Após enunciar uma forma do princípio de indução e usá-lo em um exemplo, passaremos a descrever duas situações envolvendo indução:

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1 Vale para 1, para 2, para 2,..., Vale Sempre? Renate Watanabe Universidade Mackenzie Neste artigo vamos fazer, inicialmente, algumas afirmações sobre números naturais que são verdadeiras para os números 1, 2, 3 e muitos outros e vamos tentar responder à pergunta: elas são verdadeiras sempre? Após enunciar uma forma do princípio de indução e usá-lo em um exemplo, passaremos a descrever duas situações envolvendo indução: - uma, para ver se, de acordo com uma lenda, o mundo está para acabar, e - outra, para provar que inteligência é contagiosa, pois demonstraremos que havendo um aluno inteligente numa classe com n alunos, então todos os alunos da classe são inteligentes. O objetivo do artigo é enriquecer o estoque de fatos e problemas interessantes que professores colecionam para usar em momentos oportunos nas aulas que ministram. Verdadeiro ou falso? 1. n IN, n < n IN, n 2 + n + 41 é um número primo. 3. n IN*, 991n não é um quadrado perfeito. 4. n IN*, a soma dos n primeiros números ímpares é n n IN*, 2n + 2 é a soma de dois números primos. Vejamos: 1. n < 100 é uma sentença verdadeira para n = 1, n = 2, n = 3 e outros, mas tornase falsa para qualquer número natural maior do que 99. Portanto, n IN, n < 100 é uma sentença falsa 1

2 2. n 2 + n + 41 é um número primo é uma sentença verdadeira para n = 1, n = 2, n = 3 e outros. De fato, ela é verdadeira para todos os números naturais menores do que 40. Porém o número não é primo, mostrando que a sentença = 40. (40 + 1) + 41 = n IN, n 2 + n + 41 é um número primo é uma sentença falsa. Em 1772, Euler mostrou que f(n) = n 2 + n + 41 assumia valores primos para n = 0, 1, 2,..., 39. Observando que f(n 1) = f( n), vê-se que n 2 + n + 41 assume valores primos para 80 inteiros consecutivos: 40, 39,..., -1, 0, 1,..., 39. Substituindo a variável n por n 40, obtém-se f(n 40) = g(n) = n 2 79n que assume valores primos para todos os números naturais de 0 até 79 um record para trinômios do segundo grau (1) n não é um quadrado perfeito é uma sentença verdadeira para n = 1, n = 2, n = 3 e, mesmo após muitas e muitas tentativas, não se acha um número que a torne falsa. Pudera! O menor número natural n para o qual 991n é um quadrado perfeito é e, portanto, a sentença (2) n IN*, 991n não é um quadrado perfeito é falsa. 4. A soma dos n primeiros números ímpares é n 2 é uma sentença verdadeira para n = 1, n = 2, n = 3 e, como no caso anterior, após muitas e muitas tentativas, não se acha um número natural que a torne falsa. Neste caso, tal número não existe pois, como veremos adiante, esta sentença é verdadeira sempre. 5. 2n + 2 é a soma de dois números primos é uma sentença verdadeira para n = 1, n=2, n=3 e, como nos dois exemplos anteriores, após muitas e muitas tentativas, não se encontra um número natural que a torne falsa. Mas agora temos uma situação nova: ninguém, até hoje, encontrou um número que tornasse a sentença falsa e ninguém, até hoje, sabe demonstrar que a sentença é verdadeira sempre. 2

3 A sentença é a famosa conjetura de Goldbach (3) feita em 1742, em uma carta dirigida a Euler: Tudo inteiro par, maior do que 2, é a soma de dois números primos. Não se sabe, até hoje, se esta sentença é verdadeira ou falsa. Em suma, dada uma afirmação sobre números naturais, se encontrarmos um contraexemplo, saberemos que a afirmação não é sempre verdadeira. E se não acharmos um contra-exemplo? Neste caso, suspeitando que a afirmação seja verdadeira sempre, uma possibilidade é tentar demonstrá-la recorrendo ao princípio da indução. Princípio da indução finita Seja S um conjunto de números naturais, com as seguintes propriedades: 1. 0 S 2. k IN, se k S, então k + 1 S. Nestas condições, S = IN. Vamos ver como este princípio nos permite demonstrar que a sentença 4 é verdadeira. Demonstração: n IN*, a soma dos n primeiros números ímpares é n 2. Seja S o conjunto dos números naturais n para os quais a soma dos n primeiros números ímpares é n S, pois a soma dos 1 primeiros números ímpares é 1 = Vamos supor que k S, isto é, que a soma dos k primeiros números ímpares seja k 2. Vamos provar que k + 1 S, isto é, que a soma dos k + 1 primeiros números ímpares é (k + 1) 2. Estamos supondo que e queremos provar que k 1 = k k + 1 = (k + 1) 2.Basta observar que (2k 1) + (2k + 1) = k 2 + (2k + 1) = (k + 1) 2 3

4 O princípio da indução nos garante, agora, que S = IN*, ou seja, a afirmação a soma dos n primeiros ímpares é n 2 é verdadeira para todos os números naturais maiores do que zero. No 2 o. grau o professor encontra muitas oportunidades para fazer demonstrações por indução, se assim o desejar, mas não nos deteremos aqui para dar os exemplos clássicos. Uma lenda Após a criação do mundo, em um mosteiro escondido na Índia, o Grande Criador colocou uma placa de bronze e nela fixou três bastões cobertos de diamantes. Em um dos bastões, em ordem decrescente de tamanho, colocou 64 discos de ouro. E assim disse aos monges: Transfiram esta pilha de discos para outro bastão, movendo, ininterruptamente, um disco de cada vez e nunca permitindo que um disco fique acima de um menor. Quando terminarem esta tarefa e os 64 discos estiverem em outro bastão, este templo se reduzirá a pó e com um estrondo de trovões o mundo acabará. Dizem os sábios que o mundo foi criado há 4 bilhões de anos aproximadamente e os monges, desde a criação, estão movendo os discos na razão de um disco por segundo. Será que veremos o mundo acabar? É muito difícil imaginar os movimentos feitos com uma pilha de 64 discos. Imaginemos uma pilha com 1 disco: Para 1 disco, a transferência se dá com 1 movimento: m 1 = 1 Dois discos 4

5 m 2 = 3 Para 2 discos, a transferência se dá com 3 movimentos. Três discos: m 3 = 7 Quatro discos: m 4 = 15 Já se pode ver como deslocar n discos, com um menor número de movimentos possível: inicialmente, movem-se n 1 discos para o bastão de trás, com m n-1 movimentos; em seguida, move-se o n-ésimo disco para o outro bastão da frente, com 1 movimento; finalmente movem-se os n 1 discos do bastão de trás para o da frente, com m n-1 movimentos. Tem-se: m n = m n m n 1 = 2m n Façamos uma tabela com o número de discos e o número de movimentos mínimo para mudá-los de um bastão para outro: n m n Precisamos descobrir o valor de m 64 porque m 64 segundos após a criação do mundo, ele acabará e já se passaram 4 bilhões de anos! Observando a segunda linha da tabela vemos que os seus números são, a menos de 1: 2, 4, 8, 16, 32, 64, ou seja, 2 1, 2 2, 2 3, 2 4, 2 5, 2 6, o que nos leva a fazer a seguinte conjetura: m n = 2 n 1 5

6 Esta sentença é verdadeira para n = 1, 2, 3,4 5, 6, mas será verdadeira sempre? Tentemos demonstrá-la por indução. Seja S o conjunto dos números naturais n tais que n discos são movidos com 2 n 1 movimentos. 1 S, pois para 1 disco necessitamos de 1 = movimentos. Vamos supor que k S, isto é, k discos são removidos com 2 k 1 movimentos. Vamos provar que k + 1 S, isto é, que m k +1 = 2 k Para remover k + 1 discos passamos, inicialmente, k discos para o bastão de trás com m k movimentos; em seguida, com 1 movimento, o (k + 1) ésimo disco vai para o outro bastão da frente; com m k movimentos, os k discos de trás passam para o bastão da frente. Isto é, m k + 1 = m k m k. m k + 1 = 2 k k 1 = 2. 2 k 1 = 2 k e isto mostra que k + 1 S. O princípio da indução nos garante que n discos podem sempre ser removidos com 2 n 1 movimentos e, em particular, m 64 = E assim, ficamos sabendo que segundos após a criação do mundo, ele terminará. Com um pouco mais de Matemática ficaremos sabendo se isto ocorrerá logo. Façamos alguns cálculos. Quantos segundos têm um ano? Exagerando, vamos supor que os monges façam 2 25 movimentos por ano (na verdade fazem 2 39 = = > Passaram-se até hoje 4 bilhões de anos, ou seja, anos. Podemos ficar tranquilos faltam mais do que 508 bilhões de anos para os monges terminarem sua tarefa isto, supondo que eles não errem no caminho. 6

7 Os bastões com 7, 8 ou 9 discos constituem um brinquedo conhecido como Torre de Hanoi (4), inventado pelo matemático francês Edouard Lucas ( ) e já vendido como brinquedo em Um folheto o acompanhava contando a lenda acima. E. Lucas demonstrou um teorema conhecido como teste de Lucas que lhe permitiu provar, entre outros fatos, que é um número primo e este foi, até 1952, o maior número primo conhecido = (5) Alunos inteligentes O teorema que vamos enunciar e demonstrar é uma versão mais popular de uma demonstração atribuída a A. Tarski ( ) de que todos os números naturais são iguais (6). O enunciado do teorema é o seguinte: n IN*, se numa classe com n alunos um for inteligente, então todos os alunos da classe são inteligentes. Demonstração (por indução): Seja S o conjunto dos números naturais n tais que se numa classe com n alunos, um for inteligente, então todos são inteligentes S, pois se numa classe com 1 aluno, um for inteligente, então todos (ele, somente) são inteligentes. 2. Vamos supor que k S, isto é, se numa classe com k alunos, um for inteligente, então todos são inteligentes. Vamos provar que k + 1 S: Imaginemos uma classe com k + 1 alunos, dos quais um é inteligente. Vamos pedir que um dos alunos, não o inteligente, saia da classe. Restam na classe k alunos dos quais um é inteligente. Pela hipótese (k S), todos os k alunos da classe são inteligentes. Chamemos de volta o aluno que saiu. Temos k + 1 alunos dos quais, com certeza, k já são inteligentes. 7

8 Vamos pedir que um dos k alunos inteligentes saia da classe. Restam na classe k alunos dos quais um (até mais do que um) é inteligente. Pela hipótese (k S), todos os k alunos da classe são inteligentes. Chamando de volta o aluno que saiu, teremos uma classe com k + 1 alunos inteligentes, isto é, k + 1 S. Pelo princípio da indução, qualquer que seja n > 0, se numa classe com n alunos, um for inteligente, então todos são inteligentes. Mas, pela nossa experiência, infelizmente, isto é bobagem. E agora? Onde está o erro? Referências (1) Euler e a Teoria dos Números, RPM 4, p. 12. Mathematical Gems II, R. Honsberger, MAA, p. 29. (2) Induction in Geometry, L. Golovina, I. M. Yaglom, Mir, p. 8. (3) A experiência matemática, P. J. Davis, R. Hersh, Francisco Alves, p (4) Divertimentos Matemáticos, Martin Gardner, Ibrasa, p. 59. Matemática e Imaginação, E. Kasner, J. Newman Zahar, p A Torre de Hanói, Revista de Ensino de Ciência, 11, p. 21 (5) Elementos de Álgebra, L. H. Jacy Monteiro, Ao Livro Técnico, p (6) Enrichment Mathematics for High School, NCTM, p

9 Regras mnemônicas para memorizar os primeiros dígitos do número π Em inglês: YES, I HAVE A NUMBER (Sim, eu tenho um número) 3, Ou SEE, I HAVE A RHYME ASSISTING MY FEEBLE BRAIN ITS TASKS SOMETIME RESISTING 3, (Veja eu tenho uma rima ajudando meu fraco cérebro às vezes resistindo às suas tarefas). Em francês: QUE J AIME A FAIRE APPRENDRE UN NOMBRE UTILE AUX SAGES (Que eu gostaria de ensinar um número útil aos sábios) E, em português, o colega conhece algo semelhante? Com números: (enviado por José M. de Azevedo Netto, São Paulo, SP) 9