Доведення нерівностей методом математичної індукції
Метод математичної індукції ґрунтується на принципі математичної індукції, що формулюється так: деяке твердження істинне для будь-якого натурального
, якщо:
1) воно істинне для ;
2) з того, що істинне для довільного натурального
випливає, що воно істинне для наступного натурального числа
.
Сформульований принцип належить до аксіом натуральних чисел.
Кожне доведення методом математичної індукції передбачає реалізацію трьох етапів: на першому показуємо, що істинним є твердження ; на другому припускаємо, що істинним є твердження
і, виходячи з цього, доводимо, що істинним є твердження
. Виконані міркування дозволяють стверджувати, що твердження
істинне для будь-якого натурального
. Відповідний висновок є третім етапом і завершує доведення.
Іноді використовують узагальнений принцип математичної індукції: твердження істинне для будь-якого натурального
, якщо воно вірне для натурального числа
і з того, що
істинне для довільного натурального
випливає, що воно істинне для наступного натурального числа
.
Описаний метод широко використовується при обґрунтуванні різних математичних тверджень, зокрема при доведенні нерівностей. Розглянемо це на прикладах.
Задача 1.6.1. Довести, що для довільних та натурального числа
виконується нерівність
.
Доведення. Очевидно, що при виконується рівність, тому дане твердження вірне. Нехай воно істинне при деякому натуральному числі
, тобто вірно, що
. Користуючись цим припущенням, покажемо, що вірною є також нерівність
. Оскільки ліва частина, згідно з припущенням, обмежена виразом
,
то для доведення достатньо показати, що
. Для цього розглянемо різницю
.
Одержаний вираз при завжди від’ємний або дорівнює 0 (при
, тому
. Згідно з принципом математичної індукції вірною є також початкова нерівність
.
Задача 1.6.2. Довести, що для довільного натурального числа виконується нерівність
.
Доведення. При отримуємо нерівність
, яка вірна. Нехай вона вірна при деякому натуральному числі
, тобто виконується нерівність
. Користуючись цим припущенням, покажемо, що вірною є також нерівність
. Дістаємо
.
Перший доданок одержаного виразу додатний за індуктивним припущенням. Оцінимо суму інших доданків, тобто вираз . Функція
має похідну
та екстремуми у точках
, і, очевидно, зростає на проміжку
. Переконавшись, що
, можемо стверджувати, що при
виконується нерівність
. Посилання на принцип математичної індукції завершує доведення.
Задача 1.6.3. Довести, що для всіх натуральних
.
Розв’язання. При отримуємо нерівність
, яка вірна. Нехай вона вірна при деякому натуральному числі
, тобто виконується нерівність
. Користуючись цим припущенням, покажемо, що вірною є також нерівність
. Маємо
,
оскільки при
. На основі принципу математичної індукції стверджуємо, що задана в умові нерівність вірна.
Задача 1.6.4. Довести, що для довільного натурального числа виконується нерівність
.
Доведення. При отримуємо вірну нерівність
. Нехай вона вірна при деякому натуральному числі
, тобто нехай виконується нерівність
.
Використовуючи це припущення, покажемо, що вірною є також нерівність
.
Очевидно, що , де
. Вираз
являє собою суму
дробів, кожний з яких більший, ніж
. Отже,
.
Таким чином, (за припущенням) і
. Тому
, тобто
. На основі принципу математичної індукції стверджуємо що задана в умові нерівність виконується для довільного натурального числа
.
Задача 1.6.5. Довести, що для довільного натурального числа та для довільних дійсних чисел
виконується нерівність
.
Доведення. При нерівність
вірна. Справді, вона вірна у випадку, коли одне з чисел (або обидва) рівні 0. У випадку, коли обидва числа додатні або обидва від’ємні, виконується знак рівності. Якщо ж числа різних знаків, то дістаємо строгу нерівність. Можливі і інші доведення цього факту, наприклад, аналітичним методом або методом доведення від супротивного.
Нехай нерівність вірна при деякому натуральному , тобто виконується співвідношення
. Тоді
,
що, згідно з принципом математичної індукції, завершує доведення.
Задача 1.6.6. Довести, що для при всіх натуральних
виконується нерівність
(нерівність Бернуллі).
Доведення. При виконується знак рівності, тому твердження вірне. Нехай виконується нерівність
. Тоді
і, відповідно до принципу математичної індукції, нерівність вірна.
Задача 1.6.7. Довести методом математичної індукції, що при
.
Доведення. При отримуємо вірну числову нерівність
. Припустимо, що вірна нерівність
і покажемо, що
.
Із припущення маємо . Покажемо, що
. Аналізуючи різницю квадратів лівої та правої частин, дістаємо
, що доводить потрібне твердження. Отже, відповідно до принципу математичної індукції, нерівність доведена.
Задача 1.6.8. Довести, що для всіх натуральних
.
Доведення. При отримуємо вірну числову нерівність
. Нехай виконується нерівність
. Покажемо, що звідси випливає вірність співвідношення
. Маємо
.
Одержаний вираз додатний при . Таким чином із припущення, що нерівність вірна при
випливає, що вона вірна при
. Згідно з принципом математичної індукції нерівність виконується при довільному натуральному
.