Indução e recorrências
Indução simples e forte, casos base, definições recursivas e soluções de recorrências.
Verificar uma propriedade para os primeiros dez naturais não prova que vale para todos. A indução liga os casos: verificamos o início e provamos que o resultado passa aos seguintes. A hipótese de indução é uma hipótese local sobre ; não é a afirmação universal que queremos provar.
Indução simples
Para provar para todo o inteiro :
- Prova , o caso base.
- Toma um arbitrário e assume .
- Com essa hipótese, prova .
O terceiro passo tem de valer para todos os a partir da base. Provar seria propagar no sentido errado.
A boa ordenação de explica o método. Se houvesse casos falsos, haveria um primeiro caso falso . A base impede e o passo a partir de impede o caso seguinte de ser falso. Assim, não há primeiro caso falso.
Soma dos quadrados
Vamos provar, para :
Para , a soma vazia vale 0 e a fórmula também. Assume agora a igualdade para . Separamos o termo novo e usamos essa hipótese:
A última expressão é a fórmula para , porque . Não assumimos a soma até ; derivámo-la da soma até .
Divisibilidade e desigualdades
Para mostrar para , a base é . No passo, assume , de modo que:
Como é inteira, a divisibilidade fica provada.
Numa desigualdade, conserva a direção das comparações. Para quando , a base é . Se :
onde a segunda desigualdade usa , em particular . Indica essa condição em vez de a esconderes num salto algébrico.
Bases que faltam e hipóteses demasiado fortes
Uma prova que usa precisa de garantir que esse caso já está no intervalo conhecido. Não basta verificar a primeira base se o passo só começa três valores depois.
Na falsa prova de que todos os cavalos têm a mesma cor, divide-se um grupo de cavalos em dois grupos de e usa-se um cavalo comum para comparar as cores. Para , os dois grupos não têm cavalo comum. O passo falha de 1 para 2, precisamente onde precisava de funcionar.
Uma prova também pode ser válida sem usar a hipótese de indução: uma demonstração direta de para um arbitrário chega. Usar a hipótese não é uma obrigação formal; assumir a tese ou omitir o passo é que invalida a prova.
Indução forte
Na indução forte, para provar assumimos todos os casos . Isto permite usar uma decomposição cujo tamanho não é necessariamente .
Todo o inteiro é produto de primos. A base 2 é primo.
Para , se for primo, já temos um produto com um fator. Se for composto, com . A hipótese forte dá fatorizações de e , que juntamos. Só conhecer a fatorização de não forneceria esses dois resultados diretamente.
Vários casos base
Com moedas de 3 e 5 cêntimos podemos formar todos os valores inteiros . As bases são:
Para , o valor já pode formar-se pela hipótese forte. Acrescentamos uma moeda de 3. As três bases cobrem os restos possíveis módulo 3 e permitem que o primeiro passo, de 10 para 11, use 8.
Indução em grafos
O parâmetro da indução pode contar vértices. Para provar que é bipartido para , a base é , com partes alternadas de dois vértices.
No passo, toma um ciclo e reduz o problema ao ciclo menor em três movimentos:
- Retira dois vértices consecutivos e liga os seus vizinhos exteriores com uma aresta auxiliar. O ciclo restante tem vértices, logo é bipartido pela hipótese, e a aresta nova obriga a cores diferentes.
- Repõe o percurso e retira a aresta auxiliar. Atribui a a cor de e a a cor de .
- Confere as três arestas , e : cada uma liga cores distintas, e o restante ciclo conserva a coloração da hipótese.
Assim, a bipartição de constrói-se a partir da do ciclo menor. Retirar só um vértice e fechar o percurso daria um ciclo ímpar, ao qual a hipótese sobre ciclos pares não se aplica. Citar diretamente que não há ciclos ímpares prova o resultado por outro método, mas não constrói este passo indutivo.
Funções recursivas
Uma definição recursiva precisa de casos base e regras que atinjam entradas já menores. Por exemplo:
A função está definida nos naturais e cada chamada diminui o argumento. Vamos provar por indução forte. A base serve. Para :
- Se é par, , logo .
- Se é ímpar, , logo .
A prova usa a hipótese para um argumento que pode estar muito antes do imediato. Para seguir a definição em , as chamadas descem assim:
Os valores regressam na ordem inversa:
| Chamada | Regra aplicada | Valor |
|---|---|---|
| Base | 0 | |
| 1 | ||
| 4 | ||
| 9 | ||
| 36 |
Este cálculo explica uma chamada concreta. A prova forte justifica todos os naturais, incluindo valores não listados na tabela; entradas negativas não têm imagem, pois a definição só cobre .
Sequências e recorrências
Uma sequência associa um valor a cada índice. Uma recorrência define termos por termos anteriores, por exemplo:
Os primeiros valores são . Conjeturamos , mas a lista não prova a fórmula. Como a recorrência usa dois termos anteriores, verificamos as bases 1 e 2. Para , usando a hipótese para os dois termos anteriores:
Torres de Hanói
As Torres de Hanói têm três pinos e discos de tamanhos distintos. Movemos um disco de cada vez, sempre o do topo, sem colocar um maior sobre um menor. Para mover uma torre de discos, movemos os menores para o pino auxiliar, movemos o maior e movemos os menores para cima dele.
Se é o número de movimentos deste algoritmo:
Somando 1, . Logo, e .
Ver por que o algoritmo é mínimo
Para provar o mínimo, fazemos indução em . A torre vazia precisa de zero movimentos.
- Antes do primeiro movimento do maior disco, os menores têm de estar todos no terceiro pino, fora da origem e do destino desse movimento.
- Depois do último movimento do maior para o destino final, esses menores têm de passar do terceiro pino para cima dele.
- Cada fase exige pelo menos movimentos pela hipótese. Entre as fases há pelo menos um movimento do maior.
Logo qualquer solução usa pelo menos . O algoritmo atinge esse limite.
Recorrências lineares de primeira ordem
Para , , com dado, expandimos três termos sem mudar os dados:
Cada termo constante sofre uma multiplicação por em cada passo posterior à sua entrada. O último fica sem essa multiplicação. A soma geométrica reúne as contribuições:
Se :
Se , a soma tem parcelas iguais a 1 e .
Para e , obtemos . Substituir e a fórmula na recorrência confere ambas as condições.
Equação característica
Para uma recorrência homogénea de segunda ordem com coeficientes constantes:
procurar soluções , com , dá . Dividimos por e obtemos a equação característica . Quando as duas raízes distintas são não nulas, a solução tem a forma . Determinamos pelas duas condições iniciais.
Para e , a equação é . Assim:
Daqui e . Os primeiros valores são , coerentes com a recorrência.
Para uma raiz dupla não nula , a forma é . Por exemplo, tem raiz dupla 1 e dá uma sequência da forma . O fator fornece a segunda solução independente. O método acima não se aplica diretamente a recorrências não homogéneas, nem dispensa tratar casos degenerados com raiz zero.
Exercícios
Uma soma por indução
Prova para todo o , interpretando a soma vazia como 0.
Pista
Na passagem ao sucessor, o novo termo é .
Mais uma pista
.
Solução
Base: para , a soma é . Passo: supondo , temos . Pelo princípio de indução, a igualdade vale para todos os naturais.
Confere a tua resposta:
- Verifiquei a base n = 0.
- Escrevi a hipótese para n e o objetivo para n + 1.
- Separei o novo termo e usei a hipótese apenas na soma antiga.
Erros frequentes
Usar diretamente a fórmula para n + 1 antes de a provar seria circular. A hipótese só fornece a fórmula para n.
Uma função recursiva com dois ramos
Define , para múltiplo de 3 e nos restantes casos positivos. Prova por indução forte.
Pista
A chamada do ramo múltiplo de 3 não é geralmente ao antecessor.
Mais uma pista
Para múltiplo de 3, . Nos outros casos positivos, .
Solução
Base: . Assume para todos os . Se é múltiplo positivo de 3, . Caso contrário, . Os argumentos recursivos são menores, por isso a hipótese forte aplica-se nos dois ramos.
Confere a tua resposta:
- Conferi a base e que cada chamada usa um natural menor.
- No caso múltiplo de 3 apliquei a hipótese a n/3.
- Nos restantes casos apliquei a hipótese a n − 1.
Erros frequentes
Indução simples fornece apenas a igualdade para o antecessor. Não autoriza automaticamente uma chamada em n/3.
Indução em ciclos pares
Prova por indução que o ciclo par é bipartido para .
Pista
Transforma em inserindo dois vértices numa aresta.
Mais uma pista
Os dois vértices novos ficam em partes opostas.
Solução
Base : em com vértices pela ordem do ciclo, as partes são e .
Assume que todo o ciclo de vértices é bipartido e toma um ciclo arbitrário de vértices. Escolhe quatro vértices consecutivos , remove e acrescenta . Como , estes quatro vértices são distintos e o resultado é .
A hipótese dá uma bipartição do ciclo menor, com em partes opostas. Remove e repõe . Põe na parte de e na parte de : cada uma das três arestas liga partes opostas. As outras arestas não mudam. A coloração cobre todos os vértices do ciclo arbitrário, logo prova o passo. Pelo princípio de indução, o resultado vale para todo o .
Confere a tua resposta:
- Exibi a construção de C2n para C2n+2.
- Usei a hipótese só no ciclo menor.
- Tratei a base C4 explicitamente.
Erros frequentes
Não apliques a hipótese ao objeto que queres construir. Constrói o maior a partir do menor.
Primeira ordem com termo constante
Resolve , para , e verifica a fórmula.
Pista
Desenrola os primeiros termos ou desloca a sequência por uma constante.
Mais uma pista
Se , então e .
Solução
. De facto, e . Equivalentemente, .
Confere a tua resposta:
- Incluí a contribuição de todos os termos constantes.
- Usei a soma geométrica com n termos.
- Conferi a condição inicial e a substituição na recorrência.
Erros frequentes
Usar só resolve a recorrência sem o termo +4, mas não a dada.
Uma raiz dupla
Resolve , e para .
Pista
O polinómio é .
Mais uma pista
e .
Solução
A raiz 2 é dupla. A forma geral é . As condições dão e , logo . Substituindo, .
Confere a tua resposta:
- Obtive (r − 2)² como polinómio característico.
- Usei (A + Bn)2ⁿ, não duas cópias de 2ⁿ.
- Determinei A e B pelas duas condições iniciais.
Erros frequentes
só dá um parâmetro efetivo. O fator n é necessário para a segunda solução independente.
Determinar constantes com as condições iniciais
Para com e , determina e e verifica.
Pista
As raízes de são e .
Mais uma pista
Resolve e .
Solução
Forma geral: . De sai ; de sai . Logo e , ou seja . Verifica: , e .
Confere a tua resposta:
- Escrevi a forma geral com dois parâmetros.
- Substituí as duas condições iniciais.
- Verifiquei a solução nos dois primeiros termos.