лекції по мат.логике / L3-analog-induct

2.6 Iндуктивне означення

Покажемо на прикладi означення арифметичного виразу, як використову¹ться математична iндукцiя для означення певних об'¹ктiв.

ар1) Кожне число чи буква, яка означас число, це арифметичний вираз (база iндуктивного означення);

ар2) Якщо ¹ два арифметичнi вирази (iндуктивне припущення), то з'¹днавши ¨х одним iз знакiв +; ¡; £

знову одержимо арифметичний вираз (iндуктивний перехiд);

ар3) Нiяких iнших арифметичних виразiв, крiм тих, що можуть бути побудованi за допомогою ар1) та ар2), нема¹ (остаточнiсть означення).

Дамо означення добутку n множинкiв a1; a2; : : : ; an, äå n

певна клькiсть.

По-перше, вважа¹мо вiдомим, що таке добуток a1a2 äâîõ

множинкiв база iндуктивного визначення.

Iндуктивне припущення: вважа¹мо вiдомим, що таке добуток a = a1a2 : : : an n множникiв при деякому n ¸ 2.

Iндуктивний перехiд: добуток a1a2 : : : anan+1 n + 1¡го множника визнача¹ться як добуток

Щоб формула (4) лишилася правильною, коли n = 1, вважа¹мо, що добуток одного множиника дорiвю¹ цьому множин-

êó.0 також кiлькiсть кiлькiсть елементiв порожньо¨ множини. Щоб формула (4) лишилася правильною, коли n = 0, ââà-

жа¹мо, що добуток порожньо¨ множини множиникiв дорiвню¹ одиницi.

21

Подiбним чином iндуктивно визнача¹ться сума n доданкiв, де n певна кiлькiсть. Вона визнача¹ться в припущеннi, що

ми зна¹мо, що таке сума двох доданкiв. Отже:

База iндукцi¨: Сума порожньо¨ множини доданкiв дорiвню¹ нулю.

Iндуктивне припущення: Припустимо, ми зна¹мо, що таке сума n доданкiв, де n певна кiлькiсть.

Iндуктивний перехiд: Сума n + 1¡го доданка визнача¹ться як сума двох перший, це сума перших n доданкiв, а другийце останнiй n + 1-й доданок.

За означенням ма¹мо, що сума одного доданка дорiвню¹ цьому доданку.

Iндктивно визнача¹ться n! n-факторiал: 0! = 1, база iндуктивного визначення; (n + 1)! = n!(n + 1):

2.7Софiзми, що грунтуються на некоректному використаннi iндукцi¨

На прикладах софiзмiв покажемо, до чого може привести помилка в iндуктивних мiркуваннях.

Приклад 1. Доведемо, що всi натуральнi числа дорiвнюють одне одному. Дiйсно, нехай при певному n áóäå n = n + 1 (ií-

дуктивне припущення). Добавимо по одиницi до лiво¨ i до право¨ частин припущення (це можна робити за арифметичними правилами) i одержимо правильну рiвнiсть n + 1 = n + 2 (ií-

дуктивний перехiд). Отже ми методом математично¨ iндукцi¨ довели, що всi натуральнi числа дорiвнюють одне одному.

Наведенi мiркування неправильнi, оскiльки в них пропущена база iндукцi¨.

Приклад 2. Доведемо, що очi у будь-яких n кiшок мають

однаковий колiр. Справдi, вiзьмемо одну кiшку (n=1, база iндукцii), в цьому випадку твердження очевидне.

Припустимо, що n кiшок мають один i той же колiр очей

22

(iндуктивне припущення). Далi вiзьмемо n + 1 кiшку i перко-

нахмося, що вони також мають один i той же колiр очей. Для цього ми n + 1 кiшку розташу¹мо в ряд i розглянемо n êiøîê

без першо¨ (вони мають один i той же колiр очей за iндуктивним припущенням) i n кiшок без останньо¨ (вони також мають

один i той же колiр очей за iндуктивним припущенням). Тепер перша кiшка ма¹ той же колiр, що i решта в першому випадку, а остання ма¹ той же колiр, що i решта в другому випадку. Оскiльки решта в першому випадку i решта в другому спiвпадають, то всi кiшки мають один i той же колiр очей.

В наведених мiркуваннях iндуктивний перехiд обгрунтований не для всiх випадкiв: коли n + 1 = 2; то "решта це по-

рожня сукупнiсть, i висновок такий як зроблено, робити не можна.

2.8Приклад використання iндукцi¨ в поетичнiй системi

Наведемо приклад iндуктивного означення в поетичнiй системi. Давньоскандiнавськi поети-спiвцi (скальди), що в XI-XIII столiттi оспiвували битви й походи вiкiнгiв та конунгiв, в сво¨й поетичнiй системi мали так званi кенiнги . iнту¨тивно кенiнг можна уявляти як метафору чи порiвняння, чи нове словосполучення для замiни одного слова. Так, хуртовина списiв ¹ кенiнгом слова битва ; кожна iз словосполучень дерево битви , кущ шолома , роздавач золота ¹ кенiнгом слова `во¨н i слова чоловiк ; словосполучення море возу ¹ кенiнгом слова `земля , а словосполучення вогонь вiйни ¹ кенiнгом словазолото .

Маючи iнту¨тивне уявлення про кенiнги, можна дати ¨х то- чне iндуктивне визначення

1. Словосполучення ¹ кенiнгом певного слова, якщо це так на думку великого скальда (база iндуктивного визначення).

23

2.Якщо дана словосполучення ¹ кенiнгом певного слова, то

âцiй словосполуцi будь-яке слово можна замiнити його кенiнгом i одержати новий кенiнг того ж слова, що i початковий кенiнг (iндуктивний перехiд).

3.Нiяких iнших кенiнгiв, крiм тих, що ¹ кенiнгами по 1 або 2, немах.

Îòæå êîëè

кидальник меча

¹ кенiнг слова

âî¨í ,

à

вогонь битви

¹ кенiнг слова

ìå÷ ,

òî

кидальник вогню битви

¹також кенiнгом слова во¨н . А коли кенiнгом слова битва

¹хуртовина списiв , кенiнгом слова спис ¹ вiдьмак щита , то iз одержаного вище кенiнга кидальник вогню битви для слова во¨н , одержимо для слова во¨н` новий кенiнг:

24

кидальник вогню хуртовини вiдьмакiв мiсяця коня корабельних сара¨в

для слова во¨н .

Якщо Ви умовите товариша назвати Вас великим скальдом, то Ви будете мати право створювати сво¨ канiнги.

3 Áiíîìíi êîåôiöi¹íòè

3.1 Означення, приклади, граничнi випадки

Якщо двочлен (або ще кажуть бiном) a + b пiднести до n-ãî (n ¸ 0) степеня:

розкрити дужки, то ми одержимо суму доданкiв, що мають вигляд arbn¡r з певними коефiцi¹нтами. Кожен такий доданок

ми одержимо, коли iз r дужок виберемо b, а iз решти n ¡r дужок виберемо a i перемножимо ¨х. Таким чином an¡rbr зустрi- неться рiвно стiльки разiв, скiльки ¹ r-елементних пiдмножин

у множинi iз n дужок. Ця кiлькiсть познача¹ться через Cnr.1 Таким чином

(a + b)n = Cn0an + Cn1an¡1b + Cn2an¡2b2 + : : :

+ Cnran¡rbr + : : : + Cnnbn: (6)

Остання формула вiдома пiд назвою "бiном Ньютона".

1На пострадянському просторi i кiлькiсть r¡елементних пiдмножин в n¡елементнiй множинi (¨¨ називають кiлькiсть r¡елементних сполук в n¡елементнiй

множинi) i коефiцi¹нт при an¡rbr в бiномi Ньютона позначають однаково Cnr. В iноземнiй лiтературi тiльки кiлькiсть сполук позначають через Cr

µ n ¶ n, вiдповiдний бiномний коефiцi¹нт познача¹ться через r

25

Формула (6) перепису¹ться з використанням знака § насту-

У формулi (7) перший та останiй доданки (при r = 0 òà r = n) мають (за домовленiстю) наступний вигляд

За тако¨ домовленостi формулу (7) можна записати у виглядi

Прикладами бiнома Ньютона при n = 0; 1; 2; 3 будуть

26

3.2 Формула для бiномних коефiцi¹нтiв

В загальному випадку бiномнi коефiцi¹нти пiдраховуються за формулою

В правiй частинi формули (8) чисельник ма¹ r множникiв

i знаменник також ма¹ r множникiв. Якщо r = 0, то добуток

у чисельнику i добуток у знаменнику мають 0 множникiв, i за домовленiстю про добуток нуля множникiв i чисельник i знаменник дорiвнюють одиницi. Отже формула (8) при r = 0

прийма¹ вигляд

C00 = 1:

ßêùî r > n, то чисельник формули (8) ма¹ нуьовий мно- æíèê. Òîìó Cnr = 0 êîëè

ßêùî r = n, то чисельник формули (8) дорiвню¹ знаменнику i, вiдповiдно,

Cnr = 1 êîëè r = n:

ßêùî 0 · r · n; то за допомогою факторiалiв формула (8) запису¹ться у виглядi

3.3 Доведення формули для бiномних коефiцi¹нтiв методом повно¨ математично¨ iндукцi¨

Формулу (8) доведемо методом математично¨ iндукцi¨. Отже ма¹мо бiнарний предикат P (n; r) Áiíîìíi êîåôiöi¹íòè Cnr ïðè

27

заданих n; r = 0; 1; 2; : : : обчислюються за формулою (8). Пре-

дметною областю для цього предиката (звiдки беруться значе- ння для n; r) ¹ множина натуральних чисел з нулем розши-

рений натуральний ряд. Навiсимо на цей предикат обмежений квантор для всiх r = 0; 1; 2; : : : . Одержимо новий предикат

Q(n) = 8r 2 N [ f0gP (n; r):

Якщо на змiнну квантор не навiшений, то ця предметна змiнна назива¹ться вiльною, а якщо навiшений, то змiнна назива¹ться зв'язаною. Отже предикат Q(n) ì๠îäíó âiëüíó çìiííó. Îò

оцей предикат ми i доведемо при всiх можливих значеннях

n = 0; 1; 2; : : :.

База iндукцi¨ перевiрка формули (8) при n = 0 форму-

ла правильна за домовленюстю про добуток нульово¨ кiлькостi множинкiв.

Iндуктивне припущення нехай вiдомо, що при деякому n ¸ 0 i ïðè âñiõ r ¸ 0 формула (6) правильна, де коефiцi¹нти

Cnr обчислюються за формулою (8).

Iндуктивний перехiд доводимо, що формула (6) лиша¹ться правильною, коли в лiвiй частинi ма¹мо n + 1 множиник,

à êîåôiöi¹íòè Cnr+1 обчислюються за формулою (8). Для доведення пiдносимо a + b äî n + 1-го степеня двома способами.

Один раз пiдносимо так (за формулою (6)) :

(a + b)n+1 = Cn0+1an+1 + Cn1+1anb + : : :

+ Cnr+1an+1¡rbr + : : : + Cnn+1+1bn+1; (10)

а другий так:

(a + b)n+1 = (a + b)n(a + b) =

(Cn0an +: : :+Cnr¡1an¡r+1br¡1 +Cnran¡rbr +: : :+Cnnbn)£(a+b) = Cn0an+1 + : : : + Cnran¡r+1br + : : : + Cnnabn+

Cn0anb + : : : + Cnr¡1an¡r+1br + : : : + Cnnbn+1: (11)

28

Iндуктивний перехiд буде завершено, коли ми доведемо рiвнiсть вiдповiдних коефiцi¹нтiв в формулах (6),(8), тобто лишилося довести, що

Cn0+1 = Cn0; Cnn+1+1 = Cnn; n ¸ 0;

а також

Спiввiдношення (12) назива¹ться рекурентним спiввiдношенням для бiномних коефiцi¹нтiв.

Справдi,

Cn0+1 = Cn0 = 1; Cnn+1+1 = Cnn = 1; n ¸ 0;

за домовленiстю про добуток порожньо¨ кiлькостi множинiв. А при 1 · r · n

= Cnr¡1 + Cnr: (13)

Закiнчивши доведення рекурентного спiввiдношення ми закiнчили доведення формули (8)

3.4 Трикутник Паскаля

Спiввiдношення (12) да¹ ефективний спосiб пiдраховування бiномних коефiцi¹нтiв. Записавши бiномнi коефiцi¹нти в табли-

29

цю (ця таблиця назива¹ться трикутником Паскаля),

бачимо, що крайнi елементи в них таблицях дорiвнюють одиницi, а кожен внутрiшнiй це сума двох верхнiх сусiдiв. n-èé

рядок (n = 0; 1; 2; :::) цi¹¨ таблицi складають бiномнi коефiцi-

¹íòè Cnr. Звернемо увагу, що нумерацiя елементiв послiдовостi елементами розширеного натурального ряду 0,1,2,3, ... ¹ поширеною в математицi практикою.

Випишемо 5 рядкiв трикутника Паскаля (нульовий, перший, другий, третiй та четвертий):

30