Кейс на анализ формул: данное доказательство показано, что сумма первых n натуральных чисел равна n(n+1)/2, но в шаге индукции допущена логическая неточность. Найдите и исправьте ошибку, оформите корректное доказательство
Кратко укажу типичную логическую неточность и приведу корректное доказательство. Ошибка. Вошибочных доказательствах иногда на этапе индукции неправильно используют индуктивное предположение: берут утверждение для nnn и затем приписывают его уже к n+1n+1n+1 (то есть по сути предполагают то, что нужно доказать). Пример неверного шага (круговое рассуждение): ∑k=1n+1k=(n+1)(n+2)2(подставлено без вывода, как будто из гипотезы)
\sum_{k=1}^{n+1} k=\frac{(n+1)(n+2)}{2}\quad\text{(подставлено без вывода, как будто из гипотезы)} k=1∑n+1k=2(n+1)(n+2)(подставленобезвывода, какбудтоизгипотезы)
Это нельзя делать: индуктивное предположение даёт формулу только для фиксированного nnn, а не сразу для n+1n+1n+1. Корректное доказательство по математической индукции. База ( n=1n=1n=1 ): ∑k=11k=1\sum_{k=1}^1 k=1∑k=11k=1 и правая часть 1⋅22=1\dfrac{1\cdot2}{2}=121⋅2=1. База верна. Индуктивный шаг. Предположим, для некоторого фиксированного n≥1n\ge1n≥1 верно ∑k=1nk=n(n+1)2.
\sum_{k=1}^n k=\frac{n(n+1)}{2}. k=1∑nk=2n(n+1).
Требуется доказать формулу для n+1n+1n+1. Тогда ∑k=1n+1k=∑k=1nk+(n+1).
\sum_{k=1}^{n+1} k=\sum_{k=1}^n k+(n+1). k=1∑n+1k=k=1∑nk+(n+1).
По индуктивному предположению подставляем первую сумму: ∑k=1n+1k=n(n+1)2+(n+1)=n(n+1)+2(n+1)2=(n+1)(n+2)2.
\sum_{k=1}^{n+1} k=\frac{n(n+1)}{2}+(n+1)=\frac{n(n+1)+2(n+1)}{2}=\frac{(n+1)(n+2)}{2}. k=1∑n+1k=2n(n+1)+(n+1)=2n(n+1)+2(n+1)=2(n+1)(n+2).
Таким образом, из истинности для nnn следует истинность для n+1n+1n+1. Заключение. Так как база выполнена и индуктивный шаг доказан корректно, по принципу математической индукции для всех натуральных nnn имеет место ∑k=1nk=n(n+1)2.
\sum_{k=1}^n k=\frac{n(n+1)}{2}. k=1∑nk=2n(n+1).
Ошибка. Вошибочных доказательствах иногда на этапе индукции неправильно используют индуктивное предположение: берут утверждение для nnn и затем приписывают его уже к n+1n+1n+1 (то есть по сути предполагают то, что нужно доказать). Пример неверного шага (круговое рассуждение):
∑k=1n+1k=(n+1)(n+2)2(подставлено без вывода, как будто из гипотезы) \sum_{k=1}^{n+1} k=\frac{(n+1)(n+2)}{2}\quad\text{(подставлено без вывода, как будто из гипотезы)}
k=1∑n+1 k=2(n+1)(n+2) (подставлено без вывода, как будто из гипотезы) Это нельзя делать: индуктивное предположение даёт формулу только для фиксированного nnn, а не сразу для n+1n+1n+1.
Корректное доказательство по математической индукции.
База ( n=1n=1n=1 ): ∑k=11k=1\sum_{k=1}^1 k=1∑k=11 k=1 и правая часть 1⋅22=1\dfrac{1\cdot2}{2}=121⋅2 =1. База верна.
Индуктивный шаг. Предположим, для некоторого фиксированного n≥1n\ge1n≥1 верно
∑k=1nk=n(n+1)2. \sum_{k=1}^n k=\frac{n(n+1)}{2}.
k=1∑n k=2n(n+1) . Требуется доказать формулу для n+1n+1n+1. Тогда
∑k=1n+1k=∑k=1nk+(n+1). \sum_{k=1}^{n+1} k=\sum_{k=1}^n k+(n+1).
k=1∑n+1 k=k=1∑n k+(n+1). По индуктивному предположению подставляем первую сумму:
∑k=1n+1k=n(n+1)2+(n+1)=n(n+1)+2(n+1)2=(n+1)(n+2)2. \sum_{k=1}^{n+1} k=\frac{n(n+1)}{2}+(n+1)=\frac{n(n+1)+2(n+1)}{2}=\frac{(n+1)(n+2)}{2}.
k=1∑n+1 k=2n(n+1) +(n+1)=2n(n+1)+2(n+1) =2(n+1)(n+2) . Таким образом, из истинности для nnn следует истинность для n+1n+1n+1.
Заключение. Так как база выполнена и индуктивный шаг доказан корректно, по принципу математической индукции для всех натуральных nnn имеет место
∑k=1nk=n(n+1)2. \sum_{k=1}^n k=\frac{n(n+1)}{2}.
k=1∑n k=2n(n+1) .