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2021年8月15日 星期日

連續正整數立方和公式反推數列通項的數學歸納法問題

==問題== 

設${a_n}$是一個正實數所構成的無窮數列,且滿足

$$\sum_{i=1}^{n} a_i^3 = \left( \sum_{i=1}^{n} a_i \right)^2, n\ge 1.$$

是否此數列為$a_n = n$?

[許志農,《算術講義》,第4章  數學歸納法  習題4.4]

==解答==

首先要計算數列的前幾項。

當$n = 1$時,根據數列所滿足的條件有$a_1^3 = (a_1)^2$,解得$a_1 = 1$。

當$n = 2$時,根據數列所滿足的條件有$1^3 + a_2^3 = (1 + a_2)^2$,解得$a_2 = 2$。

當$n = 3$時,根據數列所滿足的條件有$1^3 +2^3 +a_3^3 = (1 + 2 + a_3)^2$,解得$a_3 = 3$。

從以上的計算,猜測$a_n = n$。

假定$a_i = i$對$i =1, 2, \cdots, n$都成立,亦即有$a_1 = 1, a_2 = 2, \cdots, a_n = n$。

當$n+1$時,根據數列所滿足的條件有

$$1^3 + 2^3 + \cdots + n^3 + a_{n+1}^3 = \left( 1 + 2 + \cdots + n + a_{n+1} \right)^2,$$

其中$1^3 + 2^3 + \cdots + n^3 = \left[ \frac{n(n+1)}{2} \right]^2$,而$1 + 2 + \cdots + n = \frac{n(n+1)}{2}$,代入後得

$$\left[ \frac{n(n+1)}{2} \right]^2 + a_{n+1}^3 = \left( \frac{n(n+1)}{2} + a_{n+1} \right)^2,$$

整理得

$$a_{n+1}^3 - n(n+1)a_{n+1} - a_{n+1}^2 = 0.$$

注意$a_{n+1} > 0$,所以上式可約去$a_{n+1}$,得

$$a_{n+1}^2 - a_{n+1} - n(n+1) = 0.$$

因式分解有

$$\left( a_{n+1} + n \right)\left( a_{n+1} - (n+1) \right) = 0.$$

於是$a_{n+1} = n+1$(捨去負根)。因此由數學歸納法證得$a_n = n$。

(解答終了)

2018年4月30日 星期一

Apostol Linear Algebra Exercise 0.13.1

問題


對所有整數$n \geq 1$,用歸納法證明下列公式:

(a) $\displaystyle \sum_{k = 1}^{n} k = \frac{n(n + 1)}{2}$;

(b) $\displaystyle \sum_{k = 1}^{n} k^3 = \left( \sum_{k = 1}^{n} k \right)^2$。

解答


(a) $n = 1$時,$\displaystyle \sum_{k = 1}^{1} k = 1 = \frac{1(1 + 1)}{2}$,是以命題成立。

設命題在$n - 1$時成立,也就是有
$$\sum_{k = 1}^{n-1} k = \frac{(n - 1)[(n - 1) + 1]}{2}.$$

$n$時,
\begin{align}
\sum_{k = 1}^{n} k
&= \sum_{k = 1}^{n - 1} k + n \notag \\
&= \frac{(n - 1)[(n - 1) + 1]}{2} + n \quad [\text{歸納假設}] \notag \\
&= \frac{(n - 1)n}{2} + \frac{2n}{2} \notag \\
&= \frac{n^2 - n + 2n}{2} \notag \\
&= \frac{n^2 + n}{2} \notag \\
&= \frac{n(n + 1)}{2} \notag
\end{align}
故由數學歸納法得證。

(證明終了)

(b) $n = 1$時,$\displaystyle \sum_{k = 1}^{1} k^3 = 1^3 = 1 = 1^2 = \left( \sum_{k = 1}^{1} k \right)^2$,是以命題成立。

設命題在$n - 1$時成立,即有
$$\sum_{k = 1}^{n - 1} k^3 = \left( \sum_{k = 1}^{n - 1} k \right)^2.$$

$n$時,
\begin{align}
\sum_{k = 1}^{n} k^3
&= \sum_{k = 1}^{n - 1} k^3 + n^3 \notag \\
&= \left( \sum_{k = 1}^{n - 1} k \right)^2 + n^3 \quad [\text{歸納假設}] \notag \\
&= \left[ \frac{(n - 1)[(n - 1) +1]}{2} \right]^2 + n^3 \quad [\text{習題}0.13.1(a)] \notag \\
&= \frac{(n - 1)^2 \cdot n^2}{2^2} + \frac{4n^3}{2^2} \notag \\
&= \frac{n^4 - 2n^3 + n^2 + 4n^3}{2^2} \notag \\
&= \frac{n^4 + 2n^3 + n^2}{2^2} \notag \\
&= \frac{n^2 (n^2 + 2n + 1)}{2^2} \notag \\
&= \frac{n^2 (n + 1)^2}{2^2} \notag \\
&= \left[ \frac{n(n + 1)}{2} \right]^2 \notag \\
&= \left( \sum_{k = 1}^{n} k \right)^2 \quad [\text{習題}0.13.1(a)] \notag
\end{align}
故由數學歸納法得證。

(證明終了)