数学归纳法证明Nicomachus's Theorem

今天看了《计算机程序设计艺术卷1》的部分内容。也希望更深入了解一下数学归纳法。所以将网页基本算重新写了一遍,写下证明过程。

理论Theorem

1 3 = 1
2 3 = 3 + 5
3 3 = 7 + 9 + 11
4 3 = 13 + 15 + 17 + 19

总的来说:
n N > 0 , n 3 = i = 1 n ( n 2 n + 2 i 1 ) = ( n 2 n + 1 ) + ( n 2 n + 3 ) + . . . + ( n 2 n + 2 n 1 ) )
特别说明: ( n + 1 ) 3 的第一项比 n 3 的最后一项大2。

归纳法证明

n N > 0 , P ( n ) n 3 = i = 1 n ( n 2 n + 2 i 1 )

归纳法基准

P ( 1 ) ,因为 1 3 = 1 成立。

归纳法假设

假设 P ( k ) 为真, k >= 1 。也就是说 k 3 = ( k 2 k + 1 ) + ( k 2 k + 3 ) + . . . + ( k 2 k + 2 k 1 )
我们需要证明: ( k + 1 ) 3 = [ ( k + 1 ) 2 ( k + 1 ) + 1 ] + [ ( k + 1 ) 2 ( k + 1 ) + 3 ] + . . . + [ ( k + 1 ) 2 ( k + 1 ) + 2 ( k + 1 ) 1 ]

证明步骤

因为: ( k + 1 ) 2 ( k + 1 ) + j = k 2 k + j + 2 k ,所以 P ( k + 1 ) 的前k项与 P ( k ) 相比,多出2k。
T k = ( k 2 k + 1 ) + ( k 2 k + 3 ) + . . . + ( k 2 k + 2 k 1 )

T ( k + 1 ) = [ ( k + 1 ) 2 ( k + 1 ) + 1 ] + [ ( k + 1 ) 2 ( k + 1 ) + 3 ] + . . . + [ ( k + 1 ) 2 ( k + 1 ) + 2 ( k + 1 ) 1 ] = T ( k ) + k ( 2 k ) + [ ( k + 1 ) 2 ( k + 1 ) + 2 ( k + 1 ) 1 ] = k 3 + 2 k 2 + k 2 + 2 k + 1 + k + 1 1 = k 3 + 3 k 2 + 3 k + 1 = ( k + 1 ) 3
推出在P(k)成立的前提下,P(k+1)成立。
所以:
n N > 0 , n 3 = i = 1 n ( n 2 n + 2 i 1 ) = ( n 2 2 n + 1 ) + ( n 2 n + 3 ) + . . . + ( n 2 n + 2 n 1 ) )

从定义证明

n N > 0 , n 3 = i = 1 n ( n 2 n + 2 i 1 ) = ( n 2 n + 1 ) + ( n 2 n + 3 ) + . . . + ( n 2 n + 2 n 1 ) )

i = 1 n ( n 2 n + 2 i 1 ) = n 3 n 2 + i = 1 n ( 2 i 1 ) = n 3 n 2 + n 2 = n 3

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