Indução e recorrências

Indução simples e forte, casos base, definições recursivas e soluções de recorrências.

TLDR

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Indução

Para P(n)P(n) com n≥n0n\ge n_0:

  1. Prova a base P(n0)P(n_0).
  2. Toma um k≥n0k\ge n_0 arbitrário e assume P(k)P(k).
  3. Deduz P(k+1)P(k+1) sem assumir essa conclusão.

A indução forte assume P(n0),…,P(k)P(n_0),\ldots,P(k) no passo; usa-a quando a decomposição pede um caso anterior a kk.

  • Exemplos isolados não provam a afirmação universal.
  • Confere se o passo funciona logo depois das bases. Para cobrir todos os valores n≥8n\ge8 com moedas de 3 e 5 por acrescentar 3, precisas das bases 8, 9 e 10.
  • Numa desigualdade, justifica a direção e o intervalo de cada comparação.

Para somas, separa o termo novo. Para n≥0n\ge0:

∑i=1ni2=n(n+1)(2n+1)6.\sum_{i=1}^{n}i^2=\frac{n(n+1)(2n+1)}6.

A base usa a soma vazia igual a zero. No passo, substitui a soma até kk pela hipótese e acrescenta (k+1)2(k+1)^2.

Para a divisibilidade, explicita o múltiplo. Se 5k−1=4q5^k-1=4q, então 5k+1−1=5(5k−1)+4=4(5q+1)5^{k+1}-1=5(5^k-1)+4=4(5q+1).

Em C2nC_{2n} bipartido, com base C4C_4: num ciclo de 2n+22n+2 vértices troca u−x−y−vu-x-y-v por uvuv, aplica a hipótese ao ciclo menor e repõe x,yx,y alternados. Um só vértice daria um ciclo ímpar, fora da hipótese.

Recorrências

Uma recorrência precisa das condições iniciais. Uma conjetura a partir dos primeiros termos verifica-se nas bases e na relação.

Nas Torres de Hanói, com nn discos e as regras habituais:

H0=0,Hn=2Hn−1+1,Hn=2n−1.H_0=0,\qquad H_n=2H_{n-1}+1,\qquad H_n=2^n-1.

São os movimentos mínimos: as duas transferências dos n−1n-1 discos menores e o disco maior impõem o mesmo limite que o algoritmo atinge.

Primeira ordem

Para an=ran−1+ba_n=ra_{n-1}+b, n≥1n\ge1, com a0a_0 dado:

an={rna0+brn−1r−1,r≠1,a0+nb,r=1.a_n=\begin{cases} r^na_0+b\dfrac{r^n-1}{r-1},&r\ne1,\\ a_0+nb,&r=1. \end{cases}

Por exemplo, a0=2a_0=2 e an=3an−1+1a_n=3a_{n-1}+1 dão (5⋅3n−1)/2(5\cdot3^n-1)/2. Confere o índice zero e a relação entre termos.

Segunda ordem

Para coeficientes constantes e n≥2n\ge2:

an=αan−1+βan−2,r2−αr−β=0.a_n=\alpha a_{n-1}+\beta a_{n-2},\qquad r^2-\alpha r-\beta=0.
  • As raízes distintas não nulas r1,r2r_1,r_2 dão an=Ar1n+Br2na_n=Ar_1^n+Br_2^n.
  • A raiz dupla não nula rr dá an=(A+Bn)rna_n=(A+Bn)r^n.
  • Determina AA e BB pelas duas condições iniciais. Trata à parte as raízes zero e os casos não homogéneos.

Para a0=2,a1=5a_0=2,a_1=5 e an=3an−1−2an−2a_n=3a_{n-1}-2a_{n-2}, as raízes são 1 e 2. A+B=2,A+2B=5A+B=2,A+2B=5 dão an=3⋅2n−1a_n=3\cdot2^n-1.

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