선행학습 · PREREQUISITE
Mathematical Induction
| ⅰ | 1의 존재 | N에는 1이라는 원소가 있다. |
| ⅱ | 다음 수 | N의 각 원소 n에 대하여 다음 수 n′이 N 안에 단 하나 정해진다. |
| ⅲ | 1은 처음 | 어떤 원소의 다음 수도 1이 아니다. |
| ⅳ | 다음 수의 구별 | m′ = n′이면 m = n이다. 곧 서로 다른 두 원소의 다음 수는 서로 다르다. |
| ⅴ | 귀납 공리 | N의 부분집합 S가 1을 원소로 갖고, n∈S일 때마다 n′∈S이면 S = N이다. |
이 조건을 만족하는 N을 자연수 집합이라 하고, n′을 보통 n+1로 쓴다.
| Ⅰ | (기초 단계) P(1)이 성립한다. |
| Ⅱ | (귀납 단계) 임의의 자연수 k에 대하여 P(k)가 성립하면 P(k+1)도 성립한다. 곧 P(k) ⟹ P(k+1). |
Ⅱ를 증명할 때 잠시 참이라고 놓는 P(k)를 귀납 가정이라고 한다. Ⅱ는 P(k)가 실제로 참이라고 주장하는 것이 아니라 "P(k)가 참이라면 P(k+1)도 참"이라는 조건문을 증명하는 것이다.
n=1, 2, 3을 넣으면 1=1², 1+3=4=2², 1+3+5=9=3²으로 맞지만, 이것만으로는 증명이 아니다. ⓐ를 P(n)이라 하고 Ⅰ, Ⅱ를 보이자.
| Ⅰ | n=1일 때 좌변은 1, 우변은 1²=1이므로 P(1)이 성립한다. |
| Ⅱ | P(k), 곧 1+3+⋯+(2k−1) = k² 이 성립한다고 가정하자. k+1번째 홀수는 2(k+1)−1 = 2k+1이므로 양변에 2k+1을 더하면 1+3+⋯+(2k−1)+(2k+1) = k²+2k+1 = (k+1)² 이다. 이것은 ⓐ의 n 자리에 k+1을 넣은 식, 곧 P(k+1)이다. |
Proof. 이 명제를 P(n)이라 하자.
| Ⅰ | n=1이면 1³−1 = 0 = 6·0이므로 P(1)이 성립한다. |
| Ⅱ | k³−k가 6의 배수라고 가정하자. 그러면 (k+1)³−(k+1) = (k³+3k²+3k+1)−(k+1) = (k³−k) + 3k(k+1) 이다. 우변의 k³−k는 귀납 가정에 의해 6의 배수이고, k(k+1)은 연속한 두 정수의 곱이므로 짝수이다 (경우를 나누는 증명의 보기). 따라서 3k(k+1)도 6의 배수이고, 두 6의 배수의 합인 (k+1)³−(k+1)은 6의 배수이다. 곧 P(k+1)이 성립한다. |
Ⅰ, Ⅱ에 의해 모든 자연수 n에 대하여 n³−n은 6의 배수이다.
Proof. 주어진 부등식을 P(n)이라 하자.
| Ⅰ | n=1이면 양변이 모두 1+h이므로 P(1)이 성립한다(등호). |
| Ⅱ | (1+h)k ≥ 1+kh라고 가정하자. h > −1이므로 1+h > 0이고, 양수를 곱해도 부등호 방향은 그대로이므로 (1+h)k+1 ≥ (1+kh)(1+h) = 1+(k+1)h+kh² 이다. kh² ≥ 0이므로 우변은 1+(k+1)h 이상이다. 곧 (1+h)k+1 ≥ 1+(k+1)h, P(k+1)이 성립한다. |
Ⅰ, Ⅱ에 의해 부등식은 모든 자연수 n에 대하여 성립한다. h ≠ 0이면 n ≥ 2일 때(n = k+1, k ≥ 1) Ⅱ의 kh²이 0보다 커서 등호 없는 부등식 (1+h)n > 1+nh를 얻는다.
귀납 단계 Ⅱ는 같은 내용을 다음처럼 쓰기도 한다.
| Ⅲ | k ≥ 2인 임의의 자연수 k에 대하여 P(k−1) ⟹ P(k). |
귀납 가정을 더 넉넉하게 잡는 형태도 있다. P(k+1)을 보일 때 바로 앞의 P(k)만이 아니라 P(1)부터 P(k)까지 전부를 가정해도 된다.
| Ⅳ | 임의의 자연수 k에 대하여, P(1), P(2), ⋯, P(k)가 모두 성립하면 P(k+1)도 성립한다. |
| Ⅴ | k ≥ 2인 임의의 자연수 k에 대하여, P(1), P(2), ⋯, P(k−1)이 모두 성립하면 P(k)도 성립한다. |
Ⅰ과 Ⅳ(또는 Ⅴ)가 성립해도 P(n)은 모든 자연수 n에 대하여 성립한다. 이 형태를 강한 귀납법이라고도 한다. 이유 : Q(n)을 "P(1), P(2), ⋯, P(n)이 모두 성립한다"로 놓자. Ⅰ에 의해 Q(1)이 성립한다. Q(k)가 성립하면 Ⅳ에 의해 P(k+1)이 성립하므로 Q(k+1)도 성립한다. 따라서 원래의 수학적 귀납법에 의해 모든 n에 대하여 Q(n)이, 따라서 P(n)이 성립한다. 가정이 강해진 만큼, P(k+1)이 바로 앞이 아닌 더 작은 경우에 기대는 명제(아래 例 4)를 다룰 때 편리하다.
Proof. 2 이상의 자연수 n에 대하여 이 명제를 P(n)이라 하고, 출발점이 2인 강한 귀납법(Ⅴ의 꼴)을 쓴다.
| Ⅰ | 2는 소수이므로 P(2)가 성립한다. |
| Ⅴ | k ≥ 3이고, 2 이상 k 미만의 모든 자연수에 대하여 명제가 성립한다고 가정하자. k가 소수이면 P(k)는 바로 성립한다. k가 소수가 아니면 k = ab (2 ≤ a, b < k)로 쓸 수 있다. a와 b는 모두 2 이상 k 미만이므로 귀납 가정에 의해 각각 소수이거나 소수들의 곱이고, 따라서 그 곱 k도 소수들의 곱이다. 곧 P(k)가 성립한다. |
여기서 a, b는 k−1이 아니라 그보다 훨씬 작을 수 있으므로, P(k−1)만 가정하는 보통의 귀납법으로는 이 논증이 되지 않는다.