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数学B

数学すうがくてき帰納きのうほう

最終確認日:

このしょうまなぶこと

数学的帰納法すうがくてききのうほう (mathematical induction) は、 「すべてのぜんnn について命題めいだいP(n)P(n)」 ことをしょうめいする強力きょうりょく方法ほうほう漸化式ぜんかしきすいそくした一般項いっぱんこうや、 不等式ふとうしきせいじょせいしょうめいなど、 入試にゅうし頻出ひんしゅつのテクニックです。

  • 数学すうがくてき帰納きのうほう の 2 ステップこうぞうかいする
  • てい (n=1n = 1) と 帰納段階きのうだんかい (kk+1k \to k+1) のやくわり
  • 等式とうしきしょうめい (れい: k\sum k公式こうしき)
  • 不等式ふとうしきしょうめい (れい: 2n>n2^n > n)
  • せいじょせいしょうめい (れい: n3nn^3 - n は 6 のばいすう)

ポイント: 数学すうがくてき帰納きのうほうドミノ理論どみのりろん でイメージ。 「1 ばんたお」 + 「kkばんたおれれば k+1k+1ばんたおれる」 → すべてたおれる。

1. 数学すうがくてき帰納きのうほう仕組しく

2 ステップのなが

すべてのぜんnn命題めいだいP(n)P(n)つことをしめすには、 つぎの 2 つをしょうめいすればよい。

  1. 基底きてい (Step 1): P(1)P(1)
  2. 帰納段階きのうだんかい (Step 2): P(k)P(k)つと てい すれば P(k+1)P(k+1)

ドミノでイメージ

じょうけんドミノのたと
Step 11 ばんのドミノたお
Step 2kkばんたおれれば k+1k+1ばんかならたおれる (連鎖れんさ)
けつろんすべてのドミノたおれる

大事だいじ: Step 2 で使つかう 「P(k)P(k)つ」 という仮定かてい帰納法の仮定きのうほうのかていびます。 これは 「しょうめい中に使つかどう」 であり、 しょうめいわるまではていされたじょうたい

2. 等式とうしき証明しょうめい

例題れいだい 1: k=1nk=n(n+1)2\sum_{k=1}^{n} k = \dfrac{n(n+1)}{2}しょうめいせよ

しょうめい:

Step 1 (n=1n = 1): へん =1= 1へん =122=1= \dfrac{1 \cdot 2}{2} = 1。 → 成立せいりつ

Step 2 (n=kn = k成立せいりつ仮定かてい): i=1ki=k(k+1)2\sum_{i=1}^{k} i = \dfrac{k(k+1)}{2}てい。 このとき n=k+1n = k+1

i=1k+1i=i=1ki+(k+1)=k(k+1)2+(k+1)\sum_{i=1}^{k+1} i = \sum_{i=1}^{k} i + (k+1) = \frac{k(k+1)}{2} + (k+1) =(k+1)k+22=(k+1)(k+2)2= (k+1) \cdot \frac{k + 2}{2} = \frac{(k+1)(k+2)}{2}

これは n=k+1n = k+1 のときの公式こうしきいっ。 → 成立せいりつ

Step 1, 2 より、 すべてのぜんnn等式とうしきつ。 □

3. 不等式ふとうしき証明しょうめい

例題れいだい 2: n5n \geq 5 のとき 2n>n22^n > n^2しょうめいせよ

しょうめい: n5n \geq 5かんがえるので、 Step 1 は n=5n = 5 からスタート。

Step 1 (n=5n = 5): 25=32>25=522^5 = 32 > 25 = 5^2。 → 成立せいりつ

(さんこう: n=4n = 4 では 24=16=422^4 = 16 = 4^2等号とうごう成立せいりつするため、 厳みつとうごう2n>n22^n > n^2n5n \geq 5 のときに成立せいりつする。)

Step 2 (n=kn = k成立せいりつ仮定かてい, k5k \geq 5): 2k>k22^k > k^2ていn=k+1n = k+1 では

2k+1=22k>2k22^{k+1} = 2 \cdot 2^k > 2 k^2

2k2(k+1)22 k^2 \geq (k+1)^2しめせばよい。 2k2(k+1)2=k22k1=(k1)222k^2 - (k+1)^2 = k^2 - 2k - 1 = (k-1)^2 - 2k5k \geq 5(k1)216>2(k-1)^2 \geq 16 > 2 なので 2k2>(k+1)22k^2 > (k+1)^2

したがって 2k+1>(k+1)22^{k+1} > (k+1)^2。 → 成立せいりつ

Step 1', 2 より n5n \geq 5不等式ふとうしきつ。 □

4. 整除せいじょせい証明しょうめい

例題れいだい 3: すべてのぜんnnn3nn^3 - n は 6 のばいすうしょうめいせよ

しょうめい:

Step 1 (n=1n = 1): 131=0=601^3 - 1 = 0 = 6 \cdot 0。 → 6 の倍数ばいすう

Step 2 (n=kn = k成立せいりつ仮定かてい): k3k=6mk^3 - k = 6m (mm整数せいすう) とてい

(k+1)3(k+1)=k3+3k2+3k+1k1=(k3k)+3k(k+1)(k+1)^3 - (k+1) = k^3 + 3k^2 + 3k + 1 - k - 1 = (k^3 - k) + 3k(k+1)

=6m+3k(k+1)= 6m + 3k(k+1)。 ここで k(k+1)k(k+1)れんぞく 2 整数せいすうせきかならぐうすう なので 3k(k+1)3k(k+1) は 6 の倍数ばいすう。 したがって (k+1)3(k+1)(k+1)^3 - (k+1) は 6 の倍数ばいすう。 → 成立せいりつ

Step 1, 2 よりすべてのぜんnn で 6 の倍数ばいすう。 □

5. ぜんしき数学すうがくてき帰納きのうほう

ぜんしきすいそくした一般いっぱんこうしょうめい するのがひょうじゅんてき使つかかた

例題れいだい 4

a1=1a_1 = 1an+1=2an+1a_{n+1} = 2a_n + 1たす数列すうれつについて、 an=2n1a_n = 2^n - 1 となることをしょうめいせよ。

しょうめい:

Step 1 (n=1n = 1): a1=1=211a_1 = 1 = 2^1 - 1

Step 2 (n=kn = k成立せいりつ仮定かてい): ak=2k1a_k = 2^k - 1ていぜんしきから

ak+1=2ak+1=2(2k1)+1=2k+12+1=2k+11a_{k+1} = 2 a_k + 1 = 2(2^k - 1) + 1 = 2^{k+1} - 2 + 1 = 2^{k+1} - 1

n=k+1n = k+1成立せいりつ

したがって an=2n1a_n = 2^n - 1 (n1n \geq 1)。 □

6. よくあるあやま

NG パターン

あやまなぜダメか
Step 1 をばす1 ばんのドミノがったままになる
P(k+1)P(k+1)つとてい」 とけつろんていしてしまう (循環論法じゅんかんろんぽう)
Step 2 で n=kn = kてい使つかわずにしょうめい帰納きのう連鎖れんされる (帰納法の意味なし)

大事だいじ: 数学すうがくてき帰納きのうほうでは、 しょうめい文中ぶんちゅうで 「てい」 ということかなら こと。 採点さいてんしゃに 「てい使つかいました」 とめいするのがマナー。

7. まとめ

ようパターン
等式とうしき (\sum公式こうしきなど)P(k)P(k+1)P(k) \to P(k+1) で 1 こう
不等式ふとうしきていからひょう
せいじょせいていP(k+1)P(k)P(k+1) - P(k)利用りよう
ぜんしき一般いっぱんこうぜんしきかたちをそのまま使つか

8. つよ帰納きのうほう

通常つうじょう帰納きのうほうとのちが

つうじょう帰納きのうほう (Step 2 で 「P(k)P(k)てい」) ではちからそくあい強い帰納法つよいきのうほう使つかう。

Step 2 でていするもの名称めいしょう
P(k)P(k) だけつうじょう帰納きのうほう
P(1),P(2),,P(k)P(1), P(2), \ldots, P(k) すべて強い帰納法つよいきのうほう

大事だいじ: どちらも 「すべてのぜんnnP(n)P(n)つ」 というけつろんおなじ。 どちらかでしょうめいできれば、 おなじことがえる。

例題れいだい 5 (フィボナッチ数列すうれつ性質せいしつ)

フィボナッチ数列ふぃぼなっちすうれつ F1=1,F2=1,Fn+2=Fn+1+FnF_1 = 1, F_2 = 1, F_{n+2} = F_{n+1} + F_n について、 すべてのぜんnnFn1F_n \geq 1 であることをつよ帰納きのうほうしょうめいせよ。

しょうめい:

Step 1: n=1,2n = 1, 2F1=F2=11F_1 = F_2 = 1 \geq 1

Step 2: nkn \leq kFn1F_n \geq 1ていk+13k+1 \geq 3 ならば

Fk+1=Fk+Fk11+1=21F_{k+1} = F_k + F_{k-1} \geq 1 + 1 = 2 \geq 1

成立せいりつ

したがってすべての nnFn1F_n \geq 1。 □

9. 帰納きのうほう使つかえないケース (盲点もうてん)

「すべてのうまおないろ」 という てんてきジョークっていますか?

主張しゅちょう: nn頭のうまはどのグループでも全員ぜんいんおないろ

偽証明ぎしょうめい:

  • Step 1 (n=1n = 1): 1 あたまだけなら当然とうぜんおないろ
  • Step 2 (n=kn = k成立せいりつ仮定かてい): k+1k+1頭をならべたとき、 前kk頭と後kk頭はそれぞれ全員ぜんいんおないろ (ていより)、 じゅうなりがあるから全員ぜんいんおないろ

けつろん: 「すべてのうまおないろ」 (あきらかにあやまり)

どこが間違まちがいか: Step 2 は k+13k+1 \geq 3 のときしかかさなりが発生はっせいしないk=1k = 1k+1=2k+1 = 2 ではまえ 1 あたま 1 あたまかさならず、 連鎖れんされる。

大事だいじ: 帰納きのうほうでは 「Step 2 がすべての kk機能きのうするか」 をきびしくかくにん する。 「じゅうなりがあるからおなじ」 というろんは、 じゅうなりがないしょだんかいたんすることがある。

しょう: だい 5 しょうから 確率分布かくりつぶんぷはいります。 数列すうれつとはべつだいですが、 たいあたい = xP\sum x \cdot P のように \sumだいかつやくします。

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