Mục lục MỞ ĐẦU 2 1 PHƯƠNG PHÁP QUY NẠP 4 1.1 Nguyên lý quy nạp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.1.1 Suy diễn và quy nạp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.1.2 Một số ví dụ về suy luận quy nạp . . . . . . . . . . . . . . 5 1.1.3 Nguyên lý quy nạp toán học . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 1.2 Phương pháp chứng minh quy nạp . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1.2.1 Các bước trong phương pháp chứng minh quy nạp . . . . . 9 1.2.2 Bước quy nạp được xây dựng trên P(k) . . . . . . . . . . . 12 1.2.3 Bước quy nạp được xây dựng trên P(k+1) . . . . . . . . . 13 1.3 Một số dạng khác của nguyên lý quy nạp toán học . . . . . . . . . 13 1.4 Vận dụng phương pháp quy nạp để giải các bài toán phổ thông . 16 1.4.1 Phương pháp quy nạp trong số học . . . . . . . . . . . . . 16 1.4.2 Phương pháp quy nạp trong đại số . . . . . . . . . . . . . . 23 1.4.3 Phương pháp quy nạp trong giải tích . . . . . . . . . . . . 28 1.4.4 Phương pháp quy nạp trong hình học . . . . . . . . . . . . 35 1.5 Một số bài tập tự giải . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 2 PHƯƠNG PHÁP PHẢN CHỨNG 43 2.1 Phương pháp chứng minh bằng phản chứng . . . . . . . . . . . . . 45 2.1.1 Cơ sở logic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 2.1.2 Mệnh đề phủ định điều cần chứng minh . . . . . . . . . . . 46 2.1.3 Các bước suy luận trong chứng minh phản chứng . . . . . 48 2.2 Vận dụng phương pháp phản chứng để giải các bài toán phổ thông 49 2.2.1 Phương pháp phản chứng trong số học . . . . . . . . . . . 49 2.2.2 Phương pháp phản chứng trong đại số . . . . . . . . . . . . 53 2.2.3 Phương pháp phản chứng trong giải tích . . . . . . . . . . 63 2.2.4 Phương pháp phản chứng trong hình học . . . . . . . . . . 73 2.3 Một số bài tập tự giải . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 Kết luận . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 Tài liệu tham khảo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 1 MỞ ĐẦU Chứng minh là một trong những nét đặc trưng làm cho toán học khác biệt với các môn khoa học khác. Hiểu và vận dụng các phương pháp, kỹ thuật chứng minh là yêu cầu bắt buộc đối với các em học sinh nói chung và đặc biệt là các em học sinh giỏi nói riêng. Có rất nhiều phương pháp và kỹ thuật chứng minh: Từ chứng minh trực tiếp tới chứng minh gián tiếp, từ chứng minh bằng quy nạp tới chứng minh bằng phản chứng, Phép chứng minh phản chứng và phép chứng minh quy nạp đã xuất hiện từ rất lâu và chúng là những phương pháp chứng minh kinh điển, quan trọng nhất của toán học. Chúng ta biết rằng, toán học được xây dựng dựa trên một hệ thống lý thuyết gồm các tiên đề và định nghĩa. Hệ thống lý thuyết này được xây dựng bằng con đường suy diễn. Trong suốt 2000 năm, hình mẫu của phương pháp suy diễn xây dựng các lý thuyết toán học là của nhà hình học cổ Hy Lạp Euclid đưa ra vào thế kỷ III trước công nguyên. Sau Euclid đã xuất hiện các mô hình hình học mới. Tuy nhiên, phép suy diễn không phải là con đường duy nhất của tư duy khoa học, kể cả tư duy toán học. Nhà toán học vĩ đại Euclid đã viết: "Trong thực tế, nhiều tính chất của các số đã biết đều được tìm ra bằng phép quy nạp và được tìm thấy rất lâu trước khi sự đúng đắn của chúng được chứng minh chặt chẽ. Cũng có rất nhiều tính chất quen thuộc với chúng ta nhưng hiện thời chúng ta còn chưa chứng minh được. Chỉ có con đường quan sát và tư duy quy nạp mới có thể dẫn chúng ta đến chân lý." Như vậy chỉ các quan trắc thực tế là con đường chủ yếu dẫn đến những chân lý khoa học mới. Ví dụ như nhà toán học người Mỹ J. Garfulkel đã dùng máy tính điện tử tính toán trên 700 tam giác cụ thể để tìm ra nhiều hệ thức liên hệ mới giữa các yếu tố trong tam giác mà sau đó, ông hay các nhà toán học khác đã chứng minh được tính đúng đắn của một số hệ thức, còn các hệ thức khác hiện nay vẫn được coi là các giả thuyết. Như vậy trong Toán học cũng như trong các ngành khoa học khác, một kết quả mới thường được tìm bằng phép quy nạp, dựa vào nhiều quan trắc, nhận xét. Ở đây ta hiểu quy nạp là quá trình đi từ những cái cụ thể đến những cái tổng quát. 2 MỞ ĐẦU Trong toán học có rất nhiều bài toán nếu chúng ta chứng minh hay giải nó theo một cách thông thường thì không đi tới kết quả, hay những khẳng định toán học dường như rất hiển nhiên nhưng ta không có cách nào để chứng minh. Khi đó phương pháp chứng minh bằng phản chứng là một công cụ đắc lực, quan trọng để ta nghĩ tới. Một ví dụ kinh điển nhất về phép chứng minh phản chứng thuộc về Euclid với phép chứng minh: "Tồn tại vô số số nguyên tố". Euclid đã phủ định điều cần chứng minh tức là "tồn tại hữu hạn số nguyên tố" và từ giả thiết đó sau một loạt các diễn giải, ông suy ra điều mâu thuẫn. Điều mâu thuẫn đó chứng tỏ điều phủ định là sai, khi đó ông khẳng định điều cần chứng minh là đúng. Trong chương trình toán phổ thông, hai phương pháp chứng minh quy nạp và chứng minh phản chứng cũng được đề cập tới. Tuy nhiên sách tham khảo về những vấn đề trên rất ít. Tại các kì thi học sinh giỏi toán cấp quốc gia, quốc tế có rất nhiều bài phải sử dụng tới hai phương pháp này để giải. Khi giải toán không phải lúc nào chúng ta cũng nghĩ tới hai phương pháp đặc biệt trên nên có nhiều học sinh gặp vướng mắc với những bài toán dạng này. Vậy câu hỏi đặt ra là: Phương pháp chứng minh quy nạp và phương pháp chứng minh phản chứng là thế nào? Chúng ta phải vận dụng hai phương pháp đó như thế nào trong việc giải các bài toán? Luận văn " Phương pháp quy nạp và phương pháp phản chứng với các bài toán phổ thông " trình bày một số khái niệm cơ bản, các bước thực hiện trong phương pháp chứng minh quy nạp, chứng minh phản chứng. Từ đó đưa ra các bài toán trong số học, đại số, giải tích, hình học vận dụng hai phương pháp trên để giải. Luận văn gồm hai chương. Chương 1. Phương pháp quy nạp Chương này tác giả trình bày về nguyên lý quy nạp toán học, các bước trong chứng minh quy nạp, một số dạng khác của nguyên lý quy nạp, và vận dụng phương pháp chứng minh quy nạp để giải một số bài toán ở phổ thông. Chương 2. Phương pháp phản chứng Trong chương này tác giả trình bày khái niệm, cơ sở logic, các bước trong chứng minh phản chứng và các bài toán ở chương trình phổ thông vận dụng phương pháp này để giải. 3 Chương 1 PHƯƠNG PHÁP QUY NẠP Toán học được xây dựng trên một tập hợp các tiên đề và định nghĩa. Những tiên đề, định nghĩa này là nền tảng cơ bản cho các định lý. Tất cả các định lý được sáng tạo ra, được chứng minh nhờ sử dụng các tiên đề, định nghĩa hay các định lý được chứng minh trước đó. Ngược lại, lý thuyết ở hầu hết các ngành khoa học khác (ví dụ như định luật Newton về chuyển động trong vật lý ), thường được xây dựng dựa trên kết quả thực nghiệm và có thể không bao giờ được chứng minh là đúng. Các thực nghiệm và quan trắc không đủ để chứng tỏ rằng mệnh đề toán học là đúng. Ví dụ như nhà toán học Fermat (1601 - 1665) dự đoán rằng khi n là một số nguyên lớn hơn 2 thì phương trình x n + y n = z n không có nghiệm nguyên dương. Các nhà toán học đã cố gắng rất nhiều để tìm ra một phản ví dụ (tức là một tập các nghiệm nguyên dương) nhưng đều thất bại. Phải mất hơn ba thế kỷ để tìm lời giải nhưng các nhà toán học vẫn không thành công. Tới năm 1994 nhà toán học người Anh Andrew Wiles đã tìm ra lời giải. Sẽ là một sai lầm nếu như ta kết luận hoặc dự đoán một mệnh đề toán học đúng chỉ đơn thuần bằng thực nghiệm. Ví dụ ta có thể dự đoán rằng n 2 − n + 41 là số nguyên tố với mọi số tự nhiên n. Ta có thể dễ dàng thấy khi n = 1, n 2 −n + 41 = 41 là số nguyên tố, khi n = 2 thì n 2 −n + 41 = 43 là số nguyên tố. Cứ tiếp tục thử nghiệm cho tới khi n = 10 hoặc n = 20 ta cũng không tìm được phản ví dụ. Tuy nhiên dễ thấy rằng mệnh đề là sai, vì khi cho n = 41 thì n 2 − n + 41 = 41 2 không là số nguyên tố. Như vậy những kết quả thực nghiệm là không đủ để đảm bảo tính đúng đắn cho mệnh đề và chúng cũng không thể kiểm tra được mệnh đề trong tất cả các trường hợp. Ví dụ ta dự đoán tổng của n số tự nhiên lẻ đầu tiên là 1 + 3 + 5 + + (2n − 1) = n 2 . Tất nhiên ta dễ dàng kiểm tra được mệnh đề là đúng trong một vài giá trị n đầu tiên (như với 100 số đầu tiên chẳng hạn). Nhưng chúng ta cũng không thể kết luận mệnh đề là đúng. Có thể nó sai ở một vài giá trị nào đó mà ta không biết. Vậy chúng ta phải kiểm 4 Chương 1. PHƯƠNG PHÁP QUY NẠP tra mệnh đề bằng cách nào? Công cụ đắc lực ở đây chính là quy nạp toán học. Trong chương này chúng ta sẽ cùng tìm hiểu về phương pháp quy nạp toán học và những ứng dụng của nó trong giải toán. 1.1 Nguyên lý quy nạp 1.1.1 Suy diễn và quy nạp Trong lao động, học tập và sinh hoạt người ta phải suy luận, đánh giá những hoạt động của mình. Thực tế có hai hướng chính để suy luận và đưa ra kết quả trước một vấn đề cần giải quyết. Những suy luận đó là suy diễn và quy nạp. Suy diễn là quá trình đi từ "tính chất" của tập thể (cái chung) suy ra "tính chất" của cá thể (cái riêng), hay từ quy tắc chung, tổng quát áp dụng vào từng trường hợp cụ thể, riêng lẻ. Ví dụ như ta biết một kết luận chung rằng: " Số tự nhiên mà có tổng các chữ số của nó chia hết cho 3 thì số đó cũng chia hết cho 3 ". Như vậy ta suy ra số 2013 cũng chia hết cho 3 vì nó có tổng các chữ số là 2 + 0 + 1 + 3 = 6 chia hết cho 3. Quy nạp là quá trình đi từ "tính chất" của một số cá thể (cái riêng) suy ra "tính chất" của tập thể (cái chung), hay từ một vài trường hợp cụ thể rút ra kết luận chung, tổng quát. Do đó quá trình này không phải lúc nào cũng đúng. Ví dụ khi quan sát thấy một số kim loại như: sắt, đồng, chì, vàng, bạc, đều có thể rắn, người ta đã quy nạp và rút ra kết luận: " Mọi kim loại đều là chất rắn". Đây là kết luận sai lầm vì thủy ngân là một kim loại nhưng không phải là chất rắn. Phần này ta sẽ nghiên cứu cách suy luận quy nạp thế nào là đúng và áp dụng chính xác những suy luận này để giải các bài toán về số học, đại số, hình học và giải tích trong chương trình phổ thông. 1.1.2 Một số ví dụ về suy luận quy nạp Trước khi đi vào nguyên lý cụ thể ta xét một số ví dụ mà cách giải thực hiện từ trường hợp cụ thể tiến tới tổng quát hóa. Ví dụ 1.1. Chứng minh rằng tổng n số tự nhiên lẻ đầu tiên bằng n 2 . Lời giải. Ta biết rằng số lẻ thứ nhất là 1, số lẻ thứ hai là 3, số lẻ thứ ba là 5, Như vậy số lẻ thứ k là (2k − 1) với k = 1, 2, 3, Ta kí hiệu S(n) là tổng của n số tự nhiên lẻ đầu tiên. 5 Chương 1. PHƯƠNG PHÁP QUY NẠP Ta thấy rằng Với n = 1, S(1) = 1 = 1 2 , kết luận của bài toán đúng. Với n = 2, S(2) = 1 + 3 = 2 2 , kết luận của bài toán đúng. Với n = 3, S(3) = 1 + 3 + 5 = 3 2 , kết luận của bài toán đúng. Ta có thể tiếp tục kiểm tra cho các trường hợp tiếp theo. Nhưng những số lẻ là vô cùng nhiều nên ta không có khả năng kiểm tra hết được từng giá trị. Vậy có cách nào khác không để suy luận từ một số trường hợp mà sẽ đúng với mọi trường hợp? Ta thấy rằng những trường hợp giá trị ở sau đều có thể suy ra kết luận từ giá trị trước bằng mối quan hệ S(n) = S(n − 1) + 2n − 1, (n ≥ 2). Nếu ta đã tính được S(n − 1) = (n −1) 2 thì ta có S(n) = S(n − 1) + 2n −1 = (n − 1) 2 + 2n − 1 = n 2 . Như vậy, cứ số trước đã có kết quả đúng thì số sau cũng đúng. Ta có n = 3 kết luận đúng thì n = 4 kết luận đúng, sau đó n = 5, Suy ra bài toán đúng với mọi giá trị của n. Ví dụ 1.2. Chứng minh rằng với mọi số nguyên đồng (tiền Việt Nam) lớn hơn 6 có thể đổi ra tiền lẻ không dư bằng những đồng tiền gồm những tờ 2 đồng hoặc 5 đồng (1 đồng ở đây bằng 1000 đồng trong thực tế). Lời giải. Đẳng thức sau đây nói lên 7 đồng, 8 đồng thì gồm tờ 2 đồng và 5 đồng như thế nào: 7 = 5 + 2; 8 = 2 + 2 + 2 + 2. Nếu ta thêm vào hai vế của các đẳng thức trên tờ 2 đồng, thì 9 = 7 + 2; 10 = 8 + 2. Tiếp tục thêm 2 đồng vào hai đẳng thức sau cùng, ta có 11 = 9 + 2; 12 = 10 + 2. Ta còn tiếp tục làm được như trên với bất cứ một số nguyên dương nào khác lớn hơn 6. Ta thấy rằng ở bước trước có hai đẳng thức và suy ra bước sau cũng có hai đẳng thức. Như vậy với mọi số n nguyên đồng nào dù là số chẵn hoặc số lẻ thì n −2 đồng cũng rơi vào một trong hai trường hợp trước đó đã đổi được ra 6 Chương 1. PHƯƠNG PHÁP QUY NẠP hai loại tiền 2 đồng và 5 đồng. Suy ra nó cũng đổi được thành các đồng 2 đồng và 5 đồng. Như vậy khẳng định của bài toán là đúng. 1.1.3 Nguyên lý quy nạp toán học Cơ sở của nguyên lý quy nạp toán học là tiên đề thứ 5 (còn gọi là tiên đề quy nạp) của hệ tiên đề PEANO về tập hợp số tự nhiên được xây dựng từ cuối thế kỉ 19. • Tiên đề 1. 1 là số tự nhiên. • Tiên đề 2. Với mọi số tự nhiên a, có một số tự nhiên a* đi liền sau a. • Tiên đề 3. Số 1 không đi liền sau số tự nhiên nào. Nói cách khác, với mọi số tự nhiên a ta chỉ có a* khác 1. • Tiên đề 4. Nếu a*=b* thì a=b. Số tự nhiên đi liền sau a là duy nhất. • Tiên đề 5. (Tiên đề quy nạp) Giả sử M là một tập hợp các số tự nhiên có tính chất: M chứa 1, và nếu M chứa a thì M cũng chứa a*. Khi đó tập M trùng với tập hợp các số tự nhiên . Mệnh đề là một câu trọn nghĩa (một khẳng định) mà nội dung của nó phản ánh đúng hoặc sai thực tế khách quan. Những ví dụ trên cho ta thấy rằng mỗi bài toán là một mệnh đề đúng hoặc sai. Mỗi mệnh đề như vậy lại phụ thuộc vào một biến số tự nhiên n. Một cách tổng quát ta kí hiệu P (n) là mệnh đề toán học phụ thuộc vào n, với n là số tự nhiên. Như vậy, thực chất của các ví dụ đã xét là chứng minh dãy mệnh đề sau đúng (hoặc sai) P (1), P (2), P(3), , P (n), Một số bài toán phát biểu dưới dạng: Chứng minh rằng với mọi số tự nhiên n, P(n) đúng. Như vậy, những bài toán loại này đều liên quan tới tập số tự nhiên. Một tính chất của tập số tự nhiên người ta công nhận như một tiên đề và thường gọi là tiên đề thứ tự. Tiên đề thứ tự. Mọi tập khác rỗng các số tự nhiên đều có phần tử nhỏ nhất. Cho mỗi số tự nhiên n ứng với một khẳng định P (n). Thay vì ta phải đi kiểm tra vô hạn các mệnh đề thì người ta sử dụng nguyên lý toán học sau là đủ. Định lý 1.1. (Nguyên lý quy nạp toán học.) Cho n 0 ≥ 1 là một số tự nhiên cố định và P(n) là một mệnh đề có nghĩa với mọi số tự nhiên n ≥ n 0 . Giả sử hai điều kiện sau được thỏa mãn: 7 Chương 1. PHƯƠNG PHÁP QUY NẠP (i) P (n 0 ) là mệnh đề đúng và (ii) Nếu mệnh đề P (k) đúng với mỗi số tự nhiên k ≥ n 0 kéo theo mệnh đề P (k + 1) cũng đúng. Khi đó mệnh đề P(n) đúng với mọi số tự nhiên n ≥ n 0 . Chứng minh. Gọi A là tập hợp các số tự nhiên n ≥ n 0 mà P(n) không đúng. Giả sử A = ∅, khi đó sẽ tồn tại một số tự nhiên m ≥ n 0 mà P(m) không đúng. Ta lấy số tự nhiên nhỏ nhất m  trong A mà P (m  ) không đúng. (1.1) Điều này thực hiện được do tiên đề thứ tự. Theo giả thiết (i) thì P (n 0 ) đúng nên m  > n 0 suy ra m  − 1 ≥ n 0 . Vì m  − 1 /∈ A (do m  là số nhỏ nhất thuộc A), nên theo định nghĩa của tập A thì P (m  −1) đúng. Khi đó theo giả thiết (ii) thì P (m  ) = P ((m  − 1) + 1) cũng đúng. (1.2) Từ (1.1) và (1.2) suy ra mâu thuẫn. Điều này chứng tỏ A = ∅. Vậy P (n) đúng với mọi số tự nhiên n ≥ n 0 .  Phương pháp dùng nguyên lý quy nạp toán học để giải toán, người ta gọi là phương pháp quy nạp toán học. Chú ý 1.1. Ta cần phân biệt rõ các khái niệm • "Phép quy nạp" là một phương pháp tư duy dùng để tìm tòi, dự đoán, phát hiện các kiến thức mới. • "Phương pháp quy nạp toán học" ta gọi tắt "Phương pháp quy nạp" là một phương pháp chứng minh các khẳng định chứa chữ n ∈ N (tập hợp các số tự nhiên). Ta cũng có thể sử dụng phương pháp quy nạp để chứng minh những khẳng định đối với các số nguyên. Nhiều khẳng định mà có thể được chứng minh bằng phương pháp quy nạp cũng có thể được chứng minh bằng các phương pháp khác đôi khi ngắn gọn hơn. 1.2 Phương pháp chứng minh quy nạp Dựa theo nguyên lý quy nạp toán học ta đưa ra các bước trong chứng minh theo phương pháp quy nạp toán học. 8 Chương 1. PHƯƠNG PHÁP QUY NẠP 1.2.1 Các bước trong phương pháp chứng minh quy nạp Giả sử khẳng định P (n) xác định với mọi n ≥ n 0 , (n, n 0 ∈ Z + ). Để chứng minh P (n) đúng với mọi n ≥ n 0 bằng phương pháp quy nạp, ta cần thực hiện ba bước: Bước 1. Cơ sở quy nạp. Ta kiểm tra mệnh đề có đúng với n = n 0 không? Nghĩa là kiểm tra P (n 0 ) có đúng không? Nếu bước cơ sở đúng ta chuyển sang bước thứ hai. Bước 2. Quy nạp. Chứng minh rằng nếu với mỗi k ≥ n 0 (k ∈ Z + ), P(k) là mệnh đề đúng thì suy ra P (k + 1) cũng đúng. Bước 3. Kết luận. P (n) đúng với mọi n ≥ n 0 . Ví dụ 1.3. Tính tổng của n số tự nhiên đầu tiên. Lời giải. Kí hiệu S(n) là tổng của n số tự nhiên đầu tiên, nghĩa là S(n) = 1 + 2 + 3 + + n. Ta tính một số tổng tại những giá trị ban đầu. n 1 2 3 4 5 6 7 8 S(n) 1 3 6 10 15 21 28 36 Ta thấy quy luật: Tích của hai số liên tiếp ở hàng trên bằng 2 lần số ở hàng dưới (số có vị trí cùng cột với số thứ nhất trong 2 số liên tiếp ở hàng trên). Như 1.2 = 2.1, 2.3 = 2.3, 3.4 = 2.6, 4.5 = 2.10, 5.6 = 2.15, 6.7 = 2.21, Do đó ta có thể dự đoán công thức phải tìm là S(n) = 1 + 2 + 3 + + n = n(n + 1) 2 . (1.3) Biểu thức (1.3) được gọi là giả thiết quy nạp. Muốn chắc chắn công thức này đúng ta phải chứng minh bằng phương pháp quy nạp thông qua hai bước: 1. Bước cơ sở. Với n = 1 công thức (1.3) đúng như cách tính ở trên. 2. Bước quy nạp. Giả sử n = k ≥ 1 (k ∈ Z + ), S(k) đúng tức là S(k) = k(k + 1) 2 . Ta phải chứng minh (1.3) cũng đúng với n = k + 1. Thật vậy, S(k + 1) = S(k) + (k + 1) = k(k + 1) 2 + (k + 1) = k(k + 1) 2 + 2(k + 1) 2 = (k + 1)(k + 2) 2 . Do đó công thức (1.3) cũng đúng với n = k + 1. Theo nguyên lý quy nạp toán học công thức (1.3) đúng với mọi n ≥ 1. Vậy 1 + 2 + 3 + + n = n(n + 1) 2 . 9 Chương 1. PHƯƠNG PHÁP QUY NẠP Ví dụ 1.4. Tính tổng các lập phương của n số tự nhiên đầu tiên. Lời giải. Ta đặt công thức T (n) = 1 3 + 2 3 + 3 3 + + n 3 . Ta cũng đi tính một số giá trị ban đầu: n 1 2 3 4 5 6 T(n) 1 9 36 100 225 441 Nhìn vào bảng trên ta khó có thể tìm ra quy luật cho T(n). Nhưng với kinh nghiệm và kết quả đã tính ở bài trước ta có bảng như sau: n 1 2 3 4 5 6 S(n) 1 3 6 10 15 21 T(n) 1 9 36 100 225 441 Ở đây S(n) = 1 + 2 + + n. Từ bảng trên ta thấy rằng có thể T (n) = S 2 (n) : 1 = 1 2 , 9 = 3 2 , 36 = 6 2 , Công thức tính S(n) đã biết ở bài toán 1.3, khi đó ta có công thức cho giả thiết quy nạp là T (n) = 1 3 + 2 3 + 3 3 + + n 3 =  n(n + 1) 2  2 . (1.4) Chứng minh công thức (1.4) bằng phương pháp quy nạp theo n : 1. Bước cơ sở. Với n = 1 công thức (1.4) đúng (theo bảng trên). 2. Bước quy nạp. Giả sử (1.4) đúng với n = k ≥ 1 (k ∈ Z + ), ta phải chứng minh (1.4) cũng đúng với n = k + 1. Thật vậy, T (k + 1) = 1 3 + 2 3 + 3 3 + + k 3 + (k + 1) 3 = T (k) + (k + 1) 3 =  k(k + 1) 2  2 + (k + 1) 3 = (k + 1) 2  k 2 4 + k + 1  = (k + 1) 2  k 2 + 4k + 4 4  =  (k + 1)(k + 2) 2  2 . Vậy (1.4) đúng với n = k + 1. Theo nguyên lý quy nạp toán học suy ra (1.4) đúng với mọi số tự nhiên n. Do đó ta có 1 3 + 2 3 + 3 3 + + n 3 =  n(n + 1) 2  2 . 10 [...]...Chương 1 PHƯƠNG PHÁP QUY NẠP Chú ý 1.2 Trong quá trình quy nạp nếu không thực hiện đầy đủ cả hai bước: Cơ sở quy nạp và quy nạp thì có thể dẫn tới sai lầm, chẳng hạn: • Do bỏ bước cơ sở quy nạp nên ta đưa ra khẳng định không đúng Ta xét bài toán: Chứng minh rằng mọi số tự nhiên đều bằng số tự nhiên liền sau nó Chứng minh bài toán theo phương pháp quy nạp như sau: Giả sử mệnh đề đúng với n = k, (k... học, đại số, giải tích và hình học Chúng ta hãy cùng đi xét một số bài toán vận dụng phương pháp quy nạp để giải sau đây 1.4.1 Phương pháp quy nạp trong số học Ta xét một số bài toán về phép chia hết và tính chất các số Bài toán 1.1 Chứng minh rằng với mọi số nguyên dương n, thì Sn = (n + 1)(n + 2) (n + n) chia hết cho 2n 16 Chương 1 PHƯƠNG PHÁP QUY NẠP Lời giải 1 Bước cơ sở Với n = 1, ta có S1 = 1... đúng 2 Bước quy nạp Giả sử công thức (1.10) đúng với n = k , và n = k − 1, (k ≥ 1) nghĩa là vk = 2k + 1 và vk−1 = 2k−1 + 1, khi đó vk+1 = 3 2k + 1 − 2 2k−1 + 1 = 2k+1 + 1, nên công thức (1.10) đúng với n = k + 1 Theo định lý 1.3 suy ra vn = 2n + 1 đúng với mọi số tự nhiên n 1.4 Vận dụng phương pháp quy nạp để giải các bài toán phổ thông Quy nạp toán học là một phương pháp khá phổ biến và thông dụng Nó... F2k+2 )F2k+3 − 1 = F2k+3 F2k+3 − 1 2 = F2k+3 − 1 22 ( theo P(k) ) Chương 1 PHƯƠNG PHÁP QUY NẠP Vậy P (k + 1) đúng Theo nguyên lý quy nạp toán học ta có điều phải chứng minh 1.4.2 Phương pháp quy nạp trong đại số Ta xét một số bài toán về đẳng thức và bất đẳng thức đại số Bài toán 1.10 Chứng minh rằng với mọi số nguyên dương n và góc θ không chia hết cho 2π , thì sin sin θ + sin(2θ) + + sin(nθ) =... thức (1.14) đúng với n = k + 1 nên theo nguyên lý quy nạp nó đúng với mọi số tự nhiên n Vậy 1 1 1 1 n(n + 3) + + + + = 1.2.3 2.3.4 3.4.5 n(n + 1)(n + 2) 4(n + 1)(n + 2) Với những bài toán về dãy số thì công thức tính tổng và số hạng tổng quát của các dãy này ta có thể chứng minh bằng phương pháp quy nạp Ta sẽ đi xét một số bài toán sau Bài toán 1.7 (Vô địch quốc gia Việt Nam, 1989) Với n = 0, 1, 2,... (1.40) đúng với n = k + 1 Theo nguyên lý quy nạp ta có điều phải chứng minh 34 Chương 1 PHƯƠNG PHÁP QUY NẠP 1.4.4 Phương pháp quy nạp trong hình học Bài toán 1.23 Tính tổng các góc trong của một n-giác không tự cắt Lời giải Ta có thể thấy ngay: Tổng các góc trong của một tam giác là 1800 Tổng các góc trong của một tứ giác là 3600 Nhận xét: Mọi tứ giác có thể chia thành hai tam giác nên tổng các góc trong... sẽ chứng minh mệnh đề đúng với n = k + 1, nghĩa là phải chứng minh: k + 1 = k + 2 Thật vậy, k + 1 = (k + 1) + 1 = k + 2 Như vậy khẳng định đúng với n = k thì nó cũng đúng với n = k + 1, do đó theo quy nạp toán học nó đúng với mọi số tự nhiên n Hệ quả của bài toán này là tất cả các số tự nhiên đều bằng nhau! Điều này vô lý Vậy cách chứng minh sai ở đâu? Dễ thấy rằng khi ta áp dụng nguyên lí quy nạp toán. .. 1)(n + 2) 19 (1.14) Chương 1 PHƯƠNG PHÁP QUY NẠP Ta chứng minh giả thiết trên bằng phương pháp quy nạp 1(1 + 3) 1 = 1.2.3 4(1 + 1)(1 + 2) Vậy công thức (1.14) đúng với n = 1 1 Bước cơ sở Với n = 1 thì T1 = 2 Bước quy nạp Giả sử (1.14) đúng với n = k ≥ 1 (k ∈ N), nghĩa là có k Tk = i=1 1 k(k + 3) = i(i + 1)(i + 2) 4(k + 1)(k + 2) Ta cần chứng minh công thức (1.14) đúng với n = k + 1 Thật vậy, k+1 Tk+1... rằng với mọi số n nguyên dương, f (n) = nf (1) Ta chứng minh (1.32) bằng phương pháp quy nạp 1 Bước cơ sở Với n = 1 thì f (1) = f (0 + 1) = f (0) + f (1) = f (1) = 1.f (1) Vậy (1.32) đúng với n = 1 28 (1.32) Chương 1 PHƯƠNG PHÁP QUY NẠP 2 Bước quy nạp Giả sử (1.32) đúng với mọi n = k ≥ 1 (k ∈ Z+ ), tức là có f (k) = kf (1) Ta cần chứng minh (1.32) đúng với n = k + 1 Thật vậy, f (k + 1) = f (k) + f (1)... lý quy nạp (1.37) được chứng minh Ta tiếp tục xét một số bài toán tích phân sử dụng phương pháp quy nạp Bài toán 1.21 Chứng minh rằng với mọi số tự nhiên n, thì π 2 sin2n xdx = 0 1.3.5.7 (2n − 1) π 2.4.6 (2n) 2 Lời giải 1 Bước cơ sở Với n = 1 ta có π 2 π 2 2 sin xdx = 0 0 1 − cos2x dx 2 π π 1 2 1 2 = x − cos2xdx 2 0 2 0 π 2 π 1 = − sin 2x 4 4 0 π 1 π = = 4 2 2 Vậy (1.39) đúng với n = 1 2 Bước quy . việc giải các bài toán? Luận văn " Phương pháp quy nạp và phương pháp phản chứng với các bài toán phổ thông " trình bày một số khái niệm cơ bản, các bước thực hiện trong phương pháp chứng minh. quy nạp toán học, các bước trong chứng minh quy nạp, một số dạng khác của nguyên lý quy nạp, và vận dụng phương pháp chứng minh quy nạp để giải một số bài toán ở phổ thông. Chương 2. Phương pháp. hơn. 1.2 Phương pháp chứng minh quy nạp Dựa theo nguyên lý quy nạp toán học ta đưa ra các bước trong chứng minh theo phương pháp quy nạp toán học. 8 Chương 1. PHƯƠNG PHÁP QUY NẠP 1.2.1 Các bước