數學歸納法和遞迴定義

2022-12-26 01:33:02 字數 1683 閱讀 4382

證明不神秘,本質上就是用有說服力的論述說明某個陳述是正確的。證明的典型步驟是從下面三者之一匯出一些陳述:1)假設2)已經匯出的陳述3)其他廣泛認可的事實。

術語「匯出」含義是利用邏輯推理的通用原理進行推導。對「廣泛認可的事實」和「邏輯推理的通用原理」的定義的嚴格程度決定了證明的形式化和詳細程度。這裡有兩種極端,太詳細和太初略。

通常證明涉及命題p q,已知p為真,要說明q也為真。

37頁例子2.1是構造性證明的乙個例子。反例法和反證法。

我們的一些結論與自然數相關,要證明對於所有的自然數,結論都成立。假設p(n)是乙個有關整數的命題,為了證明對於所有的n>=n0,p(n)都成立,只要證明下面兩項:

1)p(n0)是成立

2)對於任意的k>=n0,如果p(k)成立,則p(k+1)成立。

使用數學歸納法的乙個好習慣:

1)精確地寫出歸納基礎(初始值)成立

2)精確地寫出歸納假設

3)精確地寫出要證明的歸納命題

4)證明歸納命題,並指出何處應用了歸納假設

最小反例原則(minimal counterexample principle),47頁例子2.10。

假設p(n)是乙個有關整數的命題,為了證明對於所有的n>=n0,p(n)都成立,只要證明下面兩項:

1)p(n0)是成立

2)給定任意的k>=n0,如果對任意的n0<=n<=k,p(n)都成立,則p(k+1)成立。

強原則也稱為完全歸納原則,或course-of-values歸納。你可以總是使用強原則。

例子:n! = 1 if n=0

n*(n-1)! otherwise

很容易發現遞迴定義與數學歸納法的相似性。許多定義既可以採用遞迴方式,又可以採用非遞迴方式,但遞迴定義具有一些優點:直觀、揭示了運算的過程,更符合事務的本質,且提供了構造數學歸納法的自然的方法。

l*的遞迴定義:

1) l*

2)如果x l*,y l*,則xy l*

3)僅由規則1)和規則2)得到的字串

回文pal的遞迴定義:

1) pal

2)如果a ,則a pal

3)如果a ,x pal,則axa pal

4)僅由上面3個規則產生的字串

回文的非遞迴定義是:正序和倒序相同的字串。顯然,遞迴定義提供了乙個構造和判別回文的方法。

人類擅長描述性定義,而計算機擅長構造性定義,遞迴定義則是構造性定義的一種。兩種定義的轉換是乙個難點。

規則的最後一條的更精確說法是有限次應用上述規則。

結構歸納法原理:假設u是乙個集合,i是u的乙個子集,op是u上的一組操作,集合l遞迴定義如下:

1)i l

2)l在op操作下保持封閉性

3)l是滿足條件1)和條件2)的最小集合

要證明集合l中的每個元素滿足性質p,只要證明下面兩條:

1)i中每個元素滿足性質p

2)l中元素在操作op下保持性質p

結構歸納法是專用於遞迴定義的證明方法。理解「保持封閉性」和「保持性質」的含義。

例子2.22,要分清集合是什麼?性質是什麼?操作是什麼?

證明對每個x *和y *,連線後的字串長度是兩個字串長度之和,即|xy|=|x|+|y|。

首先遞迴定義字串長度,然後將x看成固定量,對y進行結構歸納法證明,見61頁和62頁。

最後指出,結構歸納法實質上是數學歸納法,兩種方法可以互相轉換。

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