Квант

9

Л. Цинман

«Парадокс исследователь»

При доказательстве утверждения методом математической индукции инота возникает необходимая ситуация. Проиллюстрируем ее на двух примерах.

Пример 1

Докажем методом математической индукции, что для всех натуральных nn справедливо следующее утверждение: сумма кубов первых nn натуральных чисел есть квадрат некомороо натурального числа.

Обозначим это утверждение через A(n)A(n). Доказательства методом математической индукции проводятся, как известно, в два этапа.

a) Базис идукции: A(1)A(1). Убеждаемся в справедливости A(1)A(1):
13=12.1^3 = 1^2.
6) Иndукции шаг: A(k)⇒A(k+1)A(k) \Rightarrow A(k+1). Предположим, что для неокоторого натурального числа kk справедливо утверждение A(k)A(k), и докажем, что тогда справедливо и A(k+1)A(k+1). Итак, путь нашлось такое натуральное число pp, для которого
13+23+…+k3=p2.1^3 + 2^3 + \ldots + k^3 = p^2. (1)
Докажем, что тогда существует такое натуральное число qq, для которого
13+23+…+k3+(k+1)3=q2.1^3 + 2^3 + \ldots + k^3 + (k+1)^3 = q^2. (2)
Из (2) и (1) следует, что нам надо доказать существование такого qq, для которого
(k+1)3=q2−p2.(k+1)^3 = q^2 - p^2. (3)

Но как это можно было бы доказать? Естественно пути доказательства не видно.

Итак, попытка доказать нашей утверждение неосредственным применением метода математической индукции наолкнулась на трудности при проведении индукционного шага.

Вернемся снова к рассмотрению A(n)A(n) и проверим его справедливость для нескольких начальных значений nn:
13=12;1^3 = 1^2;
13+23=32;1^3 + 2^3 = 3^2;
13+23+32=62;1^3 + 2^3 + 3^2 = 6^2;
13+23+33+43=102;1^3 + 2^3 + 3^3 + 4^3 = 10^2;
13+23+33+43+53=152.1^3 + 2^3 + 3^3 + 4^3 + 5^3 = 15^2.

Присмотревшись к этим равенствам, приходим к гипотезе: для всех натуральных nn справедливо утверждение: сумма кубов первых nn натуральных чисел есть квадрат натурального числа, равное сумме этих чисел.

Обозначим это утверждение через B(n)B(n). Конечно, B(n)B(n) несет в себе больше информации, чем A(n)A(n), и потому его естественно считать более сильным утверждением. Доказав B(n)B(n), мы получим справедливость A(n)A(n) в качестве очевидного следствия.

Попробуем теперь применить метод математической индукции к доказательству усиленного утверждения.

a) Справедливость B(1)B(1) фактически уже установлена:
13=12.1^3 = 1^2.
6) Допустим, что для неокоторого натурального числа kk справедливо B(k)B(k):
13+23+…+k3=(1+2+…+k)2.1^3 + 2^3 + \ldots + k^3 = (1 + 2 + \ldots + k)^2. (4)
Докажем, что тогда справедливо и B(k+1)B(k+1):
13+23+…+k3+(k+1)3=(1+2+…+k+k+1)2.1^3 + 2^3 + \ldots + k^3 + (k+1)^3 = (1 + 2 + \ldots + k + k + 1)^2. (5)

10

Использовая равенство (4), можно свести доказательство равенства (5) к доказательству равенства
(k+1)3=(1+2+…+k+k+1)2−(1+2+…+k)2−[(k+2)(k+1)2]2−[(k+1)k2]2=(k+1)3.(k+1)^3 = (1+2+\ldots+k+k+1)^2 - (1+2+\ldots+k)^2 - \left[ \frac{(k+2)(k+1)}{2} \right]^2 - \left[ \frac{(k+1)k}{2} \right]^2 = (k+1)^3.

Преобразуем правило частей равенства (6):
(1+2+…+k+k+1)2−(1+2+…+k)2=[(k+2)(k+1)2]2−[(k+1)k2]2=(k+1)3.(1+2+\ldots+k+k+1)^2 - (1+2+\ldots+k)^2 = \left[ \frac{(k+2)(k+1)}{2} \right]^2 - \left[ \frac{(k+1)k}{2} \right]^2 = (k+1)^3.

Итак, равенство (6) устанавливает. Тем самым для всех nn доказано B(n)B(n), а значит, и A(n)A(n).

Пример 2 *)
Однажды учитель задал ученикам на дом такую задачу: доказать, попытясь методом математической индукции, что для любого натурального числа nn верно равенство A(n)A(n):
1⋅3⋅5⋅…⋅(2n−1)2⋅4⋅6⋅…⋅2n<1n.\frac{1 \cdot 3 \cdot 5 \cdot \ldots \cdot (2n-1)}{2 \cdot 4 \cdot 6 \cdot \ldots \cdot 2n} < \frac{1}{\sqrt{n}}.

Коля В., садясь дома за доказательство этого равенства, случайно переписал условия равенства с ошибкой, добавив в знаменатель 1. Таким образом, он принял за доказательство более сильного равенства B(n)B(n):
1⋅3⋅5⋅…⋅(2n−1)2⋅4⋅6⋅…⋅2n<1n+1.\frac{1 \cdot 3 \cdot 5 \cdot \ldots \cdot (2n-1)}{2 \cdot 4 \cdot 6 \cdot \ldots \cdot 2n} < \frac{1}{\sqrt{n+1}}.

Вот его доказательство.
a) Убеждаемся в справедливости B(1)B(1):
12<12.\frac{1}{2} < \frac{1}{\sqrt{2}}.
6) Покажем, что из справедливости B(k)B(k) для некоторого натурального kk
1⋅3⋅5⋅…⋅(2k−1)2⋅4⋅6⋅…⋅2k<1k+1\frac{1 \cdot 3 \cdot 5 \cdot \ldots \cdot (2k-1)}{2 \cdot 4 \cdot 6 \cdot \ldots \cdot 2k} < \frac{1}{\sqrt{k+1}}
следует справедливо этого равенства и для k+1k+1:
1⋅3⋅5⋅…⋅(2k−1)(2k+1)2⋅4⋅6⋅…⋅2k<1k+1\frac{1 \cdot 3 \cdot 5 \cdot \ldots \cdot (2k-1)(2k+1)}{2 \cdot 4 \cdot 6 \cdot \ldots \cdot 2k} < \frac{1}{\sqrt{k+1}}
Для этого достаточно доказать, что
2k+12k+2<kk+1.\frac{2k+1}{2k+2} < \frac{\sqrt{k}}{\sqrt{k+1}}.

Но равенство (9) равносильно неверному равенству k+1<0k+1 < 0.

12

рого доказамельства не существует вообщее.

Здесь искусный читатель, возможно, захочет возразить. Позвольте, скажет он, а как же, например, удается показать, что некоторые геометрическая задача на построение не может быть решена с помощью циркуля и линейки? В чем же разница?

А разница в том, что в задачах на построение речь идет не о построениях вообщее, а о построениях molky с помощью циркуля и линейки. Таким образом, мы точно формулируем средства, которые собираемся использовать для решения. А в таком случае появляется возможность как-то описать класс задач, которые решаются этим средствами. Поэтому, когда нам предлагют конкретную задачу на построение, мы можем попытаться установить, принадлежит она этому классу или нет.

На рубеже XIX и XX веков был предложен такой способ построения математики, который позволяет получить доказательства в поле течно. Различные доказательства при этом способе в виде формальных систем.

Здесь мы не будем пытаемся точно обьясить, что такое формальная система. Скажем только, что в формальных системах содержательные математические утверждения записьвали в виде формул, которые строятся по точным правилам. Формула называется доказуемой, если она может быть выведена из аксиом (аксиомы — это заранее фиксированные исходные формулы) за конечное число шагов с помощью фиксированных заранее правил вывода. Это и есть упомянутое уточнение понятия доказательства.

Изучением формальных систем занимается математическая логика *). В этой статье не место писать о ней. Подчерком только, что решение вообщее

*) Школьнику, желающей ему познакомиться с математической логикой, мы рекомендуем книги P. P. Столла «Множества. Логика. Аксиматические теории» (М., «Провесшие», 1968), Э. Мендельсона «Введение в математической логики» (М., «Нayka», 1971) и П. С. Новикова «Элементы математической логики» (М., «Нayka», 1973).

проса о парадоксальных парах, а также многох других более важных вопросов (например, о непротиворечности того или иного раздела математики или о независимости некоторых торговой аксимоны) зачастую возможно после предварительного форматизации.

Teорема

В рамках арифметики натуральных чисел, заданной в виде формальной системы, можно ответить на поставленный выше вопрос. Существует несколько — формальных арифметических систем. Пусть SS — одна из этих систем. Автором статьи получен следующий результат.

Teорема. В системе SS имеются парадоксальные пары.

В пункте 1 определения парадоксальной пары требуется, чтобы A(n)A(n) было оченьным следствием B(n)B(n). Понятие оченьного следствия, естественно, тоже требует уточнения. В доказательстве формулированной теоремы некоторых теорий конкретаная конью и кция B(n)B(n) образует парадоксальную пару с любым м ее членом.

Коньонкиция нескольких утверждения сложно-сочинному предположению, составленному из этих утверждений с помощью союза «и». Таким образом, коньонкиция нескольких утверждений справедлива тогда и только тогда, когда справедливо каждое из этих утверждений. Позому естественному считать, что каждый коньонкия является ее оченьным следствием.

Сформирование теорема показывает, что в форматной арифметической системе действительное можно столкнуть с «парадоксом исследователя». Это надо учитывать и при содержательных расчудениях, использующих метод математической индукции.