数学归纳法
Multi tool use
Clash Royale CLAN TAG#URR8PPP  | 本条目需要擴充。（2013年10月18日） |
数学归纳法（Mathematical Induction、MI、ID）是一种数学证明方法，通常被用于证明某个给定命题在整个（或者局部）自然数范围内成立。除了自然数以外，广义上的数学归纳法也可以用于证明一般良基结构，例如：集合论中的树。这种广义的数学归纳法应用于数学逻辑和计算机科学领域，称作结构归纳法。
虽然数学归纳法名字中有“归纳”，但是数学归纳法并非不严谨的归纳推理法，它属于完全严谨的演绎推理法。事實上，所有數學證明都是演繹法。
目录
1 定义
2 例子
2.1 证明
2.1.1 第一步-起始步骤
2.1.2 第二步-推递步骤
2.2 解释
3 数学归纳法的变体
3.1 从0以外的自然数开始
3.2 只針對偶数或只針對奇数
3.3 递降归纳法 又名 遞迴歸納法
3.4 完整归纳法
3.5 超限归纳法
4 数学归纳法的合理性
5 相关条目
6 外部链接
定义
最简单和常见的数学归纳法是证明当n等于任意一个自然数时某命题成立。证明分下面两步：
骨牌一个接一个倒下，就如同一个值到下一个值的过程。
- 证明当n = 1时命题成立。
- 证明如果在n = m时命题成立，那么可以推导出在n = m+1时命题也成立。（m代表任意自然数）
这种方法的原理在于：首先证明在某个起点值时命题成立，然后证明从一个值到下一个值的过程有效。当这两点都已经证明，那么任意值都可以通过反复使用这个方法推导出来。把这个方法想成多米诺效应也许更容易理解一些。例如：你有一列很长的直立着的多米诺骨牌，如果你可以：
- 证明第一张骨牌会倒。
- 证明只要任意一张骨牌倒了，那么与其相邻的下一张骨牌也会倒。
那么便可以下结论：所有的骨牌都会倒下。
例子
假设我们要证明下面这个公式（命题）：
1+2+3+⋯+n=n(n+1)2displaystyle 1+2+3+cdots +n=frac n(n+1)2
其中n为任意自然数。这是用于计算前n个自然数的和的简单公式。证明这个公式成立的步骤如下。
证明
第一步-起始步骤
第一步是验证这个公式在n = 1时成立。我们有左边 = 1，而右边 =1(1+1)2=1displaystyle frac 1(1+1)2=1
第二步-推递步骤
第二步我们需要证明如果假设n = m时公式成立，那么可以推导出n = m+1时公式也成立。证明步骤如下。
我们先假设n = m时公式成立。即
1+2+⋯+m=m(m+1)2displaystyle 1+2+cdots +m=frac m(m+1)2
然后在等式等号两边分别加上m + 1得到
1+2+⋯+m+(m+1)=m(m+1)2+(m+1)displaystyle 1+2+cdots +m+(m+1)=frac m(m+1)2+(m+1)
这就是n = m+1时的等式。我们现在需要根据等式1证明等式2成立。通过因式分解合并，等式2的右手边
=m(m+1)2+2(m+1)2=(m+2)(m+1)2=(m+1)(m+2)2=(m+1)[(m+1)+1]2.displaystyle =frac m(m+1)2+frac 2(m+1)2=frac (m+2)(m+1)2=frac (m+1)(m+2)2=frac (m+1)[(m+1)+1]2.
![=frac m(m+1)2+frac 2(m+1)2=frac (m+2)(m+1)2=frac (m+1)(m+2)2=frac (m+1)[(m+1)+1]2.](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/1d257b49479295ce7d579e239735a22cbe435337)
也就是说
1+2+⋯+(m+1)=(m+1)[(m+1)+1]2displaystyle 1+2+cdots +(m+1)=frac (m+1)[(m+1)+1]2
![1+2+cdots +(m+1)=frac (m+1)[(m+1)+1]2](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/328bb76c33c74d0cae042af939966bf339b40214)
这样便证明了从P（m） 成立可以推导出P（m+1） 也成立。证明至此完成，结论：对于任意自然数n，P（n） 均成立。
解释
在这个证明中，归纳推理的过程如下：
- 首先证明P(1)成立，即公式在n = 1时成立。
- 然后证明从P（m） 成立可以推导出P（m+1） 也成立。（这里实际应用的是演绎推理法）
- 根据上两条从P(1)成立可以推导出P（1+1），也就是P(2)成立。
- 继续推导，可以知道P（3）成立。
- 从P(3)成立可以推导出P(4)也成立。
- 不断不断不断的重复推導下一命題成立的步驟。（这就是所谓“归纳”推理的地方）
- 我们便可以下结论：对于任意自然数n，P（n） 成立。
数学归纳法的变体
在应用中，数学归纳法常常需要采取一些变化来适应实际的需求。下面介绍一些常见的数学归纳法变体。
从0以外的自然数开始
第一种情况：
如果欲证明的命题并不是针对全部自然数，而只是针对所有大于等于某个数字b的自然数，那么证明的步骤需要做如下修改：
- 第一步，证明当n = b时命题成立。
- 第二步，证明如果n = m（m ≥ b） 成立，那么可以推导出n = m+1也成立。
用这个方法可以证明诸如“当n ≥ 3时，n2 > 2n”这一类命题。
第二种情况：
如果欲证明的命题针对全部自然数，但仅当大于等于某个数字b时比较容易证明，则可参考如下步骤：
- 第一步，证明当n =0，1，2，… b时命题成立。
- 第二步，证明如果n = m（m ≥ b） 成立，那么可以推导出n = m+1也成立。
用这种方法可以证明一些需要通过放缩来证明的不等式。
只針對偶数或只針對奇数
如果我们想证明的命题并不是针对全部自然数，而只是针对所有奇数或偶数，那么证明的步骤需要做如下修改：
奇数方面：
- 第一步，证明当n = 1时命题成立。
- 第二步，证明如果n = m成立，那么可以推导出n = m+2也成立。
偶数方面：
- 第一步，证明当n = 0或2时命题成立。
- 第二步，证明如果n = m成立，那么可以推导出n = m+2也成立。
递降归纳法 又名 遞迴歸納法
数学归纳法并不是只能应用于形如“对任意的n”这样的命题。对于形如“对任意的n=0,1,2,...,m”这样的命题，如果对一般的n比较复杂，而n=m比较容易验证，并且我们可以实现从k到k-1的递推，k=1,...,m的话，我们就能应用归纳法得到对于任意的n=0,1,2,...,m，原命题均成立。
完整归纳法
另一个一般化的方法叫完整归纳法（也称第二数学归纳法或强归纳法），在第二步中我们假定式子不仅当n = m时成立，当n小于或等于m时也成立.这样可以设计出这样两步:
- 证明当n = 0时式子成立.
- 证明当n ≤ m时成立，那么当n = m + 1时式子也成立.
例如，这种方法被用来证明：
- fib(n)=Φn−(−1Φ)512displaystyle mathrm fib (n)=frac Phi ^n-left(frac -1Phi right)5^frac 12
其中fib（n） 是第n个斐波纳契数和Φ = (1 + 51/2) / 2 (即黄金分割).如果我们可以假设式子已经在当n = m和n = m − 1时成立，从fib（m + 1） = fib(m) + fib（m − 1）之后可以直截了当地证明当n=m + 1时式子成立.
这种方法也是第一种形式的特殊化：
- 定义P（n） 是我们将证的式子,
P（0）和P（1）成立
P（m + 1）在P（m）和P（m − 1）成立时成立。
结论：P（n）对一切自然数n成立。
超限归纳法
最后两步可以用这样一步表示：
- 证明如果式子在所有的n < m成立，那么式子在当n = m时也成立.
实际上这是数学归纳法的大多数通式，可以知道他不仅对表达自然数的式子有效，而且对于任何在良基集（也就是一个偏序的集合，包括有限降链） 中元素的式子也有效（这里"<"被定义为a < b 当且仅当a ≤ b和a ≠ b）.
这种形式的归纳法当运用到序数（以有序的和一些的良基类的形式）时被称为超限归纳法.它在集合论，拓扑学和其他领域是一種重要的方法.
要区别用超限归纳法证明的命题的三种情况：
m是一个极小元素，也就是没有一个元素小于m
m有一个直接的前辈，比m小的元素有一个大的元素
m没有任何前辈，也就是m是一个界限序数.
参见数学归纳法的三种形式。
数学归纳法的合理性
数学归纳法的原理作为自然数公理，通常是被规定了的（参见皮亚诺公理）。
相关条目
- 归纳推理
- 演绎推理
- 结构归纳法
外部链接
Mathematical Induction, Examples（英文）
