Квант
Основные статьи

Случай с методом математической индукции

Николаев Е. Г.

37

Случай с методом математической индукции

Однажды учитель задал ученикам 10-го класса на дом следующую задачу:

Доказать, попытясь методом математической индукции, что при любом натуральном nn верно неравенство

Pn=1⋅3⋅5…(2n−1)2⋅4⋅6…2n<1n+1.P_n = \frac{1 \cdot 3 \cdot 5 \dots (2n-1)}{2 \cdot 4 \cdot 6 \dots 2n} < \frac{1}{\sqrt{n+1}}.

Коля В. нашел дома следующее решение;

a) При n=1n = 1 неравенство верно, так как

P1=12<12.P_1 = \frac{1}{2} < \frac{1}{\sqrt{2}}.

  1. Покажем, что из условия Pn<1n+1P_n < \frac{1}{\sqrt{n+1}} вытекает справедливость неравенства Pn+1<1n+2P_{n+1} < \frac{1}{\sqrt{n+2}}. Для этого достаточно показать, что

Pn+1Pn<n+1n+2,\frac{P_{n+1}}{P_n} < \frac{\sqrt{n+1}}{\sqrt{n+2}},

или

2n+12n+2<n+1n+2,\frac{2n+1}{2n+2} < \sqrt{\frac{n+1}{n+2}},

или

(2n+1)2(n+2)<4(n+1)3.(2n+1)^2(n+2) < 4(n+1)^3.

или

4n3+12n2+9n+2<4n3+12n2+12n+4,4n^3 + 12n^2 + 9n + 2 < 4n^3 + 12n^2 + 12n + 4,

или

0<3n+2,0 < 3n + 2,

что, очевидно, верно. Таким образом, справедливо доказываемого неравенства следует из принципи математической индукции.

Однако, рассказывая в школе это решение, Коля забил поставить в знаменателье единицу и стал доказывать более «грубое» неравенство:

Pn<1n.P_n < \frac{1}{\sqrt{n}}.

Вот что у него получилось:

a) При n=1n = 1 неравенство верно, так как

P1=12<11.P_1 = \frac{1}{2} < \frac{1}{1}.

  1. Покажем, что из условия Pn<1nP_n < \frac{1}{\sqrt{n}} следует Pn+1<1n+1P_{n+1} < \frac{1}{\sqrt{n+1}}. Для этого достаточно показать, что

Pn+1Pn<nn+1,\frac{P_{n+1}}{P_n} < \frac{\sqrt{n}}{\sqrt{n+1}},

или

2n+12n+2<nn+1,\frac{2n+1}{2n+2} < \sqrt{\frac{n}{n+1}},

или

(2n+1)2(n+2)<4(n+1)3n,(2n+1)^2(n+2) < 4(n+1)^3n,

или

4n3+12n2+9n+2<4n3+12n2+12n+4,4n^3 + 12n^2 + 9n + 2 < 4n^3 + 12n^2 + 12n + 4,

или

0<3n+2,0 < 3n + 2,

что, очевидно, верно. Таким образом, справедливо доказываемого неравенства следует из принципи математической индукции.

Разобравшимся в этом вопросе предлагаем доказать два неравенства:

  1. Pn<13,1nP_n < \frac{1}{\sqrt{3,1n}}.

Интересно, что в этом неравенстве коэффициент 3,1 нельзя заменить на 3,2. Самый большой коэффициент, при котором оно остается верным, равен π (отношение длинны окружности к диаметру).

  1. 123+133+⋯+1n3<14\frac{1}{2^3} + \frac{1}{3^3} + \dots + \frac{1}{n^3} < \frac{1}{4}.