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Principio di induzione

Parte 1 · Numeri e logica · Capitolo 8 · dalle dispense di Fabio Furini · PDF del capitolo

1. Il principio di induzione

  • Presentiamo ora un metodo dimostrativo, detto dimostrazione per induzione. Questo procedimento si può applicare a teoremi con la struttura seguente:

    “ per ogni \(n \in \N\), \(n \ge n_0\), vale la proprietà \(p (n)\) ”

  • Il numero \(n_0\) è il più piccolo intero per cui si vuole che la proprietà sia vera; se \(n_0 = 0\) il teorema afferma semplicemente che la proprietà è vera per ogni \(n \in \N\).

    La dimostrazione per induzione consiste nei due passi seguenti:

    1. Si dimostra che \(p (n)\) sia vero per \(n = n_0\) (primo passo dell'induzione).

    2. Si dimostra che, se n è un generico numero naturale \(\ge n_0\), dal fatto che \(p(n)\) sia vero segue che \(p( n + 1)\) sia vero (passo induttivo).

    Si può allora concludere che per ogni \(n \ge n_0\), \(p (n)\) è vero.

  • La validità di questo metodo dimostrativo, intuitivamente, si basa su questo fatto:

    1. Per il punto 1, sappiamo che \(p (n_0)\) è vera. Supponiamo ad esempio \(n_0 = 1\): sappiamo quindi che \(p(1)\) è vera (questo va dimostrato esplicitamente).

    2. Per il punto \(2\), poiché è vera \(p(1)\), sarà vera \(p (2)\): infatti abbiamo dimostrato che qualunque sia \(n\), se è vera \(p ( n)\) è vera anche \(p ( n + 1)\). Ma allora, poiché è vera \(p (2)\), sarà vera \(p (3)\); ma allora è vera \(p (4)\), … e così via, dunque è vera \(p (n)\) per ogni \(n \ge 1\).

  • Concretamente, la dimostrazione si articola in due fasi.

    1. Dimostrare direttamente \(p (n_0)\);

    2. Assumere come ipotesi \(p (n)\) (ipotesi induttiva) e provare \(p (n + 1)\).

  • È questo il punto delicato, spesso soggetto a equivoci. “Assumere per ipotesi” \(p (n)\) non significa assumere come ipotesi la tesi. Quello che si deve provare è che:

    “ per ogni \(n \ge n_0\), se è vera \(p( n)\) allora è vera anche \(p (n + 1)\) ”

    e non

    “ se per ogni \(n\) è vera \(p (n)\), allora è vera anche \(p (n + 1)\)”

2. Dimostrazioni basate sul principio di induzione

2.1 Disuguaglianza di Bernoulli

Osservazione 1: disuguaglianza di Bernoulli

Per ogni intero \(n \ge 0\), \(x \in \R\), \(x \ge -1\), vale:

\[\begin{equation} \label{BERNOULLI} (1+x)^n \ge 1 + n\: x \end{equation}\]
Dimostrazione

Per induzione su \(n\).

  • Primo passo dell'induzione

    Sia \(n = 0\). Allora l'asserto diventa:

    \[ (1+x)^0 \ge 1 + 0\: x \text{ ~~ cioè ~~} 1 \ge 1 \]

    che è evidentemente vero.

  • Passo induttivo

    Supponiamo che sia vero per \(n\), e proviamolo per \((n + 1)\). Per ipotesi induttiva, abbiamo:

    \[ (1+x)^n \ge 1 + n\: x \]

    e inoltre abbiamo

    \[ (1+x) \ge 0 {\rm~~~dato~che~~~} x \ge -1. \]

    Allora possiamo scrivere:

    \[\begin{align*} (1+x)^{n+1} &= (1+x) \cdot (1+x)^{n} \\[2ex] &\ge (1+x) \cdot (1 + n\: x) \\[2ex] &= 1 + (n+1)\: x + n\: x^2 \\[2ex] &\ge 1 + (n+1) \: x \end{align*}\]

    dove nell'ultima disuguaglianza si è sfruttato il fatto che \(n\:x^2 \ge 0\).

    La catena di disuguaglianze mostra che, per \(n + 1\), abbiamo

    \[ (1 + x)^{n+1} \ge 1 + (n + 1) \: x \]

    che è esattamente l'asserto voluto, per \(n + 1\).

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Esempio 1: Disuguaglianza di Bernoulli

Figura 1

Figura 2

Figura 3

Figura 4

2.2 Alcune sommatorie importanti

Osservazione 2: somma dei primi \(n\) numeri naturali

Per ogni intero \(n \ge 1\), vale:

\[ \sum_{k=1}^{n} k = \frac{n \: (n+1)}{2} \]
Dimostrazione

Per induzione su \(n\).

  • Primo passo dell'induzione

    Sia \(n = 1\). Allora l'asserto diventa:

    \[ \sum_{k=1}^1 k = \frac{1\:(1+1)}{2} \text{ ~~ cioè ~~} 1 = 1 \]

    che è evidentemente vero.

  • Passo induttivo

    Supponiamo che sia vero per \(n\), e proviamolo per \((n + 1)\). Per ipotesi induttiva, abbiamo:

    \[ \sum_{k=1}^n k = \frac{n\:(n+1)}{2}. \]

    Quindi possiamo scrivere:

    \[\begin{align*} \sum_{k=1}^{n+1} k &= \sum_{k=1}^{n} k + (n+1) \\[2ex] &= \frac{n\:(n+1)}{2} + (n+1) \\[2ex] &= \frac{n\:(n+1) + 2\:(n+1)}{2} \\[2ex] & = \frac{(n+1)\:( n + 2 )}{2} = \frac{(n+1)\:\big(( n+1) +1\big)}{2} \end{align*}\]

    che è esattamente l'asserto voluto, per \(n + 1\).

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2.3 Somma dei termini della progressione geometrica

Osservazione 3: somma dei primi \(n\) termini della progressione geometrica (\(a=1\))

Dato \(q \in\ \R_+\), per ogni intero \(n \ge 1\) vale:

\[\begin{equation} \label{GEOM} \sum_{k=1}^{n} q^{k-1} = \begin{cases} \frac{q^{n}-1}{q-1} & {\rm ~~~se~~~~} q \neq 1\\[2ex] n & {\rm ~~~altrimenti} \end{cases} \end{equation}\]
Dimostrazione

Per induzione su \(n\).

  • Primo passo dell'induzione

    Sia \(n = 1\). Allora l'asserto diventa:

    \[ \sum_{k=1}^{1} q^{k-1} = \frac{q^1-1}{q-1} \text{ ~~ cioè ~~} 1 = 1 \]

    che è evidentemente vero.

  • Passo induttivo

    Supponiamo che sia vero per \(n\), e proviamolo per \((n + 1)\). Per ipotesi induttiva, abbiamo:

    \[ \sum_{k=1}^{n} q^{k-1} = \frac{q^n-1}{q-1} \]

    Quindi possiamo scrivere

    \[\begin{align*} \sum_{k=1}^{n+1} q^{k-1}&= \sum_{k=1}^{n} q^{k-1} + q^n = \frac{q^n-1}{q-1} + q^n\\[2ex] & = \frac{q^n-1+q^{n+1}-q^n}{q-1} = \frac{q^{n+1}-1}{q-1} \end{align*}\]

    che è esattamente l'asserto voluto, per \(n + 1\).

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