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數(shù)學歸納法及其拓展

2016-12-06 17:21詹妍
新教育時代·教師版 2016年27期

詹妍

摘 要:數(shù)學歸納法是數(shù)學證明中的重要而有力的工具,通常用于建立一個給定正整數(shù)集的命題,而根據(jù)應用的需求,數(shù)學歸納法有了許多形式的拓展,不僅從正整數(shù)集上初始條件、跳躍臺階進行拓展,還進行了適用數(shù)集的拓展,從正整數(shù)集到良序集,再到實數(shù)集;使之成為數(shù)學各個分支的重要證明手段.

關鍵詞:良序集 超限歸納法 連續(xù)歸納法 集合思想

一、超限歸納法

中學常用的數(shù)學歸納法都是建立在正整數(shù)集上,隨著康托爾在 1897年建立了集合論基礎,而后對于良序集的特別理論,在此基礎上將數(shù)學歸納法擴展為超限歸納法,也稱為超窮歸納法.

(一)良序集的定義

定義 1設 S是一個集合, ≤是 S中一個二元關系滿足:

(i)對任何 x∈S有 x≤x;

(ii)對任何 x,y∈S若有 x≤y,且 y≤x,則 x=y;

(iii)對任何 x,y,z∈S若有 x≤y,且 y≤z,則 x≤z;

(iv)對任何 x,y∈S均有 x≤y或 y≤x,則稱≤為 S中的一個全序,(S,≤)稱為一個全序集. 定義 2設 A是一個全序集,若 A的任何非空子集都有昀

小元,則稱 A是良序集.

例:正整數(shù)集 N*是良序集.設 M是 N*的任意一個非空子集,任取一個數(shù) m∈M,則 M中小于或等于 m的數(shù)不多于 m個,即有有限個,故存在一個昀小數(shù) m0.

(二)超限歸納法及其原理

定理 1設(S,≤)是一個非空良序集,P(x)是與元素 x∈S有關的一個命題,如果:

(i)對于 S中的昀小元 a0,P(a0)成立;

(ii)假定對任何 x

立,則 P(x)對任何 x∈S都成立.

(m)不成立 .由(i)知 P(a0)成立,則 m>a0,則對于任意

)m(p)得ii)成立,由(t(P,則Σ.

t,有)t

成立,與 m∈Σ相矛盾,故 Σ=..

二、連續(xù)歸納法

數(shù)學歸納法和超限歸納法是對 “離散”的無窮數(shù)集做出判斷的嚴格的數(shù)學方法,對于連續(xù)情形,直到 20世紀 80年代,張景中發(fā)現(xiàn)有一個十分簡單而又便于掌握與應用的關于實數(shù)的歸納法,稱為連續(xù)歸納法.

定理 2(關于實數(shù)的連續(xù)歸納法)設 P(x)是關于實數(shù)的一個命題,如果:

(i)有 a,當 I中的 x

(ii)如果對所有小于 y的 x,P(x)成立,則有 I中的

z>y,使得對所有小于 z的 x,P(x)成立;則對所有實數(shù) x,P(x)成立. 定理 3(實數(shù)開區(qū)間上的連續(xù)歸納法)設 I是開區(qū)間,P

(x)是關于實數(shù) x∈I的一個命題,如果:

(i)有 a∈I,當 I中的 x

(ii)如果對所有小于 y的 x∈I,P(x)成立,則有 I

中的 z>y,使得對所有小于 z的 x∈I,P(x)成立;

則對所有 x∈I,P(x)成立.

證:

(法 1)設開區(qū)間 I為(a,b),構造 X=

,其中,是使命題 P(x)成立的開區(qū)間,證明 X=(a,b).

(法 2)證明一個適用于任意有序集的一般歸納原理,從中取有序集 I為開區(qū)間( a,b),導出實數(shù)區(qū)間上的連續(xù)歸納法,再取 I為(-∞,+∞)時,就得到關于實數(shù)的連續(xù)歸納法,即定理 4.

對于實數(shù)閉區(qū)間的情形連續(xù)歸納法同樣成立,有趙文靜給出的關于實數(shù)的第二連續(xù)歸納法.

定理 4(實數(shù)閉區(qū)間上的連續(xù)歸納法)設 I是閉區(qū)間[a,

b],P(x)是關于實數(shù) x∈I的一個命題,如果:

(i)有 x0∈I,當 I中的 a≤x≤x0時,P(x)成立;

(ii)如果對所有小于等于 y的 x∈I,P(x)成立,則有

I中的 z≥y,使得對所有小于等于 z的 x∈I,P(x)成立;

則對所有 x∈I,P(x)成立.

證:構造一個實數(shù) x的命題 P(x)*,使得在 x∈[a,b]時,P(x)*仍為 P(x),而當 xb時,P(x)*:x=x.根據(jù)定理 4可證明 P(x)*對一切實數(shù)成立,從而證明本定理成立.

在實際應用的過程中,還衍生出了其他形式的連續(xù)歸納法. 定理 5(絕對值形式的連續(xù)歸納法)設 P(x)是一個涉及實數(shù) x的命題,如果:

(1)有某個 x0>0,使對一切|x|

(2)若對一切|x|0)有 P(x)成立,則有 z>y,

使得 P(x)對一切 |x|

則對一切實數(shù) x,P(x)成立.

證:證集合 Σ={x|p(x)不成立 }=..

定理 6(“擴張”形式的連續(xù)歸納法)設 P(x)是定義在

(a,b)內的命題函數(shù),如果

證:采用集合論的思想進行證明.設集合

,}a0≥S|x∈{x.

}不成立)x(P且

,a0∈(x,使對一切的)b,a(.

)b0,a0)有某個(l(a≥S|x

b0)有 P(x)成立;

)成立,x(P)有b,a(.

)bl,al∈(x)若對一切2(.

)2b,2a∈(x,使一切l(wèi)>b2b,l

下證 Σ=..用反證法,若 Σ≠.,

由良序集必有昀小元知 Σ中有昀小元 m,滿足 m≥a0,且 P

(a,b)有 P(x)

成立.

那么對一切 x∈(a,b)有 P(x)成立.

證:證集合 Σ={x∈(a,b)|p(x)不成立}=..

應用連續(xù)歸納法,可以證明連續(xù)函數(shù)的確界存在定理、區(qū)間套定理、有限覆蓋定理、有界性定理、介值定理、昀大值定理等重要定理.

三、結語

本文歸納整理了數(shù)學歸納法各種形式的推廣,對證明方法進行了簡單的敘述,數(shù)學歸納法是數(shù)學證明中的重要而有力的工具,從正整數(shù)集到良序集,再到實數(shù)集,都有著各自的形式并得到了廣泛的應用,為數(shù)學證明提供了一種新思路,甚至可以使原本復雜的證明變得簡便.

參考文獻:

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