Johdatus matematiikkaan

Samankaltaiset tiedostot
Johdatus matematiikkaan

Esitetään tehtävälle kaksi hieman erilaista ratkaisua. Ratkaisutapa 1. Lähdetään sieventämään epäyhtälön vasenta puolta:

Johdatus matematiikkaan

Johdatus matematiikkaan

Johdatus matemaattiseen päättelyyn

Induktiota käyttäen voidaan todistaa luonnollisia lukuja koskevia väitteitä, jotka ovat muotoa. väite P(n) on totta kaikille n = 0,1,2,...

Todistusmenetelmiä Miksi pitää todistaa?

Ensimmäinen induktioperiaate

Ensimmäinen induktioperiaate

811120P Diskreetit rakenteet

4 Matemaattinen induktio

Diskreetin matematiikan perusteet Laskuharjoitus 1 / vko 8

= 3 = 1. Induktioaskel. Induktio-oletus: Tehtävän summakaava pätee jollakin luonnollisella luvulla n 1. Induktioväite: n+1

Johdatus matemaattiseen päättelyyn (5 op)

Todistamisessa on tärkeää erottaa tapaukset, kun sääntö pätee joillakin tai kun sääntö pätee kaikilla. Esim. On olemassa reaaliluku x, jolle x = 5.

a k+1 = 2a k + 1 = 2(2 k 1) + 1 = 2 k+1 1. xxxxxx xxxxxx xxxxxx xxxxxx

Johdatus matemaattiseen päättelyyn

Johdatus lukuteoriaan Harjoitus 11 syksy 2008 Eemeli Blåsten. Ratkaisuehdotelma

Matematiikan tukikurssi, kurssikerta 5

Matemaattisten työvälineiden täydentäviä muistiinpanoja

Matematiikan johdantokurssi, syksy 2016 Harjoitus 11, ratkaisuista

(2n 1) = n 2

Matematiikassa väitelauseet ovat usein muotoa: jos P on totta, niin Q on totta.

Kurssikoe on maanantaina Muista ilmoittautua kokeeseen viimeistään 10 päivää ennen koetta! Ilmoittautumisohjeet löytyvät kurssin kotisivuilla.

Tehtävä 1. Oletetaan että uv on neliö ja (u, v) = 1. Osoita, että kumpikin luvuista u ja v on. p 2j i. p j i

Lukuteoria. Eukleides Aleksandrialainen (n. 300 eaa)

Johdatus matemaattiseen päättelyyn

2.1. Tehtävänä on osoittaa induktiolla, että kaikille n N pätee n = 1 n(n + 1). (1)

(iv) Ratkaisu 1. Sovelletaan Eukleideen algoritmia osoittajaan ja nimittäjään. (i) 7 = , 7 6 = = =

Matematiikan mestariluokka, syksy

Vastaoletuksen muodostaminen

Johdatus matemaattiseen päättelyyn

Vastaus 1. Lasketaan joukkojen alkiot, ja todetaan, että niitä on 3 molemmissa.

Miten perustella, että joukossa A = {a, b, c} on yhtä monta alkiota kuin joukossa B = {d, e, f }?

Johdatus matematiikkaan

Juuri 11 Tehtävien ratkaisut Kustannusosakeyhtiö Otava päivitetty

Miten osoitetaan joukot samoiksi?

Tekijä Pitkä Matematiikka 11 ratkaisut luku 2

Vaihtoehtoinen tapa määritellä funktioita f : N R on

Rekursio. Funktio f : N R määritellään yleensä antamalla lauseke funktion arvolle f (n). Vaihtoehtoinen tapa määritellä funktioita f : N R on

Jokaisen parittoman kokonaisluvun toinen potenssi on pariton.

JOHDATUS MATEMATIIKKAAN

Tehtäväsarja I Seuraavissa tehtävissä harjoitellaan erilaisia todistustekniikoita. Luentokalvoista 11, sekä voi olla apua.

1 Lukujen jaollisuudesta

Yhtäpitävyys. Aikaisemmin osoitettiin, että n on parillinen (oletus) n 2 on parillinen (väite).

TIEA241 Automaatit ja kieliopit, kevät 2011 (IV) Antti-Juhani Kaijanaho. 16. maaliskuuta 2011

Johdatus matemaattiseen päättelyyn

Reaaliluvut 1/7 Sisältö ESITIEDOT:

JOHDATUS LUKUTEORIAAN (syksy 2017) HARJOITUS 3, MALLIRATKAISUT

Johdatus yliopistomatematiikkaan. JYM, Syksy /197

802328A LUKUTEORIAN PERUSTEET OSA III BASICS OF NUMBER THEORY PART III. Tapani Matala-aho MATEMATIIKKA/LUTK/OULUN YLIOPISTO

1 sup- ja inf-esimerkkejä

1. Osoita, että joukon X osajoukoille A ja B on voimassa toinen ns. de Morganin laki (A B) = A B.

a) Mitkä seuraavista ovat samassa ekvivalenssiluokassa kuin (3, 8), eli kuuluvat joukkoon

Alkulukujen harmoninen sarja

MATEMATIIKAN JA TILASTOTIETEEN LAITOS Analyysi I Ohjaus 1 / Ratkaisuehdotuksia (AK) alkavalle viikolle

Kokonaisluvut. eivät ole kokonaislukuja!

802328A LUKUTEORIAN PERUSTEET OSA III BASICS OF NUMBER THEORY PART III

1 sup- ja inf-esimerkkejä

Matematiikan tukikurssi, kurssikerta 2

Ketjumurtoluvut ja Pellin yhtälö

Lukuteoria. Eukleides Aleksandrialainen (n. 300 eaa)

X R Matematiikan johdantokurssi, syksy 2016 Harjoitus 5, ratkaisuista

MS-A0402 Diskreetin matematiikan perusteet Esimerkkejä, todistuksia ym., osa I

Analyysi III. Jari Taskinen. 28. syyskuuta Luku 1

Määritelmä, alkuluku/yhdistetty luku: Esimerkki . c) Huomautus Määritelmä, alkutekijä: Esimerkki

Äärettömistä joukoista

Determinantti 1 / 30

1 Peruslaskuvalmiudet

3. Kirjoita seuraavat joukot luettelemalla niiden alkiot, jos mahdollista. Onko jokin joukoista tyhjä joukko?

Injektio. Funktiota sanotaan injektioksi, mikäli lähtöjoukon eri alkiot kuvautuvat maalijoukon eri alkioille. Esim.

JOHDATUS MATEMATIIKKAAN. Petri Juutinen

Johdatus diskreettiin matematiikkaan (syksy 2009) Harjoitus 3, ratkaisuja Janne Korhonen

Valitse kuusi tehtävää! Kaikki tehtävät ovat 6 pisteen arvoisia.

MS-A0402 Diskreetin matematiikan perusteet Esimerkkejä, todistuksia ym., osa I

MS-A0402 Diskreetin matematiikan perusteet Esimerkkejä ym., osa I

Ketjumurtoluvut, ratkaisuja demotehtäviin 1

2017 = = = = = = 26 1

Yleiset ketjumurtoluvut ja piin irrationaalisuus

Reaaliluvut. tapauksessa metrisen avaruuden täydellisyyden kohdalla. 1 fi.wikipedia.org/wiki/reaaliluku 1 / 13

Matematiikan tukikurssi

} {{ } kertaa jotain

Vieruskaverisi on tämän päivän luennolla työtoverisi. Jos sinulla ei ole vieruskaveria, siirry jonkun viereen. Esittäytykää toisillenne.

Johdatus matematiikkaan

Johdatus matemaattiseen päättelyyn

Sekalaiset tehtävät, 11. syyskuuta 2005, sivu 1 / 13. Tehtäviä

Testaa taitosi 1: Lauseen totuusarvo

MS-A0402 Diskreetin matematiikan perusteet Esimerkkejä ym., osa I

Perustehtävät. Kompleksitehtävät, 10/9/2005, sivu 1 / 10. Tehtävä 1. Sievennä 1.

2.2 Neliöjuuri ja sitä koskevat laskusäännöt

Perustele vastauksesi hyvin ja selvästi! Esitä riittävästi lähdeviittauksia: mitä tämän kurssin määritelmää, lausetta, esimerkkiä tms. hyödynnät.

Ekvivalenssirelaatio. Määritelmä 2 Joukon A binäärinen relaatio R on ekvivalenssirelaatio, mikäli. Jos R on ekvivalenssirelaatio ja a A, niin joukkoa

-Matematiikka on aksiomaattinen järjestelmä. -uusi tieto voidaan perustella edellisten tietojen avulla, tätä kutsutaan todistamiseksi

reaalifunktioiden ominaisuutta, joiden perusteleminen on muita perustuloksia hankalampaa. Kalvoja täydentää erillinen moniste,

Tietorakenteet, laskuharjoitus 1,

Luonnollisten lukujen ja kokonaislukujen määritteleminen

Johdatus yliopistomatematiikkaan. JYM, Syksy2015 1/195

Matemaattisen analyysin tukikurssi. 1. Kurssikerta ( )

Valitse vain 6 tehtävää! Kaikkiin tehtäviin tarvittavat välivaiheet esille!

IV. TASAINEN SUPPENEMINEN. f(x) = lim. jokaista ε > 0 ja x A kohti n ε,x N s.e. n n

Transkriptio:

Johdatus matematiikkaan Luento 4 Mikko Salo 4.9.2017

Sisältö 1. Rationaali ja irrationaaliluvut 2. Induktiotodistus

Rationaaliluvut Määritelmä Reaaliluku x on rationaaliluku, jos x = m n kokonaisluvuille m ja n, missä n 1. joillekin Määritelmä Reaaliluku x on irrationaaliluku, jos se ei ole rationaaliluku. Esimerkki Luvut 7 1, 2 ja ovat rationaalilukuja. Luvut 2 ja π ovat 8 100 irrationaalilukuja.

Rationaaliluvut Halutaan osoittaa, että 2 on irrationaaliluku. Kerrataan: Määritelmä Luku n 2 on alkuluku, jos se on jaollinen vain luvuilla 1 ja n. Aritmetiikan peruslause Jokainen kokonaisluku n 2 voidaan kirjoittaa muodossa n = p 1 p 2 p k, missä p 1,..., p k ovat alkulukuja. Nyt jos x = m on rationaaliluku, aritmetiikan peruslauseen n nojalla m (tai m) ja n ovat alkulukujen tuloja (tai ykkösiä). Supistamalla yhteiset tekijät lausekkeesta m voidaan olettaa, n että x = k l missä kokonaisluvuilla k ja l ei ole yhteisiä tekijöitä.

2 on irrationaalinen Lause. 2 on irrationaalinen. Todistus. Tehdään vastaväite: 2 on rationaaliluku. Tällöin 2 = m n joillekin kokonaisluvuille m ja n, joilla ei ole yhteistä tekijää. Korotetaan toiseen potenssiin ( 2:n määritelmä): 2 = m2 n 2. Siis m 2 = 2n 2. Tästä seuraa että m on parillinen 1, ts. m = 2k jollekin k, ja 2n 2 = m 2 = (2k) 2 = 4k 2. Tälloin n 2 = 2k 2 on parillinen, joten n on parillinen 1. Siis m ja n ovat parillisia, mikä on ristiriita, sillä luvuilla m ja n ei ole yhteistä tekijää. 1 Perustele! (Epäsuora todistus tai aritmetiikan peruslause)

Desimaalikehitelmistä Kysymys Onko luku 0,10 100 1000 10000 rationaaliluku? Tutkitaan yksinkertaisten rationaalilukujen desimaalikehitelmiä: 1 2 = 0,5 1 3 = 0,3333333 1 4 = 0,25 1 5 = 0,2 1 6 = 0,1666666 1 7 = 0,142857142857 Rationaalilukujen desimaalikehitelmät näyttävät olevan äärellisiä tai jaksollisia!

Desimaalikehitelmistä Lause Reaaliluku x on rationaaliluku jos ja vain jos sen desimaalikehitelmä on päättyvä tai jaksollinen jostain eteenpäin. Lauseen nojalla 0,10 100 1000 10000 ei ole rationaaliluku. Lisäksi mm. desimaalikehitelmät 2 = 1,414213562373095... π = 3,141592653589793... jatkuvat loputtomasti toistamatta itseään!

Desimaalikehitelmistä Esimerkki. Osoitetaan, että 11 6 = 1,8333333.... Koska 11 = 1 6 + 5 (11 jaetaan 6:lla, jakojäännös on 5), Saadaan 11 6 = 1 + 5 6 = 1 + 1 10 50 6, 50 6 = 8 + 2 6 = 8 + 1 10 20 6, 20 6 = 3 + 2 6 = 3 + 1 10 20 6,... 11 6 = 1 + 1 10 50 6 = 1 + 8 10 + 1 100 20 6 = 1 + 8 10 + 3 100 + 1 100 20 6 = 1,8333333.... Samoin rationaaliluvun x = m kehitelmä on lopulta jaksollinen n (jakojäännös on n 1, alkaa toistua jossain vaiheessa).

Desimaalikehitelmistä Esimerkki. Osoitetaan, että 1,8333333... = 11 6. Merkitään x = 1,8333333.... Tällöin Saadaan 100x = 183,333333..., 10x = 18,333333.... Tällöin 90x = 165. Siis 100x 10x = 183,333... 18,333... x = 165 90 = 5 33 5 18 = 33 18 = 11 6.

Reaaliluvuista Olemme nähneet, että reaaliluvut jakautuvat rationaalilukuihin (esim. 7 8, 2 tai 1 100 ) ja irrationaalilukuihin (esim. 2 tai π). Sekä rationaali- ja irrationaalilukuja on äärettömästi, mutta rationaalilukuja on yhtä paljon kuin positiivisia kokonaislukuja (1, 2, 3, 4,...) irrationaalilukuja on yhtä paljon kuin reaalilukuja irrationaalilukuja on enemmän kuin rationaalilukuja (jotkut äärettömät ovat suurempia kuin toiset äärettömät!) Rationaalilukuja on huomattavasti vähemmän kuin irrationaalilukuja, mutta nekin ovat silti tiheässä lukusuoralla!

Sisältö 1. Rationaali ja irrationaaliluvut 2. Induktiotodistus

Induktiotodistus Tällä kurssilla esitellään seuraavat todistustekniikat: suora todistus epäsuora todistus induktiotodistus Seuraavaksi käsitellään induktiotodistusta.

Induktiotodistus Induktio on hyödyllinen periaate, jonka avulla voidaan todistaa väitteitä muotoa P(n) on tosi kaikille positiivisille kokonaisluvuille n. Induktiotodistuksessa on kolme vaihetta: 1. Perusaskel. Todista väite kun n = 1 (ts. todista P(1)). 2. Induktio-oletus. Oleta väite todeksi tapauksessa n = k, missä k 1 on mielivaltainen (ts. oleta P(k)). 3. Induktioaskel. Todista väite tapauksessa n = k + 1, kun oletetaan, että väite on tosi tapauksessa n = k (ts. todista P(k + 1)).

Induktiotodistus Induktio on validi päättelysääntö (seuraa joukko-opin aksioomista). Induktioperiaatetta voi kuvata dominolaattajonolla. Perusaskel P(1) kaataa ensimmäisen laatan. Induktioaskel P(k) P(k + 1) varmistaa, että edellinen laatta kaataa aina seuraavan.

Esimerkki 1 Väite. Kaikille n = 1, 2, 3,... pätee 1 + 2 +... + n = n(n+1) 2. Todistus. Todistetaan väite induktiolla. 1. Perusaskel. Väite pätee kun n = 1, sillä 1 = 1(1+1) 2. 2. Induktio-oletus. Oletetaan, että 1 + 2 +... + k = k(k+1) 2. 3. Induktioaskel. Todistetaan 1 + 2 +... + (k + 1) = (k+1)(k+2) 2. Induktio-oletuksen nojalla 1 + 2 +... + k + (k + 1) = = k(k + 1) + 2(k + 1) 2 k(k + 1) + (k + 1) 2 (k + 1)(k + 2) =. 2 Induktioaskel on valmis. Väite seuraa induktioperiaatteen nojalla.

Esimerkki 1 Edellä todistettiin induktiolla summakaava Tästä saadaan erityisesti 1 + 2 +... + n = n(n + 1). 2 1 + 2 +... + 100 = 100 101 2 = 5050. Tämä osoitettiin ensimmäisellä luennolla suoralla todistuksella (ryhmittelemällä termit pareiksi). Samalle väitteelle voi olla monia erilaisia todistuksia!

Esimerkki 2 Väite. Kaikille n = 1, 2, 3,... pätee 3 n 3 n. Todistus. Todistetaan väite induktiolla. 1. Perusaskel. Väite pätee kun n = 1, sillä 1 3 1 = 0, ja 0 on jaollinen luvulla 3 (sillä 0 = 3 0). 2. Induktio-oletus. Oletetaan, että 3 k 3 k. 3. Induktioaskel. Todistetaan, että 3 (k + 1) 3 (k + 1). Nyt (k + 1) 2 (k + 1) (k + 1) = (k 2 + 2k + 1)(k + 1) (k + 1) = k 3 + 3k 2 + 3k + 1 (k + 1) = k 3 k + 3k 2 + 3k. Induktio-oletuksen nojalla k 3 k = 3m jollekin m. Saadaan (k + 1) 3 (k + 1) = 3m + 3k 2 + 3k = 3(m + k 2 + k). Siis 3 (k + 1) 3 (k + 1). Tämä todistaa väitteen.

Esimerkki 3 (Bernoullin epäyhtälö) Väite. Jos x > 1, niin (1 + x) n 1 + nx kaikille n = 1, 2, 3,.... Todistus. Todistetaan väite induktiolla. 1. Perusaskel. Väite pätee kun n = 1, sillä (1 + x) 1 = 1 + 1 x. 2. Induktio-oletus. Oletetaan, että (1 + x) k 1 + kx. 3. Induktioaskel. Todistetaan, että (1 + x) k+1 1 + (k + 1)x. Nyt (1 + x) k+1 = (1 + x)(1 + x) k. Koska x > 1, pätee 1 + x > 0. Induktio-oletuksen nojalla (1+x) k+1 (1+x)(1+kx) = 1+kx +x +kx 2 1+(k +1)x. Siis (1 + x) k+1 1 + (k + 1)x. Tämä todistaa väitteen.

Esimerkki 3 Bernoullin epäyhtälöstä seuraa esimerkiksi, että kaikilla n 1 ( 1 + 1 ) n 1 + n 1 n n = 2. Tiedetään, että ( 1 + 1 n) n e 2,71828182845.... kun n.

Induktiotodistus Yleisiä huomioita induktiosta: Induktioaskel on usein todistuksen työläin vaihe. Se voi vaatia induktio-oletuksen lisäksi muita argumentteja. Induktion voi aloittaa tapauksesta n = n 0, missä n 0 1 (esim. n 0 = 2). Tällöin väite saadaan kaikille n n 0. Induktiolla voi olla helppoa todistaa kaavoja, joita ei aina ole helppo löytää (esim. 1 + 2 +... + n = n(n+1) )! 2 Erikoistapaukset (pienet n) voivat auttaa kaavan löytämisessä.

Vahva induktio Vahvalla induktioperiaatteella voi myös todistaa väitteitä P(n) on tosi kaikille n = 1, 2, 3,.... Vahva induktiotodistus käsittää kolme vaihetta: 1. Perusaskel. Todista väite kun n = 1 (ts. todista P(1)). 2. Induktio-oletus. Oleta väite todeksi tapauksessa n k (ts. oleta P(1), P(2),..., P(k)). 3. Induktioaskel. Todista väite tapauksessa n = k + 1, kun oletetaan, että väite on tosi tapauksessa n k (ts. todista P(k + 1)). Vahva induktioperiaate seuraa tavallisesta induktiosta (miksi?).

Fibonaccin luvut Fibonaccin luvut F n (vuodelta 1202) määritellään kaavalla { 1, n = 1, 2, F n = F n 1 + F n 2, n 3 Fibonaccin lukuja: 1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, 55, 89,.... Fibonaccin lukuja esiintyy monissa yhteyksissä (kombinatoriikka, Hilbertin 10. ongelma, tietorakenteet, taloustiede). Niitä voidaan havaita myös erilaisissa luonnossa esiintyvissä kuvioissa (mm. kukintojen rakenne).

Vahva induktio Väite. F n = (1+ 5) n (1 5) n 2 n. 5 Todistus. Todistetaan väite vahvalla induktiolla. 1. Perusaskel. Väite pätee kun n = 1 ja n = 2, sillä (1 + 5) 2 (1 5) 2 2 2 5 (1 + 5) 1 (1 5) 1 2 1 5 2. Induktio-oletus. Oletetaan, että = 1, = (1 + 2 5 + 5) (1 2 5 + 5) 4 5 = 1. F l = (1 + 5) l (1 5) l 2 l, l k. 5

Vahva induktio 3. Induktioaskel. Määritelmä ja induktio-oletus antavat F k+1 = F k + F k 1 = (1 + 5) k (1 5) k 2 k 5 + (1 + 5) k 1 (1 5) k 1 2 k 1 5 = 2(1 + 5) k 2(1 5) k + 4(1 + 5) k 1 4(1 5) k 1 2 k+1 5 = (4 + 2(1 + 5))(1 + 5) k 1 (4 + 2(1 5))(1 5) k 1 2 k+1 5 = (1 + 2 5 + 5)(1 + 5) k 1 (1 2 5 + 5)(1 5) k 1 2 k+1 5 = (1 + 5) 2 (1 + 5) k 1 (1 5) 2 (1 5) k 1 2 k+1 5 = (1 + 5) k+1 (1 5) k+1 2 k+1. 5