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数学的帰納法

同様に等比数列の和 1+r+⋯+rn=rn+1−1r−1(r≠1)1+r+\cdots+r^n=\frac{r^{n+1}-1}{r-1}\quad(r\ne1) も n=0n=0 から帰納法で示せます。

最小反例法は、反例のうち最小のものを仮定し、それより小さい場合から矛盾を導く方法で、帰納法と密接に関係します。

Q奇数の和★☆☆

1+3+⋯+(2n−1)=n21+3+\cdots+(2n-1)=n^2 を n≥1n\ge1 で証明してください。

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kk の式に次の奇数 2k+12k+1 を加えます。

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n=1n=1 で成立します。kk で和が k2k^2 と仮定すると、次の和は k2+(2k+1)=(k+1)2k^2+(2k+1)=(k+1)^2 です。よって帰納法で成立します。

Q不等式★★☆

n≥0n\ge0 で 2n≥n+12^n\ge n+1 を証明してください。

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2k+1=2⋅2k2^{k+1}=2\cdot2^k と仮定を使います。

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n=0n=0 では 1≥11\ge1。2k≥k+12^k\ge k+1 と仮定すると 2k+1≥2(k+1)≥k+22^{k+1}\ge2(k+1)\ge k+2 です。最後は k≥0k\ge0 を使いました。

Q誤った帰納法を見抜く★★★

初期段階を確認せず、P(k)⇒P(k+1)P(k)\Rightarrow P(k+1) だけを示せば十分でしょうか。

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常に偽である命題を考えます。

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不十分です。たとえば P(n):n<0P(n):n<0 を n≥0n\ge0 で考えると、P(k)P(k) が偽なので含意 P(k)⇒P(k+1)P(k)\Rightarrow P(k+1) は空虚に真でも、どの P(n)P(n) も真になりません。開始点が必要です。