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Induzione, fasci di rette, disequazioni di grado superiore e funzioni · Principio di induzione

Dimostrazioni per induzione

Immagina una fila infinita di tessere del domino. Se la prima cade e ogni tessera, cadendo, fa cadere la successiva, allora cadono tutte. Come si può essere sicuri che una formula valga per tutti i numeri naturali, se ne possiamo controllare solo qualcuno? Il principio di induzione risponde proprio a questa domanda.

L'idea: il domino

Considera la somma dei primi numeri dispari: $1 = 1$, $1+3 = 4$, $1+3+5 = 9$, $1+3+5+7=16$. Sembra che la somma dei primi $n$ dispari sia $n^2$. Ma controllare a mano non basta: ci sono infiniti valori di $n$.

Tessere del domino: la prima cade e ciascuna fa cadere la successiva P(1) P(2) P(3) P(4) P(5) P(6) …

Perché funziona: $P(n_0)$ è vera per il passo base; per il passo induttivo è vera $P(n_0+1)$, quindi $P(n_0+2)$, e così via, senza fine.

Esercitati★☆☆Da iniziare
Verifica che la proposizione $P(n)$: «$2^n > n$» è vera per $n = 1, 2, 3$ e dimostrala per induzione per ogni $n \ge 1$.

Verifica che la proposizione $P(n)$: «$2^n > n$» è vera per $n = 1, 2, 3$ e dimostrala per induzione per ogni $n \ge 1$.

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Dimostrare una formula per le somme

Il metodo ha sempre tre mosse: base, ipotesi induttiva, passo induttivo. Nel passo induttivo si parte dal lato di $P(n+1)$ e si usa l'ipotesi per ricondursi a $P(n)$.

Esercitati★☆☆Da iniziare
Dimostra per induzione che, per ogni $n \ge 1$, vale: $1 + 2 + 3 + \dots + n = \frac{n(n+1)}{2}$

Dimostra per induzione che, per ogni $n \ge 1$, vale:

$1 + 2 + 3 + \dots + n = \frac{n(n+1)}{2}$

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Esercitati★☆☆Da iniziare
Dimostra per induzione che, per ogni $n \ge 1$, vale: $1 + 3 + 5 + \dots + (2n-1) = n^2$

Dimostra per induzione che, per ogni $n \ge 1$, vale:

$1 + 3 + 5 + \dots + (2n-1) = n^2$

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Esercitati★★☆Da iniziare
Dimostra per induzione che, per ogni $n \ge 1$: $1^2 + 2^2 + 3^2 + \dots + n^2 = \frac{n(n+1)(2n+1)}{6}$

Dimostra per induzione che, per ogni $n \ge 1$:

$1^2 + 2^2 + 3^2 + \dots + n^2 = \frac{n(n+1)(2n+1)}{6}$

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Divisibilità e successioni per ricorrenza

L'induzione serve anche per la divisibilità. Il trucco: nel passo induttivo scrivi l'espressione per $n+1$ come «espressione per $n$ + un multiplo del divisore».

Per le successioni definite per ricorrenza si procede in due tempi: si calcolano i primi termini, si congettura una formula, poi la si dimostra per induzione.

Se la ricorrenza usa due termini precedenti ($a_{n+2}$ in funzione di $a_{n+1}$ e $a_n$), servono due passi base (due termini iniziali) e un'ipotesi induttiva su $P(n)$ e $P(n+1)$ insieme.

Esercitati★★☆Da iniziare
Dimostra per induzione che, per ogni $n \ge 1$, il numero $7^n - 1$ è divisibile per 6.

Dimostra per induzione che, per ogni $n \ge 1$, il numero $7^n - 1$ è divisibile per 6.

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Esercitati★★☆Da iniziare
Una successione è definita per ricorrenza da $a_1 = 2$, $a_{n+1} = a_n + 2n + 2$. a) Calcola i primi cinque termini. b) Congettura una formula per $a_n$ e dimostrala per…

Una successione è definita per ricorrenza da $a_1 = 2$, $a_{n+1} = a_n + 2n + 2$.

  1. a) Calcola i primi cinque termini.
  1. b) Congettura una formula per $a_n$ e dimostrala per induzione.
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Esercitati★★★Da iniziare
Sia $a_n$ la successione definita da $a_1 = 1$, $a_2 = 3$, $a_{n+2} = 3a_{n+1} - 2a_n$. a) Calcola $a_3, a_4, a_5$. b) Dimostra per induzione (con ipotesi su due passi…

Sia $a_n$ la successione definita da $a_1 = 1$, $a_2 = 3$, $a_{n+2} = 3a_{n+1} - 2a_n$.

  1. a) Calcola $a_3, a_4, a_5$.
  1. b) Dimostra per induzione (con ipotesi su due passi precedenti) che $a_n = 2^n - 1$ per ogni $n \ge 1$.
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Disuguaglianze e base diversa da 1

Con le disuguaglianze il passo induttivo richiede una catena di maggiorazioni. Inoltre il passo base può non essere $n=1$.

Prova ora $2^n>n^2$: per $n=1$ è vera ($2>1$), per $n=2$ è falsa ($4>4$ no), per $n=3$ è falsa ($8>9$ no), per $n=4$ è falsa ($16>16$ no), per $n=5$ è vera ($32>25$). Il passo base giusto è allora $n_0=5$, e il passo induttivo deve valere solo per $n\ge5$.

Esercitati★★★Da iniziare
Dimostra per induzione che, per ogni $n \ge 5$, vale $2^n > n^2$. Spiega perché la proposizione è falsa per $n = 3$ e per $n = 4$ e perché il passo base deve essere…

Dimostra per induzione che, per ogni $n \ge 5$, vale $2^n > n^2$. Spiega perché la proposizione è falsa per $n = 3$ e per $n = 4$ e perché il passo base deve essere $n = 5$.

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Dimostra per induzione la disuguaglianza di Bernoulli: per ogni numero reale $x \ge -1$ e per ogni intero $n \ge 1$, $(1+x)^n \ge 1 + nx$. Indica esplicitamente dove nel…

Dimostra per induzione la disuguaglianza di Bernoulli: per ogni numero reale $x \ge -1$ e per ogni intero $n \ge 1$,

$(1+x)^n \ge 1 + nx$.

Indica esplicitamente dove nel passo induttivo si usa l'ipotesi $x \ge -1$.

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In sintesi

  • Per dimostrare $P(n)$ per ogni $n\ge n_0$: passo base ($P(n_0)$ vera) e passo induttivo ($P(n)\Rightarrow P(n+1)$).

  • Nel passo induttivo si parte da un membro di $P(n+1)$, si usa l'ipotesi induttiva e si arriva all'altro membro.

  • Per la divisibilità si scrive l'espressione per $n+1$ come espressione per $n$ più un multiplo del divisore.

  • Per le ricorrenze: prima i primi termini e la congettura, poi la dimostrazione; con due termini precedenti servono due passi base.

  • Il passo base può partire da un $n_0>1$; nelle disuguaglianze attenzione al segno dei fattori.

Vuoi tornare al domino iniziale? Base = la prima tessera cade; passo induttivo = ogni tessera fa cadere la successiva; conclusione = cadono tutte.

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