德國一流大學教你數學家的思考工具,將問題化繁為簡!

2016-04-18 15:45

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就像這一章開頭提到的,我們還可以注意到,一般而言歸納推理是從特殊情形推到一般情況的推理形式。數學歸納法也是從特殊情況推至一般情形,但是在本質上並非歸納推理,而是演繹推理法。說得更精確些,數學歸納法的論證是經過演繹證明的:因為包含了所有的情況,所以這種歸納法(在數學上)是完備的。數學歸納法讓我們看到,如何從一個論點的成立,然後透過驗證唯一一個蘊涵關係,擴展到所有可能的情況。現在你也許可以看得更清楚,這種推理法的本質為何。

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在前面描述的數學歸納法運用中,用自然數編號的命題會一個接一個地處理。當然也可以用別的方式處理所有的自然數;例如在歸納步驟時不是從n 推到n + 1,而是從n 推到2n,之後再將因此產生的缺口用倒推的方式補上,從命題對n 成立,來證明命題對n − 1 也成立。這就是所謂的正推-倒推-歸納法。如果只是為了證明某命題對於所有自然數1、2、⋯⋯、m 為真,在歸納步驟時也可以使用倒推的步驟,證明命題在從n 推到n − 1 時也成立(倒推歸納法),而歸納起始點,就會是證明當n = m 時命題成立。

我們現在把歸納原則使用在一個學校教的幾何範例上:

黑白畫家的經驗寶藏

K 先生只畫黑白作品,而且是後現代風格;不像普通的畫作,K 先生的畫只有直線,直線交錯產生的區塊他便畫上黑或白。K 先生的經驗是,不管畫了幾條直線,不管直線如何交錯,每一個(被直線分隔開的)區塊的顏色都不同,例如下圖中n = 4 條直線的圖案:

math02.jpg
黑白畫家的作品。(圖/漫遊者文化)

現在來想像一下有任意n 條直線和所形成的區塊,每條直線的「左邊」和「右邊」代表的是有意義的概念。

現在使用數學歸納法的風格,先看只有一條直線時的情況。一條直線將一個平面分成2 個區塊。顯然可以畫上不同的顏色。這不難。接下來我們假設被n 條直線分割的平面,其著色的區塊是符合我們的條件。現在加上一條直線G,位置隨便,只要不和之前的直線重疊即可。這條直線分開了一些已經著上顏色的區塊,而從新的直線的位置看來,分成左邊和右邊。我們現在把所有新直線G 左邊的區塊重新著上顏色。這個動作不僅影響了被G 所分隔的區塊,還有所有在G 左邊,但是不和G 相鄰的區塊。重新著色後G 右邊區塊的上色也符合規則,所以新區塊的著色也成立。這就是證明。

在第二個數學歸納法的例子裡,我們來看看二項式係數和2 的幕次之間看似純屬理論的關係。對於所有自然數n,下面的式子都成立:

B(n, 1) + 2B(n, 2) + 3B(n, 3) + ⋯ + nB(n, n) = n2n-1 (18)

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