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Grado en Matemáticas

Inducción matemática y recursión

Una figura muestra que 1+3+5 forma un cuadrado de lado tres. ¿Seguirá ocurriendo siempre? Dibujar más casos ayuda a ver el patrón; la inducción explica por qué ningún tamaño puede fallar. Aprenderemos a escribir ese argumento y a distinguirlo de una regla recursiva que construye nuevos términos.

1. Primero escribimos la afirmación y desde qué índice empieza

P(n) será la frase que queremos demostrar para todo entero n≥n₀. En el dibujo proponemos P(n): la suma de los n primeros impares es n², para n≥1. El impar de posición n es 2n−1: en la posición cinco aparece nueve, no cinco.

Cada capa añade el siguiente impar
Un cuadrado crece por capas impares12345223453334544445555551+3+5+7+9 = 5²
Cuadrado de cinco por cinco casillas, con capas numeradas por tamaño. La capa uno tiene una casilla; la dos tres; la tres cinco; la cuatro siete; la cinco nueve. El dibujo ilustra la identidad; la inducción demuestra todos los tamaños.

Escribimos aparte P(n+1), sustituyendo n en todos sus lugares: la suma de n+1 impares, cuyo último término es 2n+1, debe valer (n+1)². Tener el objetivo visible evita demostrar otra fórmula o añadir el sumando equivocado. La inducción sobre índices naturales no cubre todos los reales.

Leer cuántos términos hay

En 1+3+⋯+(2n−1), toma n=4 y escribe el caso siguiente.

  1. Caso cuatro

    Los términos son 1,3,5,7; suman dieciséis.

  2. Caso cinco

    Se añade nueve, que es 2·4+1.

  3. Objetivo siguiente

    16+9=25=(4+1)².
Resultado

P(4): suma 16; P(5): suma 25.

Lo comprobamos

El índice cuenta términos; no es el valor del último sumando.

Cambiar todos los lugares del índice

Si P(n) dice 2ⁿ≥n+1 para n≥0, ¿qué dice P(n+1)?

  1. Lado izquierdo

    2 elevado a n+1.

  2. Lado derecho

    (n+1)+1=n+2.
  3. Objetivo

    2ⁿ⁺¹≥n+2.
Resultado

Se cambia en ambos lados.

Lo comprobamos

Todavía no lo hemos demostrado; solo hemos escrito con precisión lo que exige el paso.

2. Base y paso son dos trabajos diferentes

La base demuestra P(n₀) directamente. El paso fija un n≥n₀ arbitrario, supone provisionalmente P(n) y obtiene P(n+1). Se prueba una implicación para cualquier índice del rango; no se supone que todos los casos ya son verdaderos.

La base inicia la cadena; el paso no deja huecos
Base: P(1)P(1)P(2)P(3)P(4)…Paso: P(n) ⇒ P(n+1)Un inicio + todos los enlacesCada índice llega tras finitos pasos.
Cadena desde P de uno hacia P de dos, tres y cuatro, continuada. El esquema necesita probar el primer caso y un enlace válido para cualquier n del rango. Una colección de casos dibujados no prueba por sí sola el enlace universal.

La base inicia la cadena y el paso permite llegar a cualquier índice tras finitas aplicaciones. Si empezamos en uno, no hemos demostrado un posible caso cero. Si faltara la base, una implicación correcta podría estar transmitiendo una propiedad que nunca llega a comenzar.

Una desigualdad con su base

Prueba 2ⁿ≥n+1 para n≥0.

  1. Base

    n=0: 1≥1.
  2. Hipótesis y actualización

    Supón 2ⁿ≥n+1.
    Entonces 2ⁿ⁺¹=2·2ⁿ≥2n+2.
  3. Comparar con el objetivo

    2n+2≥n+2 porque n≥0.
    Así 2ⁿ⁺¹≥n+2.
Resultado

Vale para todos los enteros n≥0.

Lo comprobamos

Multiplicar por dos conserva la desigualdad porque dos es positivo.

Un paso verdadero que no arranca

Considera P(n): n=n+1 en los naturales. ¿Basta demostrar P(n)⇒P(n+1)?

  1. Implicación

    Si n=n+1, sumar uno a ambos lados daría n+1=n+2.
  2. Base

    En cero, 0=1 es falso; tampoco hay otra base verdadera.

  3. Diagnóstico

    La transmisión condicional no crea un primer caso verdadero.

Resultado

Sin base no hay prueba inductiva.

Lo comprobamos

Una implicación con hipótesis falsa puede ser verdadera sin que lo sea su conclusión.

3. El primer posible fallo explica por qué la cadena funciona

Todo conjunto no vacío de naturales tiene un menor elemento. Si hubiera algún índice falso después de una base verdadera, podríamos tomar el primer fallo k. No sería n₀. Entonces k−1 estaría en el rango y sería verdadero por ser anterior al primer fallo.

El paso desde k−1 obligaría a que k también fuera verdadero: contradicción. Esto justifica el método y ayuda a detectar huecos. Un paso que avanza dos unidades deja dos cadenas separadas; no basta iniciar solo una si queremos cubrir todos los índices.

Reconocer el hueco de paridad

Tienes P(0) y P(n)⇒P(n+2). ¿Qué índices quedan cubiertos?

  1. Primera cadena

    0→2→4→6→…
  2. Lo que falta

    Ningún enlace de esa cadena llega a uno o a otro impar.

  3. Reparación

    Añadir una base P(1) y el mismo paso cubre 1→3→5→… también.

Resultado

Solo los pares con la primera base; todos con las dos.

Lo comprobamos

Hace falta que el paso sea válido en todo el rango donde se aplique.

Usar el mínimo para una propiedad heredada

Una propiedad es cierta en tres y se conserva de n a n+1 para n≥3. ¿Podría fallar en algún entero mayor?

  1. Supón un fallo

    Toma el menor índice k≥3 que falla.
  2. Predecesor

    k≠3 por la base; k−1≥3 y no falla.
  3. Conflicto

    El paso desde k−1 prueba P(k), contra la elección de k.

Resultado

No hay un primer fallo; todos los índices desde tres cumplen.

Lo comprobamos

La existencia del mínimo usa índices enteros acotados inferiormente; no funciona igual para un intervalo real abierto.

4. La hipótesis reemplaza el bloque anterior, no el caso que intentamos probar

Para sumar un término nuevo, separamos la parte hasta n y la contribución siguiente. La hipótesis transforma solo esa parte conocida. Después hacemos álgebra hasta reconocer exactamente la fórmula de P(n+1). Marcaremos el reemplazo para que el argumento no parezca una cuenta que aparece de la nada.

Podemos calcular el objetivo aparte para orientarnos. Al escribir la prueba hay que partir de los datos permitidos o justificar todas las equivalencias. Suponer directamente P(n+1) y usarla como dato dejaría una prueba circular.

Cerrar la identidad del cuadrado

Prueba 1+3+⋯+(2n−1)=n² para n≥1.

  1. Base

    En uno, 1=1².
  2. Separar y usar hipótesis

    La suma siguiente es [1+3+⋯+(2n−1)]+(2n+1)=n²+2n+1.
  3. Reconocer

    n²+2n+1=(n+1)²; es exactamente el objetivo siguiente.
Resultado

La identidad vale para todo n≥1.

Lo comprobamos

El dibujo de las capas ayuda a entender por qué el nuevo sumando es 2n+1.

Una suma geométrica con el mismo mecanismo

Prueba 1+2+⋯+2ⁿ=2ⁿ⁺¹−1 para n≥0.

  1. Base cero

    Solo hay un término: 1=2¹−1.
  2. Nuevo término

    La suma hasta n+1 es la anterior más 2ⁿ⁺¹.

  3. Sustituir

    (2ⁿ⁺¹−1)+2ⁿ⁺¹=2·2ⁿ⁺¹−1=2ⁿ⁺²−1.
Resultado

Se obtiene la fórmula con índice n+1.

Lo comprobamos

El nuevo término es 2ⁿ⁺¹, no n+1; la base cero contiene un término.

5. La inducción fuerte permite usar todos los casos anteriores

A veces el caso nuevo necesita un caso anterior que no es el inmediatamente previo. La inducción fuerte supone P(n₀),…,P(n) para demostrar P(n+1). No da permiso para usar índices futuros. Tiene la misma fuerza que la ordinaria: basta aplicar esta a la frase todos los casos hasta n son verdaderos.

Las bases dependen de la construcción. Si la regla resta cuatro unidades, debemos garantizar que los cuatro primeros casos del rango comiencen sus cadenas. Comprobamos también que la descomposición produzca índices permitidos.

Productos de primos

Justifica que todo entero m≥2 es un producto de primos.

  1. Base y caso primo

    Dos es primo. Para el nuevo m, si es primo ya sirve como producto de un factor.

  2. Caso compuesto

    m=ab con 2≤a,b<m.

    Son índices anteriores al que probamos.

  3. Usar hipótesis fuerte

    a y b son productos de primos; multiplicar esas listas de factores da m.

Resultado

Cada entero desde dos admite una factorización en primos.

Lo comprobamos

La prueba establece existencia, no todavía unicidad de esa factorización.

Construir importes con cuatro y cinco

Prueba que cada entero m≥12 es 4a+5b con a,b naturales.

  1. Cuatro bases

    12=4·3; 13=4·2+5; 14=4+5·2; 15=5·3.
  2. Nuevo m≥16

    m−4≥12 y es menor que m; por hipótesis, m−4=4a+5b.
  3. Añadir cuatro

    m=4(a+1)+5b, con coeficientes todavía naturales.
Resultado

Todos los enteros desde doce se construyen así.

Lo comprobamos

No hemos afirmado lo mismo para once: queda fuera del rango y no es una base necesaria.

6. La recursión construye términos; la inducción prueba una fórmula para ellos

Una recurrencia da datos iniciales y una actualización.

Con a₀=5 y aₙ₊₁=aₙ+3, obtenemos 5,8,11,14,… usando lo ya calculado.

La fórmula cerrada 5+3n permite ir directamente a un índice. Ver el patrón sugiere la fórmula; base y paso demuestran que coincide con todos los términos.

La condición inicial y la actualización determinan la sucesión de manera única. Sin el dato inicial, muchas sucesiones podrían aumentar tres cada vez. Conocer solo unos pocos valores también permite continuaciones diferentes si no se declara una regla.

Encontrar y justificar una fórmula

a₀=5, aₙ₊₁=aₙ+3. Calcula a₁₀ y prueba el patrón.

  1. Candidato y base

    aₙ=5+3n; para n=0 vale cinco.
  2. Paso

    Si aₙ=5+3n, entonces aₙ₊₁=5+3n+3=5+3(n+1).
  3. Término diez

    5+3·10=35.
Resultado

aₙ=5+3n, en particular a₁₀=35.

Lo comprobamos

Hasta el índice diez hay diez actualizaciones desde cero, aunque hay once términos contando a₀.

Dos sucesiones con la misma actualización

¿Determina aₙ₊₁=2aₙ una única sucesión sin más datos?

  1. Primera elección

    Con a₀=1 sale 1,2,4,8,…
  2. Otra elección

    Con a₀=3 sale 3,6,12,24,…
  3. Comparar

    Ambas duplican cada término, pero son distintas.

Resultado

Falta el dato inicial.

Lo comprobamos

Si se fija a₀=c, la fórmula es c·2ⁿ y puede comprobarse por base y paso.

7. Cada dependencia debe llegar a datos disponibles

Una regla que usa dos términos anteriores normalmente necesita dos datos para empezar. Indicamos el primer índice de aplicación y revisamos las operaciones: una división por un término exige que no sea cero. El hecho de escribir una fórmula con subíndices no garantiza existencia ni unicidad.

La recursión bien fundada reduce una medida hasta una base: índice, tamaño o profundidad. Una ecuación circular puede ser imposible o admitir muchas soluciones. Tampoco suponemos que una dependencia de un índice futuro vaya a terminar por sí sola.

Calcular sin saltarse un dato

b₀=1, b₁=2, bₙ₊₂=bₙ₊₁+bₙ. Calcula b₅.

  1. Primeros nuevos

    b₂=2+1=3; b₃=3+2=5.
  2. Continuar

    b₄=5+3=8; b₅=8+5=13.
  3. Revisar dependencia

    Cada cuenta usó dos términos ya disponibles.

Resultado

b₅=13.

Lo comprobamos

Con solo b₀, no podríamos calcular b₂ porque faltaría b₁.

Una actualización que deja de estar definida

a₀=1 y aₙ₊₁=1/(aₙ−1). ¿Define una sucesión real para todo n?

  1. Intentar el primer paso

    a₁=1/(1−1).
  2. Dominio

    El denominador vale cero.

  3. Conclusión

    No existe a₁ real dado por esa regla; la construcción falla al empezar.

Resultado

No define toda la sucesión real.

Lo comprobamos

Una expresión formal no autoriza una división por cero.

8. La inducción estructural sigue las reglas que construyen un objeto

Consideremos árboles binarios completos: una hoja es un árbol, y unir dos árboles bajo una raíz nueva crea otro. Completo aquí significa que cada nodo interno tiene exactamente dos hijos. No se exige que todas las hojas estén a la misma altura.

Un árbol binario completo conserva una diferencia de uno
Hojas L ; nodos internos IILILL3 hojas = 2 internos + 1
Árbol en que cada nodo interno tiene exactamente dos hijos. Hay dos nodos internos y tres hojas. La inducción estructural parte de una hoja y prueba que unir dos árboles bajo una raíz mantiene L igual a I más uno.
Para probar L=I+1, una hoja tiene L=1 e I=0.

Si dos árboles cumplen la propiedad, el nuevo tiene L=L₁+L₂ e I=I₁+I₂+1.

Sustituir L₁=I₁+1 y L₂=I₂+1 da L=I₁+I₂+2=I+1.

Se cubrieron la base y la regla constructora.

Contar desde la estructura

Un árbol binario completo tiene siete nodos internos. ¿Cuántas hojas y nodos totales tiene?

  1. Aplicar la propiedad ya probada

    L=I+1=8.
  2. Total

    I+L=7+8=15.
  3. Condición

    Cada interno debe tener exactamente dos hijos para usar esa identidad.

Resultado

Ocho hojas y quince nodos en total.

Lo comprobamos

Un árbol con un hijo por interno puede tener otra relación entre hojas e internos.

Otra estructura con la misma forma

Las expresiones se forman con números y operaciones binarias + o ×. Prueba que hay un número más de hojas que de operaciones.

  1. Número solo

    Una hoja y cero operaciones.

  2. Unir dos expresiones

    Se suman sus hojas; se suman sus operaciones y se añade la nueva operación.

  3. Sustituir

    Si L₁=O₁+1 y L₂=O₂+1, entonces L=O₁+O₂+2=O+1.
Resultado

Vale para todas las expresiones formadas con esas reglas.

Lo comprobamos

Si añadimos una operación unaria, como negar una expresión, hay que revisar el enunciado: esa regla no añade una hoja.

9. Al cerrar, comprobamos rango, hipótesis y objetivo exacto

Una prueba inductiva debe señalar base, hipótesis provisional, uso de esa hipótesis y llegada a P(n+1). Revisamos que las operaciones sean válidas y que no falte un caso pequeño donde la regla cambie. Hacer cuentas correctas con un índice distinto no demuestra el enunciado pedido.

Los ejemplos numéricos detectan errores, pero no prueban un universal infinito. Una fórmula que acierte hasta un índice puede fallar después. Tampoco todos los enunciados verdaderos necesitan inducción: una identidad directa puede ser más breve.

Muchos aciertos y un fallo posterior

Para n≥1, ¿probar n=1,2,3 basta para afirmar (n−1)(n−2)(n−3)=0 siempre?

  1. Tres comprobaciones

    En cada uno aparece un factor cero.

  2. Siguiente valor

    En n=4 el producto es 3·2·1=6.
  3. Diagnóstico

    La generalización era falsa aunque coincidiera en las tres pruebas iniciales.

Resultado

No: n=4 es un contraejemplo.

Lo comprobamos

Para un contraejemplo basta un caso; para demostrar todos hace falta un argumento general.

Una base desplazada

Queremos probar n²≥2n para enteros n≥2. ¿Cómo queda una prueba completa?

  1. Base correcta

    n=2: 4≥4.

    No hace falta probar n=1, que ni cumple la desigualdad.

  2. Paso

    Si n²≥2n, entonces (n+1)²=n²+2n+1≥4n+1≥2n+2 porque n≥2.
  3. Rango final

    La base y el enlace cubren todo entero desde dos.

Resultado

La desigualdad vale para n≥2.

Lo comprobamos

También se puede probar directamente n²−2n=n(n−2)≥0 en ese dominio.

Ahora lo resolvemos de principio a fin.

EJEMPLO RESUELTO 1

Suma de los primeros naturales

Prueba 1+⋯+n=n(n+1)/2 para n≥1.

  1. Afirmación y objetivo

    P(n): 1+⋯+n=n(n+1)/2 para enteros n≥1.

    P(n+1) debe terminar en (n+1)(n+2)/2.

  2. Base uno

    La suma tiene solo uno y 1·2/2=1.
  3. Hipótesis

    Fijamos n≥1 arbitrario y suponemos la identidad hasta n.
  4. Separar

    1+⋯+n+(n+1)=[1+⋯+n]+(n+1).
  5. Reemplazar el bloque

    Por hipótesis es n(n+1)/2+(n+1).

  6. Denominador común

    [n(n+1)+2(n+1)]/2=(n+1)(n+2)/2.
  7. Cerrar

    Es P(n+1). Base y paso prueban la identidad en todo el rango n≥1.

Resultado

La identidad vale para todo n≥1.

Lo comprobamos

Para n=4, 1+2+3+4=10 y 4·5/2=10. Esta revisión confirma la cuenta, mientras que el argumento inductivo cubre todos los índices.

EJEMPLO RESUELTO 2

Una sucesión recursiva

Si a₀=2 y aₙ₊₁=3aₙ, encuentra y justifica aₙ.

  1. Calcular desde los datos

    a₀=2; a₁=6; a₂=18.

    Cada paso multiplica por tres.

  2. Proponer

    Tras n pasos, aₙ=2·3ⁿ.

    Esto es un candidato hasta justificarlo.

  3. Base cero

    2·3⁰=2, el dato inicial.
  4. Hipótesis

    Para un n≥0 arbitrario, supón aₙ=2·3ⁿ.
  5. Actualizar

    aₙ₊₁=3aₙ=3(2·3ⁿ)=2·3ⁿ⁺¹.
  6. Conclusión

    La fórmula cumple base y paso. La actualización determina cada término de manera única, así que coincide con la sucesión dada.

Resultado

aₙ=2·3ⁿ.

Lo comprobamos

El cociente de términos consecutivos de la fórmula es tres y el término inicial es dos, exactamente los dos requisitos del enunciado.

Los símbolos que hemos usado

P(n)
Proposición cuya verdad depende del índice natural n.
n₀
Primer índice desde el que se quiere probar la afirmación.
Hipótesis inductiva
Suposición provisional sobre casos anteriores dentro de la demostración del paso.
aₙ
Término de índice n de una sucesión.
Recurrencia
Regla que relaciona términos con otros de índices anteriores.
Inducción fuerte
Método que permite usar todos los casos anteriores del rango para demostrar el siguiente.
Buen orden
Propiedad de que todo subconjunto no vacío de naturales tiene un menor elemento.

Ahora te toca a ti.

Tienes cinco ejercicios. Inténtalos; las pistas te ayudan si te atascas.

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