§B1.6数学的帰納法

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数学的帰納法では、主張を示す範囲の最初の整数で主張が成り立つことを確かめ、範囲内のどの整数についても、その整数で主張が成り立つと仮定して次の整数でも成り立つことを示します。本記事では、数列の和、不等式、整除性、漸化式で定まる数列の一般項を題材に、この二つの段階を過不足なく書く練習をします。主張が成り立つ範囲に応じて、確かめる出発点を選びます。

1 証明の手順

定理 1.1 (数学的帰納法).mmを整数とし、mm以上の各整数nnに対して主張P(n)P(n)が定まっているとする。次の二つがともに成り立つならば、mm以上のすべての整数nnについてP(n)P(n)が成り立つ。

  1. P(m)P(m)が成り立つ。
  2. mm以上のどの整数kkについても、P(k)P(k)が成り立つならばP(k+1)P(k+1)が成り立つ。

証明. 各正の整数jjに対して、主張Q(j)Q(j)をP(m+j−1)P(m+j-1)と定める。Q(1)Q(1)はP(m)P(m)であり、条件 (a)により成り立つ。

正の整数jjを取り、k=m+j−1k=m+j-1とおく。kkはmm以上の整数であり、Q(j)Q(j)はP(k)P(k)、Q(j+1)Q(j+1)はP(k+1)P(k+1)であるから、条件 (b)により、Q(j)Q(j)が成り立つならばQ(j+1)Q(j+1)が成り立つ。

したがって§A3.10 定理 1.1をQQに適用すると、すべての正の整数jjについてQ(j)Q(j)が成り立つ。mm以上の整数nnはj=n−m+1j=n-m+1によってn=m+j−1n=m+j-1と表されるから、P(n)P(n)が成り立つ。▨

本記事では、条件 (a)を出発点、条件 (b)を帰納の段と呼びます。

答案は、次の順に書きます。

  • 示す主張P(n)P(n)と、nnの動く範囲を書きます。
  • P(m)P(m)を直接確かめます。
  • mm以上の整数kkを取り、P(k)P(k)が成り立つと仮定します。
  • P(k+1)P(k+1)の主張の形を書き、仮定したP(k)P(k)を用いてP(k+1)P(k+1)を導きます。このとき、仮定を用いた箇所が式のどこであるかまで示します。
  • 定理 1.1により、mm以上のすべての整数nnについてP(n)P(n)が成り立つと結論します。

注意 1.2. 帰納の段で仮定するのは、n=kn=kという等式ではなく、n=kn=kのときの主張P(k)P(k)である。kkはmm以上の整数を表す文字であり、値を一つに決めていない。答案では「n=kn=kのときの主張が成り立つと仮定する」と書き、その主張の式を書き下す。

注意 1.3. 帰納の段では、仮定したP(k)P(k)を実際に用いてP(k+1)P(k+1)を導く。仮定を用いずにP(k+1)P(k+1)を示すことができたのであれば、その主張は各nnについて直接示すことができており、数学的帰納法を用いる必要が無い。

2 等式の証明

はじめに、数列の和についての等式を証明します。帰納の段では、仮定した等式の両辺に第k+1k+1項を加えて、n=k+1n=k+1のときの等式を作ります。

定理 2.1. すべての正の整数nnについて

1+2+⋯+n=n(n+1)21 + 2 + \cdots + n = \frac{n(n+1)}{2}

が成り立つ。

証明.nnについての数学的帰納法で示す。示す主張P(n)P(n)は上の等式である。

出発点はn=1n=1である。左辺は11、右辺は1⋅22=1\dfrac{1\cdot 2}{2} = 1であり、両辺は一致する。

正の整数kkを取り、n=kn=kのときの主張

1+2+⋯+k=k(k+1)21 + 2 + \cdots + k = \frac{k(k+1)}{2}

が成り立つと仮定する。n=k+1n=k+1のときの主張の左辺は1+2+⋯+k+(k+1)1+2+\cdots+k+(k+1)である。この式の1+2+⋯+k1+2+\cdots+kの部分に、仮定した等式を用いると

1+2+⋯+k+(k+1)=k(k+1)2+(k+1)=k(k+1)+2(k+1)2=(k+1)(k+2)21 + 2 + \cdots + k + (k+1) = \frac{k(k+1)}{2} + (k+1) = \frac{k(k+1) + 2(k+1)}{2} = \frac{(k+1)(k+2)}{2}

である。最初の等号で仮定を用いた。右端の式はn=k+1n=k+1のときの主張の右辺であるから、n=k+1n=k+1のときの主張が成り立つ。

定理 1.1により、すべての正の整数nnについて等式が成り立つ。▨

3 不等式の証明

不等式を示すときも、段の分け方は等式の場合と同じです。ただし帰納の段では、仮定した不等式の両辺に何かを掛けたり足したりしてn=k+1n=k+1のときの不等式を作るので、その操作によって不等号の向きが変わらないことを確かめる必要があります。次のベルヌーイの不等式の証明では、この確認に、主張の仮定である条件h>−1h > -1をそのまま用います。

定理 3.1 (ベルヌーイの不等式).hhをh>−1h > -1を満たす実数とし、nnを正の整数とする。このとき

(1+h)n≥1+nh(1+h)^{n} \ge 1 + nh

が成り立つ。等号が成り立つのは、n=1n=1の場合とh=0h=0の場合に限る。

証明.hhをh>−1h>-1を満たす実数として固定し、nnについての数学的帰納法で示す。

出発点はn=1n=1である。左辺は1+h1+h、右辺は1+1⋅h=1+h1 + 1\cdot h = 1+hであり、等号が成り立つ。

正の整数kkを取り、n=kn=kのときの主張(1+h)k≥1+kh(1+h)^{k} \ge 1+khが成り立つと仮定する。条件h>−1h>-1から1+h>01+h > 0であるから、この不等式の両辺に1+h1+hを掛けても不等号の向きは変わらない。したがって

(1+h)k+1=(1+h)k(1+h)≥(1+kh)(1+h)=1+(k+1)h+kh2(1+h)^{k+1} = (1+h)^{k}(1+h) \ge (1+kh)(1+h) = 1 + (k+1)h + kh^{2}

である。ここの不等号で、仮定したn=kn=kのときの主張と、1+h>01+h>0であることの両方を用いた。kkは正の整数でありh2h^{2}は00以上であるからkh2≥0kh^{2} \ge 0であり、

1+(k+1)h+kh2≥1+(k+1)h1 + (k+1)h + kh^{2} \ge 1 + (k+1)h

である。二つを合わせると(1+h)k+1≥1+(k+1)h(1+h)^{k+1} \ge 1+(k+1)hとなり、n=k+1n=k+1のときの主張が成り立つ。

定理 1.1により、すべての正の整数nnについて不等式が成り立つ。

次に、等号が成り立つ場合を調べる。n=1n=1のときは両辺とも1+h1+hであり、h=0h=0のときは両辺とも11であるから、いずれの場合も等号が成り立つ。逆にn≥2n \ge 2かつh≠0h \ne 0とする。上で示した(1+h)k+1≥(1+kh)(1+h)(1+h)^{k+1} \ge (1+kh)(1+h)をk=n−1k = n-1について読むと

(1+h)n≥(1+(n−1)h)(1+h)=1+nh+(n−1)h2(1+h)^{n} \ge \bigl(1 + (n-1)h\bigr)(1+h) = 1 + nh + (n-1)h^{2}

である。n−1≥1n-1 \ge 1とh2>0h^{2} > 0から(n−1)h2>0(n-1)h^{2} > 0であるから、(1+h)n>1+nh(1+h)^{n} > 1+nhであり、等号は成り立たない。よって等号が成り立つのは、n=1n=1の場合とh=0h=0の場合に限る。▨

注意 3.2 (条件h>−1h>-1を用いる箇所).定理 3.1の証明が条件h>−1h>-1を用いるのは、帰納の段で不等式の両辺に1+h1+hを掛ける箇所である。1+h<01+h<0であれば、両辺に掛けたときに不等号の向きが変わるので、この段の議論は成り立たない。条件を落とすと、主張そのものが偽になる。実際、h=−4h=-4、n=3n=3とすると左辺は(1−4)3=−27(1-4)^{3} = -27、右辺は1+3⋅(−4)=−111 + 3\cdot(-4) = -11であり、−27≥−11-27 \ge -11は成り立たない。

注意 3.3 (この不等式を用いる記事).定理 3.1は、§B3.2 ベルヌーイの不等式で用いる。同記事では、11以上の数aaと正の整数NNについて

0≤a1/N−1≤a−1N0 \le a^{1/N} - 1 \le \frac{a-1}{N}

という評価をこの不等式から導き、指数を有理数から実数へ広げる場面で用いる。

本単元では、§B1.7 数列の極限で、r>1r>1のときh=r−1>0h=r-1>0としてrn=(1+h)n≥1+nhr^{n} = (1+h)^{n} \ge 1+nhを得て、rnr^{n}が正の無限大へ発散することを示すために用いる。

4 整除性の証明

整除性を示すときは、n=k+1n=k+1のときの式を、n=kn=kのときの式と、割る数の倍数であることが分かる項との和へ分けます。仮定した「n=kn=kのときの式がddの倍数である」という主張は、整数ccを用いてその式をdcdcと書くことによって用います。

定理 4.1. すべての正の整数nnについて、n3−nn^{3}-nは66の倍数である。

証明.nnについての数学的帰納法で示す。

出発点はn=1n=1である。13−1=01^{3}-1 = 0であり、0=6⋅00 = 6\cdot 0であるから66の倍数である。

正の整数kkを取り、n=kn=kのときの主張、すなわちk3−kk^{3}-kが66の倍数であることを仮定する。このとき、ある整数ccによってk3−k=6ck^{3}-k = 6cと書くことができる。n=k+1n=k+1のときの式を展開すると

(k+1)3−(k+1)=k3+3k2+3k+1−k−1=(k3−k)+3k(k+1)=6c+3k(k+1)(k+1)^{3} - (k+1) = k^{3} + 3k^{2} + 3k + 1 - k - 1 = (k^{3}-k) + 3k(k+1) = 6c + 3k(k+1)

である。最後の等号で仮定を用いた。kkとk+1k+1は連続する二つの整数であるから、一方は偶数であり、積k(k+1)k(k+1)は偶数である。そこで、ある整数ddによってk(k+1)=2dk(k+1) = 2dと書くことができ、3k(k+1)=6d3k(k+1) = 6dである。したがって

(k+1)3−(k+1)=6c+6d=6(c+d)(k+1)^{3} - (k+1) = 6c + 6d = 6(c+d)

であり、c+dc+dは整数であるから、n=k+1n=k+1のときの主張が成り立つ。

定理 1.1により、すべての正の整数nnについてn3−nn^{3}-nは66の倍数である。▨

例 4.2. すべての正の整数nnについて、5n−15^{n}-1は44の倍数である。

出発点はn=1n=1である。51−1=45^{1}-1 = 4は44の倍数である。

正の整数kkを取り、5k−15^{k}-1が44の倍数であると仮定する。ある整数ccによって5k−1=4c5^{k}-1 = 4cと書くことができ、5k=4c+15^{k} = 4c+1である。これを用いると

5k+1−1=5⋅5k−1=5(4c+1)−1=20c+4=4(5c+1)5^{k+1} - 1 = 5\cdot 5^{k} - 1 = 5(4c+1) - 1 = 20c + 4 = 4(5c+1)

であり、5c+15c+1は整数であるから、n=k+1n=k+1のときの主張が成り立つ。仮定を用いたのは、5k5^{k}を4c+14c+1で置き換えた箇所である。定理 1.1により、すべての正の整数nnについて5n−15^{n}-1は44の倍数である。

5 出発点がn=1n=1でない主張

主張が成り立つ範囲が正の整数全体でないときは、ある整数から先のすべての整数で成り立つと見込まれる範囲の先頭の整数mmを出発点に取り、mm以上のすべての整数について主張を示します。mmの見当は小さいnnについて両辺を実際に計算してつけますが、計算した範囲で成り立つことは、mm以上のすべての整数で成り立つことの根拠になりません。P(m)P(m)が成り立つことと、mm以上のどのkkについても帰納の段が成り立つことを示して、はじめて範囲が確定します。

例 5.1.2n2^{n}とn2n^{2}を、n=1n=1から順に比べる。

nn 11 22 33 44 55 66
2n2^{n} 22 44 88 1616 3232 6464
n2n^{2} 11 44 99 1616 2525 3636

n=1n=1では2>12 > 1である。n=2n=2とn=4n=4では両者が等しく、n=3n=3では8<98 < 9であるから、これら三つのnnでは2n>n22^{n} > n^{2}が成り立たない。n=5n=5とn=6n=6では2n2^{n}のほうが大きい。したがって「すべての正の整数nnについて2n>n22^{n} > n^{2}」は偽である。この表ではn=5n=5から先で2n>n22^{n} > n^{2}が成り立ち続けると見込まれる。n=1n=1では成り立つがn=2n=2では成り立たないので、帰納の段がk=1k=1で成り立たず、n=1n=1は出発点にならない。そこで出発点をn=5n=5に取り、n≥5n\ge5で成り立つことを次の定理で示す。

定理 5.2.55以上のすべての整数nnについて2n>n22^{n} > n^{2}が成り立つ。

証明.nnについての数学的帰納法で示す。定理 1.1をm=5m=5として用いる。

出発点はn=5n=5である。25=322^{5} = 32、52=255^{2} = 25であり、32>2532 > 25である。

55以上の整数kkを取り、n=kn=kのときの主張2k>k22^{k} > k^{2}が成り立つと仮定する。両辺に正の数22を掛けても不等号の向きは変わらないので

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

である。ここの不等号で仮定を用いた。あとは2k2≥(k+1)22k^{2} \ge (k+1)^{2}を示せば結論が従う。差を取ると

2k2−(k+1)2=k2−2k−1=(k−1)2−22k^{2} - (k+1)^{2} = k^{2} - 2k - 1 = (k-1)^{2} - 2

であり、k≥5k \ge 5から(k−1)2≥16(k-1)^{2} \ge 16であるから(k−1)2−2≥14>0(k-1)^{2} - 2 \ge 14 > 0である。よって2k2>(k+1)22k^{2} > (k+1)^{2}であり、2k+1>(k+1)22^{k+1} > (k+1)^{2}が成り立つ。

定理 1.1により、55以上のすべての整数nnについて2n>n22^{n} > n^{2}が成り立つ。▨

注意 5.3.定理 5.2の証明の帰納の段は、k≥3k \ge 3であれば同じ計算で成り立つ。k=3k=3のとき(k−1)2−2=2>0(k-1)^{2}-2 = 2 > 0だからである。それにもかかわらず、n=3n=3を出発点に取ることはできない。23=82^{3} = 8は32=93^{2} = 9より小さく、出発点の主張が成り立たないからである。出発点と帰納の段は別々に確かめるものであり、一方だけでは結論を得ることができない。

6 出発点を二つ取る形

隣接三項間漸化式an+2=p an+1+q ana_{n+2} = p\,a_{n+1} + q\,a_{n}で定まる数列の項an+2a_{n+2}は、an+1a_{n+1}とana_{n}の二つから決まります。この形の漸化式から一般項を求める手順は §B1.5 漸化式の解法(発展形)で扱います。本節では、漸化式と初期条件で定まる数列が与えられた一般項に等しいことを数学的帰納法で確かめます。このとき、n=kn=kのときの主張だけを仮定してもn=k+1n=k+1のときの主張を導くことができません。n=kn=kのときとn=k+1n=k+1のときの二つの主張を仮定してn=k+2n=k+2のときの主張を導く形を用い、出発点も二つ確かめます。この形は、定理 1.1から導くことができます。

定理 6.1.mmを整数とし、mm以上の各整数nnに対して主張P(n)P(n)が定まっているとする。次の二つがともに成り立つならば、mm以上のすべての整数nnについてP(n)P(n)が成り立つ。

  1. P(m)P(m)とP(m+1)P(m+1)がともに成り立つ。
  2. mm以上のどの整数kkについても、P(k)P(k)とP(k+1)P(k+1)がともに成り立つならばP(k+2)P(k+2)が成り立つ。

証明.mm以上の各整数nnに対して、「P(n)P(n)とP(n+1)P(n+1)がともに成り立つ」という主張をQ(n)Q(n)と置く。

条件 (a)により、Q(m)Q(m)が成り立つ。

mm以上の整数kkを取り、Q(k)Q(k)が成り立つと仮定する。すなわち、P(k)P(k)とP(k+1)P(k+1)がともに成り立つ。このとき条件 (b)によりP(k+2)P(k+2)が成り立つ。P(k+1)P(k+1)とP(k+2)P(k+2)がともに成り立つので、Q(k+1)Q(k+1)が成り立つ。

定理 1.1を主張QQに適用すると、mm以上のすべての整数nnについてQ(n)Q(n)が成り立つ。Q(n)Q(n)はP(n)P(n)が成り立つことを含むので、mm以上のすべての整数nnについてP(n)P(n)が成り立つ。▨

定理 6.1で仮定されているのは、直前の二つの場合です。mm以上kk以下のすべての場合を仮定する形もあります。その形と定理 1.1との関係は、 §A3.10 数学的帰納法の論理構造で扱います。

定理 6.2. 数列{an}\{a_{n}\}を、a1=1a_{1} = 1、a2=4a_{2} = 4、および

an+2=3an+1−2an(n≥1)a_{n+2} = 3a_{n+1} - 2a_{n} \qquad (n \ge 1)

によって定める。このとき、すべての正の整数nnについてan=3⋅2 n−1−2a_{n} = 3\cdot 2^{\,n-1} - 2が成り立つ。

証明.定理 6.1をm=1m=1として用いる。示す主張P(n)P(n)はan=3⋅2 n−1−2a_{n} = 3\cdot 2^{\,n-1} - 2である。

出発点を二つ確かめる。n=1n=1では3⋅20−2=13\cdot 2^{0} - 2 = 1であり、a1=1a_{1} = 1と一致する。n=2n=2では3⋅21−2=43\cdot 2^{1} - 2 = 4であり、a2=4a_{2} = 4と一致する。

正の整数kkを取り、n=kn=kのときの主張ak=3⋅2 k−1−2a_{k} = 3\cdot 2^{\,k-1} - 2と、n=k+1n=k+1のときの主張ak+1=3⋅2 k−2a_{k+1} = 3\cdot 2^{\,k} - 2がともに成り立つと仮定する。漸化式に、仮定した二つの等式を代入すると

ak+2=3ak+1−2ak=3(3⋅2 k−2)−2(3⋅2 k−1−2)=9⋅2 k−6−3⋅2 k+4=6⋅2 k−2a_{k+2} = 3a_{k+1} - 2a_{k} = 3\bigl(3\cdot 2^{\,k} - 2\bigr) - 2\bigl(3\cdot 2^{\,k-1} - 2\bigr) = 9\cdot 2^{\,k} - 6 - 3\cdot 2^{\,k} + 4 = 6\cdot 2^{\,k} - 2

である。二つめの等号で、仮定した二つの主張の両方を用いた。6⋅2 k=3⋅2 k+16\cdot 2^{\,k} = 3\cdot 2^{\,k+1}であるからak+2=3⋅2 (k+2)−1−2a_{k+2} = 3\cdot 2^{\,(k+2)-1} - 2であり、n=k+2n=k+2のときの主張が成り立つ。

定理 6.1により、すべての正の整数nnについてan=3⋅2 n−1−2a_{n} = 3\cdot 2^{\,n-1} - 2が成り立つ。▨

注意 6.3.定理 6.2の帰納の段をk=1k=1について実行するには、n=1n=1のときの主張とn=2n=2のときの主張の両方がすでに示されている必要がある。出発点をn=1n=1の一つだけにすると、n=2n=2のときの主張を得ることができないので、n=3n=3のときの主張を導くことができない。

注意 6.4. 帰納の段の議論は、出発点以上のどの整数kkについても成り立つ必要がある。ひとつのkkでも成り立たなければ、結論を得ることができない。次は、この点を見落とした誤った証明である。

主張は「どの有限個の馬も、たがいに同じ色である」とし、P(n)P(n)を「どのnn頭の馬も、たがいに同じ色である」とする。P(1)P(1)は成り立つ。帰納の段として、P(k)P(k)を仮定してk+1k+1頭の馬を考える。1 頭目を除いたkk頭は仮定により同じ色であり、最後の 1 頭を除いたkk頭も仮定により同じ色である。二つの組に共通して属する馬がいれば、その馬は二つの組の色をともに持つので、k+1k+1頭すべてが同じ色である。

この議論はk≥2k \ge 2では正しいが、k=1k=1では成り立たない。k=1k=1のときk+1k+1頭は 2 頭であり、 1 頭目を除いた組と 2 頭目を除いた組はそれぞれ 1 頭ずつで、共通して属する馬がいないからである。したがってP(1)P(1)からP(2)P(2)を導くことができず、この議論は主張を証明していない。

7 例題

レベル1 — 数学的帰納法の運用

次の命題を数学的帰納法で示す。n==k のときの成立(帰納法の仮定)を用いて、n==k + 1 のときの式を、仮定を代入したところから目標の形まで変形せよ。

解法の型基底を確かめ、帰納の段では k+1 番目の項を足して仮定を代入し、(k+1) でくくって目標の形に合わせる

次の命題を数学的帰納法で示すとき、n==k + 1 の場合の式を、帰納法の仮定を代入したところから目標の形まで変形せよ。

例 7.1.

∑i=1ni=n(n+1)2(n≥1)\sum_{i=1}^{n} i = \dfrac{n(n+1)}{2} \qquad (n \ge 1)

答∑i=1k+1i=(∑i=1ki)+(k+1)=仮定k(k+1)2+(k+1)=(k+1)(k+2)2\sum_{i=1}^{k+1} i = \Bigl(\sum_{i=1}^{k} i\Bigr) + (k+1) \overset{\text{仮定}}{=} \dfrac{k(k+1)}{2} + (k+1) = \dfrac{(k+1)(k+2)}{2}

注意 基底 n==1 は 左辺 1、右辺 1·2/2==1 で一致。帰納の段では k+1 番目の項を足し、仮定の k(k+1)/2 を代入して (k+1) でくくる。得られた (k+1)(k+2)/2 は n==k+1 での右辺そのもの。

例 7.2.

∑i=1ni3=(n(n+1)2)2(n≥1)\sum_{i=1}^{n} i^{3} = \left(\dfrac{n(n+1)}{2}\right)^{2} \qquad (n \ge 1)

答∑i=1k+1i3=仮定(k(k+1)2)2+(k+1)3=(k+1)2(k2+4k+4)4=((k+1)(k+2)2)2\sum_{i=1}^{k+1} i^{3} \overset{\text{仮定}}{=} \left(\dfrac{k(k+1)}{2}\right)^{2} + (k+1)^{3} = \dfrac{(k+1)^{2}\bigl(k^{2}+4k+4\bigr)}{4} = \left(\dfrac{(k+1)(k+2)}{2}\right)^{2}

注意 (k+1)² でくくると括弧の中は k²/4 + (k+1)==(k² + 4k + 4)/4==(k+2)²/4。したがって全体は ((k+1)(k+2)/2)² となり、n==k+1 での右辺に一致する(Σi\Sigma i³=(Σi)= (\Sigma i)² の形)。

例 7.3.

2n>n2(n≥5)2^{n} > n^{2} \qquad (n \ge 5)

答2k+1=2⋅2k>仮定2k2=(k+1)2+(k2−2k−1)>(k+1)22^{k+1} = 2 \cdot 2^{k} \overset{\text{仮定}}{>} 2k^{2} = (k+1)^{2} + \bigl(k^{2}-2k-1\bigr) > (k+1)^{2}

注意 基底は n==5(32 > 25)。仮定 2^k > k² の両辺を2倍して 2^(k+1) > 2k²。あとは 2k² > (k+1)²、すなわち k² - 2k - 1==(k-1)² - 2 > 0 が k≥\ge5 で成り立つことを使う。

例 7.4.

∑i=1n1i(i+1)=nn+1(n≥1)\sum_{i=1}^{n} \dfrac{1}{i(i+1)} = \dfrac{n}{n+1} \qquad (n \ge 1)

答∑i=1k+11i(i+1)=仮定kk+1+1(k+1)(k+2)=k(k+2)+1(k+1)(k+2)=(k+1)2(k+1)(k+2)=k+1k+2\sum_{i=1}^{k+1} \dfrac{1}{i(i+1)} \overset{\text{仮定}}{=} \dfrac{k}{k+1} + \dfrac{1}{(k+1)(k+2)} = \dfrac{k(k+2)+1}{(k+1)(k+2)} = \dfrac{(k+1)^{2}}{(k+1)(k+2)} = \dfrac{k+1}{k+2}

注意 通分すると分子が k(k+2) + 1==k² + 2k + 1==(k+1)²。約分して (k+1)/(k+2) となり、n==k+1 での右辺に一致する。

例 7.5.

n3−n は 6 の倍数(n≥1)n^{3} - n \text{ は } 6 \text{ の倍数} \qquad (n \ge 1)

答(k+1)3−(k+1)=(k3−k)+3k(k+1)=仮定6m+3k(k+1)=6(m+k(k+1)2)(k+1)^{3} - (k+1) = \bigl(k^{3}-k\bigr) + 3k(k+1) \overset{\text{仮定}}{=} 6m + 3k(k+1) = 6\left(m + \dfrac{k(k+1)}{2}\right)

注意 仮定を k³ - k==6m(m は整数)と置く。展開すると (k+1)³ - (k+1)==k³ + 3k² + 2k==(k³ - k) + 3k(k+1)。k(k+1) は連続2整数の積だから偶数で、k(k+1)/2 は整数。よって全体は6の倍数。

例 7.6.

∑i=1ni2=n(n+1)(2n+1)6(n≥1)\sum_{i=1}^{n} i^{2} = \dfrac{n(n+1)(2n+1)}{6} \qquad (n \ge 1)

答∑i=1k+1i2=仮定k(k+1)(2k+1)6+(k+1)2=(k+1)(2k2+7k+6)6=(k+1)(k+2)(2k+3)6\sum_{i=1}^{k+1} i^{2} \overset{\text{仮定}}{=} \dfrac{k(k+1)(2k+1)}{6} + (k+1)^{2} = \dfrac{(k+1)\bigl(2k^{2}+7k+6\bigr)}{6} = \dfrac{(k+1)(k+2)(2k+3)}{6}

注意 (k+1) でくくると括弧の中は k(2k+1)/6 + (k+1)==(2k² + 7k + 6)/6。2k² + 7k + 6==(k+2)(2k+3) と因数分解すれば、n==k+1 での右辺の形になる。

例 7.7.

5n−1 は 4 の倍数(n≥1)5^{n} - 1 \text{ は } 4 \text{ の倍数} \qquad (n \ge 1)

答5k+1−1=5(5k−1)+4=仮定5⋅4m+4=4(5m+1)5^{k+1} - 1 = 5\bigl(5^{k}-1\bigr) + 4 \overset{\text{仮定}}{=} 5 \cdot 4m + 4 = 4(5m+1)

注意 仮定を 5^k - 1==4m と置く。5^(k+1) - 1==5·5^k - 1==5(5^k - 1) + 4 と、仮定の形を作り出すのが要点。

例 7.8.

3n>2n+1(n≥2)3^{n} > 2n+1 \qquad (n \ge 2)

答3k+1=3⋅3k>仮定3(2k+1)=6k+3>2k+3=2(k+1)+13^{k+1} = 3 \cdot 3^{k} \overset{\text{仮定}}{>} 3(2k+1) = 6k+3 > 2k+3 = 2(k+1)+1

注意 基底は n==2(9 > 5)。仮定の両辺を3倍して 3^(k+1) > 6k + 3。k≥\ge2 では 6k + 3 - (2k + 3)==4k > 0 なので、目標の 2(k+1) + 1 を超える。

例 7.9.

∑i=1n(2i−1)=n2(n≥1)\sum_{i=1}^{n} (2i-1) = n^{2} \qquad (n \ge 1)

答∑i=1k+1(2i−1)=仮定k2+(2(k+1)−1)=k2+2k+1=(k+1)2\sum_{i=1}^{k+1} (2i-1) \overset{\text{仮定}}{=} k^{2} + \bigl(2(k+1)-1\bigr) = k^{2} + 2k + 1 = (k+1)^{2}

注意 奇数の和。k+1 番目の項は 2(k+1) - 1==2k + 1。仮定の k² に足すと (k+1)² の展開そのもの。

8 演習

問題 8.1. すべての正の整数nnについて

∑j=1n1j2≤2−1n\sum_{j=1}^{n}\frac{1}{j^{2}} \le 2-\frac{1}{n}

が成り立つことを示し、どのnnについても∑j=1n1j2<2\displaystyle\sum_{j=1}^{n}\frac{1}{j^{2}} < 2であることを導け。

解答.

sn=∑j=1n1j2s_n=\displaystyle\sum_{j=1}^{n}\frac{1}{j^{2}}とおき、nnについての数学的帰納法で示す。示す主張P(n)P(n)はsn≤2−1ns_n \le 2-\dfrac1nである。

出発点はn=1n=1である。s1=1s_1=1であり、2−11=12-\dfrac11=1であるから、P(1)P(1)は成り立つ。

正の整数kkを取り、n=kn=kのときの主張sk≤2−1ks_k \le 2-\dfrac1kが成り立つと仮定する。sk+1=sk+1(k+1)2s_{k+1}=s_k+\dfrac{1}{(k+1)^{2}}であるから、仮定により

sk+1≤2−1k+1(k+1)2s_{k+1} \le 2-\frac1k+\frac{1}{(k+1)^{2}}

である。k(k+1)<(k+1)2k(k+1)<(k+1)^{2}から

1(k+1)2<1k(k+1)=1k−1k+1\frac{1}{(k+1)^{2}} < \frac{1}{k(k+1)} = \frac1k-\frac1{k+1}

であり、これを代入するとsk+1<2−1k+1s_{k+1} < 2-\dfrac1{k+1}を得る。よってn=k+1n=k+1のときの主張が成り立つ。

定理 1.1により、すべての正の整数nnについてsn≤2−1ns_n \le 2-\dfrac1nが成り立つ。1n>0\dfrac1n>0であるから、すべてのnnについてsn<2s_n<2である。

右辺をnnによらない定数22にした不等式sn≤2s_n \le 2では、sk≤2s_k \le 2を仮定しても得られるのはsk+1≤2+1(k+1)2s_{k+1} \le 2+\dfrac{1}{(k+1)^{2}}までであり、sk+1≤2s_{k+1} \le 2に届かない。右辺に−1n-\dfrac1nを含めた不等式では、帰納の段で加える項1(k+1)2\dfrac{1}{(k+1)^{2}}を、右辺の変化1k−1k+1\dfrac1k-\dfrac1{k+1}が吸収する。▨

問題 8.2. 数列{an}\{a_{n}\}を、a1=0a_{1}=0、および

an+1=an2+23(n≥1)a_{n+1}=\frac{a_{n}^{2}+2}{3} \qquad (n \ge 1)

によって定める。次の二つを示せ。

  1. すべての正の整数nnについて0≤an≤10 \le a_{n} \le 1が成り立つ。

  2. すべての正の整数nnについてan+1≥ana_{n+1} \ge a_{n}が成り立つ。

解答.

(1)について、nnについての数学的帰納法で示す。示す主張P(n)P(n)は0≤an≤10 \le a_n \le 1である。

出発点はn=1n=1である。a1=0a_1=0であるから、P(1)P(1)は成り立つ。

正の整数kkを取り、0≤ak≤10 \le a_k \le 1が成り立つと仮定する。ak≥0a_k \ge 0であるから、ak≤1a_k \le 1の両辺にaka_kを掛けてak2≤ak≤1a_k^{2} \le a_k \le 1を得る。またak2≥0a_k^{2} \ge 0である。したがって2≤ak2+2≤32 \le a_k^{2}+2 \le 3であり、

23≤ak+1=ak2+23≤1\frac23 \le a_{k+1}=\frac{a_k^{2}+2}{3} \le 1

である。よって0≤ak+1≤10 \le a_{k+1} \le 1であり、n=k+1n=k+1のときの主張が成り立つ。仮定のak≤1a_k \le 1だけではak2≤1a_k^{2} \le 1は従わない(ak=−2a_k=-2ではak2=4a_k^{2}=4である)ので、仮定のak≥0a_k \ge 0も用いた。

定理 1.1により、すべての正の整数nnについて0≤an≤10 \le a_n \le 1が成り立つ。

(2)について、漸化式から

an+1−an=an2+23−an=an2−3an+23=(1−an)(2−an)3a_{n+1}-a_n=\frac{a_n^{2}+2}{3}-a_n=\frac{a_n^{2}-3a_n+2}{3}=\frac{(1-a_n)(2-a_n)}{3}

である。(1)により1−an≥01-a_n \ge 0かつ2−an>02-a_n>0であるから、an+1−an≥0a_{n+1}-a_n \ge 0である。▨

問題 8.3.

  1. n=1,2,3,4,5n=1,2,3,4,5について3n3^{n}とn3n^{3}の大小を比べ、3n>n33^{n} > n^{3}が成り立つnnを答えよ。

  2. 44以上のすべての整数nnについて3n>n33^{n} > n^{3}が成り立つことを示せ。

解答.

(1)について、値は次のとおりである。

nn 11 22 33 44 55
3n3^{n} 33 99 2727 8181 243243
n3n^{3} 11 88 2727 6464 125125

3n>n33^{n} > n^{3}が成り立つのはn=1,2,4,5n=1,2,4,5であり、n=3n=3では両者が等しい。n=1,2n=1,2で成り立ってもn=3n=3で成り立たないので、n=1n=1やn=2n=2から始めてn≥4n \ge 4の場合まで一つの帰納法で進むことはできない。

(2)について、定理 1.1をm=4m=4として用いる。示す主張P(n)P(n)は3n>n33^{n} > n^{3}である。

出発点はn=4n=4である。34=813^{4}=81、43=644^{3}=64であり、81>6481>64である。

44以上の整数kkを取り、3k>k33^{k} > k^{3}が成り立つと仮定する。両辺に正の数33を掛けると3k+1>3k33^{k+1} > 3k^{3}である。ここの不等号で仮定を用いた。k≥4k \ge 4から1+1k≤541+\dfrac1k \le \dfrac54であるから

(k+1)3=k3(1+1k)3≤12564k3<3k3(k+1)^{3}=k^{3}\left(1+\frac1k\right)^{3} \le \frac{125}{64}k^{3} < 3k^{3}

である。よって3k+1>3k3>(k+1)33^{k+1} > 3k^{3} > (k+1)^{3}であり、n=k+1n=k+1のときの主張が成り立つ。

定理 1.1により、44以上のすべての整数nnについて3n>n33^{n} > n^{3}が成り立つ。▨

レベル1 — 数学的帰納法の運用

次の命題を数学的帰納法で示す。n==k のときの成立(帰納法の仮定)を用いて、n==k + 1 のときの式を、仮定を代入したところから目標の形まで変形せよ。

解法の型基底を確かめ、帰納の段では k+1 番目の項を足して仮定を代入し、(k+1) でくくって目標の形に合わせる

次の命題を数学的帰納法で示すとき、n==k + 1 の場合の式を、帰納法の仮定を代入したところから目標の形まで変形せよ。

問題 8.4.

5n−1 は 4 の倍数(n≥1)5^{n} - 1 \text{ は } 4 \text{ の倍数} \qquad (n \ge 1)
解答.

答5k+1−1=5(5k−1)+4=仮定5⋅4m+4=4(5m+1)5^{k+1} - 1 = 5\bigl(5^{k}-1\bigr) + 4 \overset{\text{仮定}}{=} 5 \cdot 4m + 4 = 4(5m+1)

注意 仮定を 5^k - 1==4m と置く。5^(k+1) - 1==5·5^k - 1==5(5^k - 1) + 4 と、仮定の形を作り出すのが要点。▨

問題 8.5.

∑i=1ni2=n(n+1)(2n+1)6(n≥1)\sum_{i=1}^{n} i^{2} = \dfrac{n(n+1)(2n+1)}{6} \qquad (n \ge 1)
解答.

答∑i=1k+1i2=仮定k(k+1)(2k+1)6+(k+1)2=(k+1)(2k2+7k+6)6=(k+1)(k+2)(2k+3)6\sum_{i=1}^{k+1} i^{2} \overset{\text{仮定}}{=} \dfrac{k(k+1)(2k+1)}{6} + (k+1)^{2} = \dfrac{(k+1)\bigl(2k^{2}+7k+6\bigr)}{6} = \dfrac{(k+1)(k+2)(2k+3)}{6}

注意 (k+1) でくくると括弧の中は k(2k+1)/6 + (k+1)==(2k² + 7k + 6)/6。2k² + 7k + 6==(k+2)(2k+3) と因数分解すれば、n==k+1 での右辺の形になる。▨

問題 8.6.

n3−n は 6 の倍数(n≥1)n^{3} - n \text{ は } 6 \text{ の倍数} \qquad (n \ge 1)
解答.

答(k+1)3−(k+1)=(k3−k)+3k(k+1)=仮定6m+3k(k+1)=6(m+k(k+1)2)(k+1)^{3} - (k+1) = \bigl(k^{3}-k\bigr) + 3k(k+1) \overset{\text{仮定}}{=} 6m + 3k(k+1) = 6\left(m + \dfrac{k(k+1)}{2}\right)

注意 仮定を k³ - k==6m(m は整数)と置く。展開すると (k+1)³ - (k+1)==k³ + 3k² + 2k==(k³ - k) + 3k(k+1)。k(k+1) は連続2整数の積だから偶数で、k(k+1)/2 は整数。よって全体は6の倍数。▨

問題 8.7.

3n>2n+1(n≥2)3^{n} > 2n+1 \qquad (n \ge 2)
解答.

答3k+1=3⋅3k>仮定3(2k+1)=6k+3>2k+3=2(k+1)+13^{k+1} = 3 \cdot 3^{k} \overset{\text{仮定}}{>} 3(2k+1) = 6k+3 > 2k+3 = 2(k+1)+1

注意 基底は n==2(9 > 5)。仮定の両辺を3倍して 3^(k+1) > 6k + 3。k≥\ge2 では 6k + 3 - (2k + 3)==4k > 0 なので、目標の 2(k+1) + 1 を超える。▨

問題 8.8.

∑i=1n(2i−1)=n2(n≥1)\sum_{i=1}^{n} (2i-1) = n^{2} \qquad (n \ge 1)
解答.

答∑i=1k+1(2i−1)=仮定k2+(2(k+1)−1)=k2+2k+1=(k+1)2\sum_{i=1}^{k+1} (2i-1) \overset{\text{仮定}}{=} k^{2} + \bigl(2(k+1)-1\bigr) = k^{2} + 2k + 1 = (k+1)^{2}

注意 奇数の和。k+1 番目の項は 2(k+1) - 1==2k + 1。仮定の k² に足すと (k+1)² の展開そのもの。▨

問題 8.9.

2n>n2(n≥5)2^{n} > n^{2} \qquad (n \ge 5)
解答.

答2k+1=2⋅2k>仮定2k2=(k+1)2+(k2−2k−1)>(k+1)22^{k+1} = 2 \cdot 2^{k} \overset{\text{仮定}}{>} 2k^{2} = (k+1)^{2} + \bigl(k^{2}-2k-1\bigr) > (k+1)^{2}

注意 基底は n==5(32 > 25)。仮定 2^k > k² の両辺を2倍して 2^(k+1) > 2k²。あとは 2k² > (k+1)²、すなわち k² - 2k - 1==(k-1)² - 2 > 0 が k≥\ge5 で成り立つことを使う。▨

問題 8.10.

∑i=1ni=n(n+1)2(n≥1)\sum_{i=1}^{n} i = \dfrac{n(n+1)}{2} \qquad (n \ge 1)
解答.

答∑i=1k+1i=(∑i=1ki)+(k+1)=仮定k(k+1)2+(k+1)=(k+1)(k+2)2\sum_{i=1}^{k+1} i = \Bigl(\sum_{i=1}^{k} i\Bigr) + (k+1) \overset{\text{仮定}}{=} \dfrac{k(k+1)}{2} + (k+1) = \dfrac{(k+1)(k+2)}{2}

注意 基底 n==1 は 左辺 1、右辺 1·2/2==1 で一致。帰納の段では k+1 番目の項を足し、仮定の k(k+1)/2 を代入して (k+1) でくくる。得られた (k+1)(k+2)/2 は n==k+1 での右辺そのもの。▨

問題 8.11.

∑i=1ni3=(n(n+1)2)2(n≥1)\sum_{i=1}^{n} i^{3} = \left(\dfrac{n(n+1)}{2}\right)^{2} \qquad (n \ge 1)
解答.

答∑i=1k+1i3=仮定(k(k+1)2)2+(k+1)3=(k+1)2(k2+4k+4)4=((k+1)(k+2)2)2\sum_{i=1}^{k+1} i^{3} \overset{\text{仮定}}{=} \left(\dfrac{k(k+1)}{2}\right)^{2} + (k+1)^{3} = \dfrac{(k+1)^{2}\bigl(k^{2}+4k+4\bigr)}{4} = \left(\dfrac{(k+1)(k+2)}{2}\right)^{2}

注意 (k+1)² でくくると括弧の中は k²/4 + (k+1)==(k² + 4k + 4)/4==(k+2)²/4。したがって全体は ((k+1)(k+2)/2)² となり、n==k+1 での右辺に一致する(Σi\Sigma i³=(Σi)= (\Sigma i)² の形)。▨

問題 8.12.

∑i=1n1i(i+1)=nn+1(n≥1)\sum_{i=1}^{n} \dfrac{1}{i(i+1)} = \dfrac{n}{n+1} \qquad (n \ge 1)
解答.

答∑i=1k+11i(i+1)=仮定kk+1+1(k+1)(k+2)=k(k+2)+1(k+1)(k+2)=(k+1)2(k+1)(k+2)=k+1k+2\sum_{i=1}^{k+1} \dfrac{1}{i(i+1)} \overset{\text{仮定}}{=} \dfrac{k}{k+1} + \dfrac{1}{(k+1)(k+2)} = \dfrac{k(k+2)+1}{(k+1)(k+2)} = \dfrac{(k+1)^{2}}{(k+1)(k+2)} = \dfrac{k+1}{k+2}

注意 通分すると分子が k(k+2) + 1==k² + 2k + 1==(k+1)²。約分して (k+1)/(k+2) となり、n==k+1 での右辺に一致する。▨

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