Posts Tagged ‘Inducción matemática’

La fórmula del binomio

09/10/2009

Teorema. Si a,b \in \mathbb{R} son números reales y n \in \mathbb{N} es un número natural entonces se tiene la identidad

\displaystyle{(a+b)^n = \sum_{k=0}^n \left ( \hskip -1ex\begin{array}{c} n \\ k \end{array}\hskip -1ex \right ) a^{n-k}\,b^k.}

Demostración. Razonamos por inducción matemática. La identidad es trivial cuando n=1 puesto que

\displaystyle{(a+b)^1 = \left ( \hskip -1ex\begin{array}{c} 1 \\ 0 \end{array}\hskip -1ex \right ) a + \left ( \hskip -1ex\begin{array}{c} 1 \\ 1 \end{array}\hskip -1ex \right ) b.}

Supongamos que el resultado es cierto para un número natural n \in \mathbb{N}. Observemos que (a+b)^{n+1} = a(a+b)^n + b(a+b)^n. Aplicando ahora la hipótesis de inducción resulta

\displaystyle{(a+b)^{n+1} = \sum_{k=0}^n \left ( \hskip -1ex\begin{array}{c} n \\ k \end{array}\hskip -1ex \right ) a^{n+1-k}\,b^k + \sum_{k=0}^n \left ( \hskip -1ex\begin{array}{c} n \\ k \end{array}\hskip -1ex \right ) a^{n-k}\,b^{k+1}.}

El segundo término de la derecha se puede expresar como

\displaystyle{\sum_{k=1}^{n+1} \left ( \hskip -1ex\begin{array}{c} n \\ k-1 \end{array}\hskip -1ex \right ) a^{n+1-k}\,b^k,}

de donde se sigue que

\displaystyle{(a+b)^{n+1} = a^{n+1}+b^{n+1} + \sum_{k=1}^n \left [ \left ( \hskip -1ex\begin{array}{c} n \\ k \end{array}\hskip -1ex \right )  +  \left ( \hskip -1ex\begin{array}{c} n \\ k-1 \end{array}\hskip -1ex \right ) \right ] a^{n+1-k}\,b^k.}

Teniendo en cuenta la identidad de Pascal

\displaystyle{\left ( \hskip -1ex\begin{array}{c} n \\ k \end{array}\hskip -1ex \right )  +  \left ( \hskip -1ex\begin{array}{c} n \\ k-1 \end{array}\hskip -1ex \right )=\left ( \hskip -1ex\begin{array}{c} n+1 \\ k \end{array}\hskip -1ex \right ) }

se deduce que

\displaystyle{(a+b)^{n+1} = \sum_{k=0}^{n+1} \left ( \hskip -1ex\begin{array}{c} n+1 \\ k \end{array}\hskip -1ex \right ) a^{n+1-k}\,b^k,}

y esto completa el paso inductivo.

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Inducción matemática

08/10/2009

La inducción matemática es una forma de demostración que se usa para establecer la validez de una proposición acerca de los números naturales. Se procede probando que la proposición es cierta para el primer número natural y después probando que si la proposición es cierta para un número natural entonces también es cierta para el siguiente. Este método se puede enunciar formalmente del siguiente modo.


Principio de inducción matemática.
Sea P \subseteq \mathbb{N} y supongamos que

  • 1 \in P,
  • n \in P \Longrightarrow n+1 \in P.

Entonces P=\mathbb{N}.

El conjunto P representa a aquellos números naturales que satisfacen la proposición que se quiere demostrar. La condición n \in P se llama hipótesis de inducción y la implicación n \in P \Longrightarrow n+1 \in P se llama paso inductivo. La siguiente forma equivalente del principio de inducción matemática consiste en realizar la hipótesis de inducción sobre un número natural y todos los anteriores a él.


Principio de inducción completa.
Sea P \subseteq \mathbb{N} y supongamos que

  • 1 \in P,
  • \{1, \ldots ,  n\} \subseteq P \Longrightarrow n+1 \in P.

Entonces P=\mathbb{N}.