Jeroen's Studie Archief
Bewijzen in de wiskunde 30 september 2024

Sterke inductie en relaties

Minimaal tegenvoorbeeld

Als je een bewering van de vorm nN:P(n)\forall n \in N : P(n) wilt bewijzen, kun je gebruik maken van het minimale tegenvoorbeeld. Hierbij neem je aan dat er een kleinste getal mNm\in\N bestaat waarvoor P(m)P(m) niet waar is. Het doel is om dan uit te komen op een contradictie.

Stelling

nN:6n3n \forall n \in \N : 6 | n^3 - n

Bewijs

Bij contradictie, neem aan dat er een nNn\in\N bestaat waarvoor 6n3n6 \nmid n^3 - n. Dan bestaat er een kleinste mNm\in\N waarvoor 6m3m6 \nmid m^3 - m. Omdat 6131=06|1^3-1=0 en 6232=66|2^3-2=6, moet gelden dat m3m \ge 3. Dan schrijven we m=k+2m=k+2 voor een kNk\in\N met 1k<m1 \le k < m. Nu geldt:

m3m=(k+2)3(k+2)=k3k+6(k2+2k+1) m^3-m = (k+2)^3-(k+2) = k^3-k+6(k^2+2k+1)

Omdat k<mk<m en mm het kleinste getal is waarvoor 6m3m6 \nmid m^3-m, geldt dat 6k3k6|k^3-k. We schrijven kk dus als 6x6x voor een xZx\in\Z. Dit geeft:

m3m=6x+6(k2+2k+1) m^3-m = 6x + 6(k^2+2k+1)

En omdat x,k2+2k+1Zx, k^2+2k+1 \in \Z, concluderen we dat 6m3m6|m^3-m. Dit is een contradictie. QED.

Sterke inductie

Sterke inductie is een uitbreiding op normale inductie, en gaat alsvolgt:

Laat P(n)P(n) een bewering zijn met domein N\N. Als (1) P(1)P(1) waar is en (2) kN:(P(1)P(2)...P(k))    P(k+1)\forall k \in \N : \big(P(1) \land P(2) \land ... \land P(k)\big) \implies P(k+1) waar is, geldt nN:P(n)\forall n \in \N: P(n).

Stelling

Laat ana_n recursief gedefiniëerd zijn door a1=1a_1=1, a2=3a_2=3 en an=2an1an2a_n = 2a_{n-1} - a_{n-2} voor n3n \ge 3. Dan geldt an=2n1a_n=2n-1 voor alle nNn\in\N.

Bewijs

Met sterke inductie op nn, bewijzen we (1) 1=2(1)11=2(1)-1 en 2=2(2)12=2(2)-1, en (2) kN:(a1=2(1)1a2=2(2)1...ak=2k1)    ak+1=2(k+1)1\forall k \in N : (a_1=2(1)-1 \land a_2=2(2)-1 \land ... \land a_k=2k-1) \implies a_{k+1} = 2(k+1)-1.

(1) Er geldt 2(1)1=12(1)-1=1 en 2(2)1=32(2)-1=3, dus dit klopt.

(2) Laat kNk\in\N. We nemen aan dat ai=2i1a_i=2i-1 geldt voor elke iNi\in\N waarvoor i<ki<k. Er geldt:

ak=2ak1ak2=IH2(2(k1)1)(2(k2)1)=2k1 \begin{aligned} a_k &= 2a_{k-1}-a_{k-2} \\ &\stackrel{IH}= 2(2(k-1)-1) - (2(k-2)-1) \\ &= 2k-1 \end{aligned}

QED.

Relaties

Voor verzamelingen AA en BB is een relatie RR van AA naar BB een deelverzameling van A×BA \times B. Als (a,b)R(a,b) \in R, zeggen we dat aa gerelateerd is aan bb, notatie aRbaRb.

Voor een relatie RR van AA naar BB geldt dat het domein, notatie dom(R)\text{dom}(R), en het bereik, notatie range(R)\text{range}(R), gelijk zijn aan:

dom(R)={aA:(a,b)R voor een bB} \text{dom}(R) = \{ a \in A : (a, b) \in R \text{ voor een } b \in B \}

range(R)={bB:(a,b)R voor een aA} \text{range}(R) = \{ b \in B : (a, b) \in R \text { voor een } a \in A \}

Voorbeeld

Gegeven zijn A={1,2,3}A=\{1,2,3\}, B={x,y}B=\{x,y\} en R={(2,x),(1,y),(2,y)}R=\{(2,x),(1,y),(2,y)\}. Er geldt RA×BR \subseteq A \times B, dus RR is een relatie van AA naar BB.

Hier geldt dat dom(R)={1,2}\text{dom}(R) = \{1,2\} en range(R)={x,y}\text{range}(R) = \{x,y\}.

De inverse van een relatie RR van AA naar BB, notatie R1R^{-1}, is een relatie van BB naar AA, zodat:

R1={(b,a):(a,b)R} R^{-1} = \{ (b,a) : (a,b) \in R \}

Relaties op verzamelingen

Een relatie RR op een verzameling AA is een relatie van AA naar AA, oftewel RA×AR \subseteq A \times A.

Laat RR een relatie zijn op AA. Dan is RR:

  • Reflexief precies als aRaaRa voor alle aAa \in A.
  • Symmetrisch precies als aRb    bRaaRb \implies bRa voor alle a,bAa,b \in A.
  • Transitief precies als (aRbbRc)    aRc(aRb \land bRc) \implies aRc voor alle a,b,cAa,b,c \in A.

Voorbeeld

Laat RR de relatie zijn op R\R zodat aRbaRb precies als ab1|a-b|\le1. Dan is RR wel reflexief, wel symmetrisch, maar niet transitief.

Gemaakt door Jeroen van Rensen.