Дедукция и индукция

В основу всякого научного исследования, в том числе и математического, лежат дедуктивный и индуктивный методы. Дедукция (от латинского “deductio” - выведение) - переход от общего к частному, индукция (от латинского “inductio” - наведение) - вид обобщений, связанных с предвосхищением результатов наблюдений и экспериментов на основе данных прошлых лет. В математике дедуктивный метод мы применяем, например, в рассуждениях такого типа: данная фигура - прямоугольник; у каждого прямоугольника диагонали равны. Индуктивный подход обычно начинается с анализа и сравнения данных наблюдения или эксперимента. Многократность повторения какого-либо факта приводит к индуктивному обобщению. Индуктивный подход люди, часто сами того не замечая, применяют почти во всех сферах деятельности. Так, например, рассуждения, с помощью которых суд приходит к решению, можно сравнить с индуктивными рассуждениями. Такие сравнения уже предлагались и обсуждались авторитетами по судебной практике. На основании некоторых известных фактов выдвигается какое-либо предположение (гипотеза). Если всё вновь выявленные факты не противоречат этому предположению и являются следствием его, то это предположение становится более правдоподобным. Конечно, для практики повседневного и научного мышления характерны обобщения на основе исследования не всех случаев, а только некоторых, поскольку число всех случаев, как правило, практически необозримо. Такие обобщения называются неполной индукцией.

Если же общее утверждение удаётся доказать во всех возможных случаях, то такая индукция называется полной. Результат, полученный неполной индукцией, вообще говоря, не является логически обоснованным, доказанным. Известно много случаев, когда утверждения, полученные неполной индукцией, были неверными В математике примером такого утверждения может служить следующее. Рассматривая числа вида 2^2^n+1, французский математик П. Ферма заметил, что при n=1,2,3,4 получаются простые числа. Он предположил, что все числа такого вида простые. Однако Л. Эйлер нашел, что уже при n=5 число 2^32+1 не является простым: оно делится на 641. Вместе с тем неполная индукция является мощным эвристическим методом открытия новых истин, которые подтверждаются иногда спустя много лет. Тот же П. Ферма в 1630 г. сформулировал и другую теорему: “Для любого натурального числа n>2 уравнение x^n+y^n=z^n не имеет решений целых ненулевых числах x,y,z”. Многие математики пытались доказать или опровергнуть это утверждение, но только в 1993 году (спустя 360 лет!) американский математик из Принстонского университета Andrew Wiles (андре Вайлье) доказал эту теорему.

Интересно, что Л. Эйлеру принадлежит утверждение, которое до сих пор не доказано: “Любое целое число вида 8n=3 является суммой квадрата и удвоенного простого числа”. Сам Эйлер удовлетворился, что это утверждение верно для всех целых чисел такого вида до 200. После него такая эмпирическая работа была проведена для чисел до 1000. Доказывает ли это гипотезу Эйлера? Никоим образом. Тем не менее каждое подтверждение делает это предположение более правдоподобным.

Неполная индукция, как мы видели, приводит часто к ошибочным результатам. Метод полной индукции имеет лишь ограниченное применение. Многие интересные математические утверждения охватывают бесконечное число частных случаев, а провести проверку для бесконечного числа случаев человек не может.

Во многих случаях выход из такого рода затруднений заключается в обращении к особому методу рассуждений, называемому методом математической индукции. Доказательства этим методом опираются на следующую аксиому.

Утверждение, зависящее от натурального числа n, справедливо для любого n, если выполнены два условия:

а) утверждение справедливо при n=1;

б) при любом натуральном значении k из справедливости утверждения для n=k вытекает его справедливость и для n=k+1.

Приведем примеры доказательств методом математической индукции.

Пример 1. Доказать, что при любых n? N справедливо

Sn = 1+3+5+...+(2n-1)=n^2

Решение. а) S1 = 1 = 1^2, следовательно, утверждение равно при n=1.

б) Пусть k - любое натуральное число и пусть утверждение справедливо для n=k, то есть

Sk = 1+3+5+...+(2k-1)=k^2

Докажем, что тогда утверждение справедливо и для следующего натурального числа n=k+1, то есть докажем, что

Sk+1=1+3+5+...+(2k-1)+(2k+1)=(k+1)^2

В самом деле,

Sk+1 =Sk+)2k+1)=k^2+2k+1=(k+1)^2.

Тем самым по принципу математической индукции утверждение доказано для любого натурального значения n.

1. Арифметической прогрессией называется числовая последовательность, каждый член которой, начиная со второго, равен предыдущему, сложенному с одним и тем же числом. Это неизменное число называется разностью прогрессии. Члены арифметической прогрессии обозначают через a1, a2, ..., an, ..., разность прогрессии - через d.