójk ta ABC: BAC < 90 AB 2 + AC 2 > BC 2, BAC = 90 AB 2 + AC 2 = BC 2, BAC > 90 AB 2 + AC 2 < BC 2. 25