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数学归纳法的案例
有一天,一位老师给十年级的学生布置了以下家庭作业:
尝试用数学归纳法证明对于任意自然数n不等式成立
Pn=2⋅4⋅6…2n1⋅3⋅5…(2n−1)<n+11.
Kolya V. 在家里找到了以下解决方案;
a) 对于n=1,不等式成立,因为
P1=21<21.
- 让我们证明不等式 Pn+1<n+21 的有效性源自条件 Pn<n+11。要做到这一点就足以表明
PnPn+1<n+2n+1,
或者
2n+22n+1<n+2n+1,
或者
(2n+1)2(n+2)<4(n+1)3.
或者
4n3+12n2+9n+2<4n3+12n2+12n+4,
或者
0<3n+2,
这显然是正确的。因此,从数学归纳原理可以得出一个相当可证明的不等式。
然而,在学校讲述这个解决方案时,Kolya 忘记在分母中加上一个,并开始证明一个更“严重”的不平等:
Pn<n1.
这是他得到的:
a) 对于n=1,不等式成立,因为
P1=21<11.
- 让我们证明条件 Pn<n1 蕴涵 Pn+1<n+11。要做到这一点就足以表明
PnPn+1<n+1n,
或者
2n+22n+1<n+1n,
或者
(2n+1)2(n+2)<4(n+1)3n,
或者
4n3+12n2+9n+2<4n3+12n2+12n+4,
或者
0<3n+2,
这显然是正确的。因此,从数学归纳原理可以得出一个相当可证明的不等式。
对于那些理解这个问题的人,我们建议证明两个不等式:
- Pn<3,1n1.
有趣的是,在这个不等式中,系数 3.1 不能用 3.2 代替。保持正确的最大系数是 π(周长与直径的比率)。
- 231+331+⋯+n31<41.