Aula 7 inducao matematica-primeiroprincipio

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Aula 7 inducao matematica-primeiroprincipio

  1. 1. Curso: Ciência da Computação Turma: 3º Semestre Matemática Discreta Aula 7 Indução Matemática
  2. 2. Notas de Aula✔ O conteúdo da aula de hoje está no capítulo 3 do livro do Gersting.✔ Avaliação dia 08 de Abril. 2/19 Matemática Discreta
  3. 3. Princípio da Indução MatemáticaExiste uma última técnica de demonstração que se aplica a determinadas situações. Para ilustrar o uso desta técnica, imagine que você está subindo em uma escada sem fim. Como você pode saber se será capaz de alcançar um degrau arbitrariamente alto?Suponha que você faça as seguintes afirmações sobre as suas habilidades de subir escadas: 1. Você pode alcançar o primeiro degrau. 2. Se você alcançar um degrau, você pode sempre passar ao degrau seguinte. (Note que esta asserção é uma implicação.)Tanto a sentença 1 como a implicação na sentença 2 são verdadeiras; então, pela sentença 1 você pode chegar ao primeiro degrau e pela sentença 2 você pode chegar ao segundo; novamente pela 2 você pode chegar ao terceiro; pela sentença 2 novamente você pode chegar ao quarto degrau, e assim sucessivamente. Você pode, então, subir tão alto quanto você queira. Neste caso, ambas as asserções são necessárias. Se apenas a sentença 1 é verdadeira, você não tem garantias de que poderá ir além do primeiro degrau, e se apenas a segunda sentença é verdadeira, você poderá não chegar ao primeiro degrau a fim de iniciar o processo de subida da escada. 3/19 Matemática Discreta
  4. 4. Princípio da Indução MatemáticaVamos assumir que os degraus da escada são numerados com os números inteiros positivos — 1, 2, 3, e assim por diante.Agora vamos considerar uma propriedade específica que um número pode ter. Ao invés de "alcançarmos um degrau arbitrário" podemos mencionar que um inteiro positivo arbitrário tem essa propriedade. Usaremos a notação simplificada P(n) para denotar que o inteiro positivo n tem a propriedade P. Como podemos usar a técnica de subir escadas para provar que para todos inteiros positivos n nós temos P(n)?As duas afirmações de que precisamos para a demonstração são:1. P(l) (1 tem a propriedade P.)2.Para qualquer inteiro positivo k, P(k) → P(k+1) (Se algum número tem a propriedade P, então o número seguinte também a tem.)Se pudermos demonstrar as sentenças 1 e 2, então P(n) vale para qualquer inteiro positivo n, da mesma maneira que nós podemos subir até um degrau arbitrário na escada. 4/19 Matemática Discreta
  5. 5. Princípio da Indução MatemáticaO fundamento deste tipo de argumentação é chamado princípio de indução matemática, que pode ser enunciado como:1. P(1) verdadeira2. qualquer n P(n) é verdadeira → P(n+1) é verdadeiraP(n) verdadeira para todos os n inteiros positivosO princípio da indução matemática é uma implicação. A tese desta implicação é uma sentença da forma – "P(n) é verdadeira para todos os n inteiros positivos".Portanto, sempre que desejamos demonstrar que alguma propriedade é válida para todo inteiro positivo n, uma tentativa é o uso da indução matemática como técnica de demonstração. 5/19 Matemática Discreta
  6. 6. Princípio da Indução MatemáticaPara averiguarmos que a tese desta implicação é verdadeira, mostramos que as duas hipóteses, ou seja, as afirmações 1 e 2 são verdadeiras.Para demonstrar a afirmação 1, precisamos apenas mostrar que a propriedade P vale para o número 1, o que é normalmente uma tarefa trivial.Para demonstrar a afirmação 2, uma implicação que deve valer para todo k, assumimos que P(k) é verdadeira para um inteiro arbitrário k, e baseados nesta hipótese mostramos que P(k + 1) é verdadeira. Você deve convencer a si próprio que assumir a propriedade P como válida para o número k não é a mesma coisa que assumir o que desejamos demonstrar (uma frequente fonte de confusão, quando nos deparamos pela primeira vez com este tipo de demonstração).Assumi-la como verdadeira é simplesmente o caminho para elaborar a prova de que a implicação é verdadeira. 6/19 Matemática Discreta
  7. 7. Demonstrações IndutivasSuponha que o Sr. Silva casou-se e teve dois filhos. Vamos chamar estes dois filhos de geração 1. Agora suponha que cada um desses dois filhos teve dois filhos; então na geração 2 temos quatro descendentes. Este processo continua de geração em geração. A árvore genealógica da família Silva é semelhante à: 7/19 Matemática Discreta
  8. 8. Demonstrações IndutivasAparentemente a geração n tem 2n descendentes. De maneira mais formal, se fizermos P(n) denotar o número de descendentes na geração n, então nossa suposição será P(n) = 2nPodemos usar a indução para demonstrar que nosso palpite para P(n) está correto.A base da indução é estabelecer P(1), que resulta a equação: P(1) = 21 = 2Que é verdadeira, posto que foi informado que o Sr. Silva tinha dois filhos. Agora vamos supor que nossa premissa é verdadeira para uma geração arbitrária k, ou seja, assumimos que: P(k) = 2ke tentaremos mostrar que: P(k+1) = 2k+1Nesta família, cada descendente tem dois filhos; então o número de descendentes na geração k + 1 será o dobro do da geração índice k, ou seja, P(k + 1) = 2P(k). Pela hipótese de indução, P(k) = 2k, logo P(k+ 1) = 2 P(k) = 2(2k) = 2k+1então, de fato, P(k+1) = 2k+1Isto completa a nossa demonstração por indução. Agora que sabemos como resolver o problema simples do clã dos Silva, podemos aplicar a técnica de demonstração por indução em problemas menos óbvios. 8/19 Matemática Discreta
  9. 9. Exemplo 1Prove que a equação(1) 1 + 3 + 5 +...+ ( 2 n - 1 ) = n 2(1) é verdadeira para qualquer inteiro positivo n. Neste caso, a propriedade P(n) é que a equação (1) acima é verdadeira. O lado esquerdo desta equação é a soma de todos os inteiros ímpares de l até 2n — 1. Ainda que possamos verificar que a equação é verdadeira para um particular valor de n pela substituição deste valor na equação, nós não podemos substituir todos os possíveis valores inteiros positivos. Por isso, uma demonstração por exemplos não funciona. É mais apropriada uma demonstração por indução matemática.O passo básico é estabelecer P(1), que é o valor da equação (1) quando n assume o valor 1, ou seja:1 = 12Isto certamente é verdadeiro. Para a hipótese de indução, vamos assumir P{k) como verdadeira para um inteiro positivo arbitrário k, que é o valor da equação (1) quando n vale k, ou seja(2) 1 + 3 + 5 + ... + (2k-1) = k 2(Note que P(k) não é a equação (2k— 1) = k2 que só é verdadeira quando k = 1.) Usando a hipótese de indução, queremos mostrar P(k + 1) que é o valor da equação (1) quando n assume o valor k + 1, ou seja:(3) 1 + 3 + 5 + ... + [2(k + 1) - 1] = (k - 1) 2 9/19 Matemática Discreta
  10. 10. Exemplo 1Prove que a equação(1) 1 + 3 + 5 +...+ ( 2 n - 1 ) = n 2(2) 1 + 3 + 5 + ... + (2k-1) = k 2(3) 1 + 3 + 5 + ... + [2(k + 1) - 1] = (k - 1) 2(O pequeno ponto de interrogação sobre o sinal de igualdade serve para nos lembrar que é este fato que desejamos provar, a partir de um outro fato já conhecido.)A chave para uma demonstração por indução é encontrar uma forma de relacionar o que se deseja mostrar — P(k + 1), equação (3) — com o que assumimos como verdadeiro — P(k), equação (2). O lado esquerdo de P(k + 1 ) pode ser reescrito a fim de destacar o penúltimo termo:1 + 3 + 5 + - + (2k - 1) + [2(k + 1) – 1]Esta expressão contém do lado esquerdo a equação (2) como sub-expressão. Como assumimos que P(k) é verdadeira, podemos substituir esta expressão pelo lado direito da equação (2). Senão vejamos:1 + 3 + 5 + - + [2(k+1) - 1]= 1 + 3 + 5 +...+ (2k - 1) + [2(k+1) - 1]= k2+ [2(k+1) -1 ]= k2 + [2k + 2 - 1]= k2 + 2k + 1= (k + 1)2Portanto1 + 3 + 5 + ....+ [2(k + 1) - 1] = (k + 1) 2o que verifica P(k + 1) e prova que a equação (1) é verdadeira para qualquer inteiro positivo n. 10/19 Matemática Discreta
  11. 11. Exemplo 2Prove que 1 + 2 + 22 + ... + 2n = 2n+1 – 1 para qualquer n > 1.Aqui, novamente, a indução é a técnica mais apropriada. P(1) é a equação1 + 2 = 21 + 1 - 1 ou 3 = 22 – 1 que é verdadeira.Consideremos agoraP(k) → 1 + 2 + 22 + ... + 2k = 2k + 1 - 1como a hipótese de indução, e busquemos obterP(k+1) → → 1 + 2 + 22 + ... + 2k + 2(k+1)= 2k + 1+1 - 1Agora, se reescrevermos a soma do lado esquerdo de P(k+ 1), obtemos uma forma de usar a hipótese de indução:1 + 2 + 22 + ...+ 2k+1= 1 + 2 + 22 +...+ 2k + 2k+1= 2k+1 - 1 + 2k+1 (da hipótese de indução P(k))= 2(2k+1)- 1= 2k+1+1 - 1Portanto1 + 2 + 22 + ... + 2k+1 = 2k+1 + 1 – 1 que verifica P(k+1) e completa a demonstração. 11/19 Matemática Discreta
  12. 12. ExercícioProve que para qualquer inteiro positivo n,1+2+3+...+n = n(n+1)/210 minutos !!! 12/19 Matemática Discreta
  13. 13. Exemplo 3Demonstre que, para qualquer inteiro positivo n, 2 n > n.P(1) é a sentença 21 > 1 que é, sem dúvida, verdadeira.Suponhamos agora P(k), 2k > k, como verdadeira, e procuremos concluir a partir daí P(k+1), 2 k + 1 > k + 1.Começando pelo lado esquerdo de P(k+ 1), temos que:2k+1 = 2k * 2.Usando a hipótese de indução 2k> k e multiplicando ambos os lados dessa desigualdade por 2, temos2k * 2 > k *2 Podemos escrever então que:2k+1 = 2k * 2 > k * 2 = k + k >= k + 1o que resulta em2k+1 > k + 1 13/19 Matemática Discreta
  14. 14. Exemplo 4Prove que, para qualquer inteiro positivo n, o número 22n - 1 é divisível por 3.A base da indução é mostrar P(1), ou seja, mostrar que 22(1) - 1 = 4 - 1 = 3 é divisível por 3, o que obviamente é verdadeiro.Assumimos que 22k - 1 é divisível por 3, o que equivale a escrever 22k 1 = 3m para algum inteiro m, ou 22k = 3m + 1. Desejamos mostrar que 22(k+1) - 1 é divisível por 3.22(K+1) – 1 = 22k+2 – 1 = 22k * 22 – 1 = (3m+1)*4 – 1 (pela hipótese de indução) = 12m + 4 – 1 = 12m + 3 = 3*4m + 3 = 3(1+4m)Logo 22(k+1) - 1 é divisível por 3.Em alguns casos, pode ser que, para o primeiro passo do processo de indução, seja mais apropriado começar com valores 0, 2, ou 3, ao invés de 1. O mesmo princípio se aplica, qualquer que seja o degrau da escada que você alcance no primeiro passo. 14/19 Matemática Discreta
  15. 15. Exemplo 5Prove que n2 > 3n para n>=4Neste exemplo devemos aplicar a indução e começar com um passo inicial P(4). (Se testarmos para valores de n = 1, 2 e 3, verificaremos que a desigualdade não se verifica.) P(A) é então a desigualdade 42 > 3(4), ou 16 > 12, que é verdadeira.A hipótese de indução é k2 > 3k , para k > 4, e queremos mostrar que (k+ 1)2 > 3(k+1).(k+1)2 = k2 + 2k + 1 > 3k + 2k + 1 >= 3k + 8 + 1 (já que k >=4) > 3k + 3 = 3(k+1) 15/19 Matemática Discreta
  16. 16. Exemplo 6Uma linguagem de programação pode ser projetada com as seguintes convenções no que se refere à multiplicação.Um fator simples não requer parênteses, mas o produto "o vezes b" deve ser escrito como (a)b. Desejamos mostrar que qualquer produto de fatores precisa de um número par de parênteses para ser escrito. A prova é feita por indução, considerando-se como variável o número de fatores. Para um único fator usa-se 0 (zero) parêntese, um número par. Suponhamos que para qualquer produto de k fatores, usamos um número par de parênteses. Consideremos agora o produto P de k+1 fatores. P pode ser escrito na forma r vezes s, onde r tem k fatores e s é um fator único. Pela hipótese de indução, r tem um número par de parênteses. Então pode-se escrever r vezes s como (r)s, adicionando-se mais dois parênteses ao número par de parênteses em r, e resultando assim um número par de parênteses para P.É possível se enganar ao construir uma prova por indução. Quando demonstramos que P(k+ 1) é verdadeira, sem nos valermos da hipótese P(k), nós elaboramos uma prova direta de P(k+1), onde k+1 é arbitrário.A prova deveria ser reescrita para explicitar que é uma prova direta de P(n) para qualquer n, e não uma prova por indução. 16/19 Matemática Discreta
  17. 17. ExercíciosUse indução matemática para provar as igualdades abaixo:1. 2+6+10+...+(4n-2) = 2n22. 2+4+6+...+2n = n(n+1)3. 1+5+9+...+(4n-3) = n(2n-1)4. 1.3+2.4+3.5+...+n(n+2) = n(n+1)(2n+7)/65. n2 > n + 1 para n>=26. n! < nn para n >=27. n3 + 2n é divisível por 38. Uma pitoresca tribo nativa tem apenas três palavras na sua língua, cuco, cuca e caco. Novas palavras são compostas pela concatenação destas palavras em qualquer ordem, por exemplo cucacucocacocuca. Use a indução completa (para o número de subpalavras na palavra) para provar que qualquer palavra nesta língua tem um número par de c s 17/19 Matemática Discreta
  18. 18. ExercícioProve que para qualquer inteiro positivo n,1+2+3+...+n = n(n+1)/2Para n = 1 temos → 1 = 1(1+1)/2 → 1 = 2/2 OKAssumimos para n → 1+2+3+...+n = n(n+1)/2Precisamos demonstrar para n+11+2+3+...+n+(n+1) = (n+1)(n+1+1)/2 = (n+1)(n+2)/2 = [n 2 +2n +n + 2]/2 == [n2 +3n+2]/2Pegando o lado esquerdo da equação e desenvolvendo:1+2+3+...+n+(n+1) = n(n+1)/2 + n+1 (substitui a parte grifada pela hipótese da indução.[n(n+1) +2(n+1)]/2 = [n(n+1) + 2(n+1)]/2 = [n2 + n +2n + 2]/2 = [n2 + 3n + 2]/2 18/19 Matemática Discreta
  19. 19. Lista de Exercícios1.Em um grupo de 42 turistas, todos falam inglês ou francês; existem 35 pessoas que falam inglês e 18 pessoas que falam francês. Quantas falam inglês e francês?2.Dentre 214 clientes de um banco com contas-correntes, caderneta de poupança ou aplicações financeiras, 189 têm contas-correntes, 73 têm cadernetas de poupanças regulares, 114 têm aplicações no mercado financeiro e 69 têm contas-correntes e cadernetas de poupança. Não é possível ter caderneta de poupança e investir no mercado financeiro. 1.Quantos clientes têm, ao mesmo tempo, conta-corrente e aplicações no mercado financeiro? 2.Quantos clientes têm apenas conta-corrente?3. Você está desenvolvendo um novo sabonete e contratou uma empresa de pesquisa de opinião pública para realizar uma pesquisa de mercado para você. A empresa constatou que, em sua pesquisa de 450 consumidores, os fatores a seguir foram considerados relevantes na decisão de compra de um sabonete: Perfume 425 Fácil produção de espuma 397 Ingredientes naturais 340 Perfume e fácil produção de espuma 284 Perfume e ingredientes naturais 315 Fácil produção de espuma e ingredientes naturais 219 Todos os três fatores 147 Você confiaria nesses resultados? Justifique.4. Quantas cartas precisam ser tiradas de um baralho convencional de 52 cartas para garantirem que tiraremos duas cartas do mesmo naipe?5. Prove que se quatro números são escolhidos do conjunto {1, 2, 3, 4, 5, 6}, pelo menos um par precisa somar 7. (Dica: Encontre todos os pares de números do conjunto que somem 7.) 19/19 Matemática Discreta

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