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3.2 归纳法与递归算术

把归纳法当作证明模式,并读懂加法与乘法的递归公式。

笔记系列

MATH1090:集合论

以严谨课程笔记方式整理的逻辑、集合与数系构造笔记,按相互关联的小节撰写,重视证明与例子。

章节 1

逻辑

处理陈述、连接词与量词的推理工具。

章节 2

集合与关系

基本的集合语言、函数与关系。

章节 3

由构造得到的数系

自然数、整数与有理数如何构造,以及 Q 还欠缺什么。

章节 4

序与完备性

全序、上下界、上确界与下确界,以及 Q 与 R 的完备性差异。

归纳法不是魔术。它是一种证明模式,专门处理“对每个自然数都成 立”的命题。

同一章也用到加法与乘法的递归定义,所以要一直把基本情况和步骤 放在眼前。

递归加法

定义

加法的递归定义

对自然数 ab,加法定义为:

  • a+0=aa + 0 = a
  • a+S(b)=S(a+b)a + S(b) = S(a + b)

这是一个递归定义。你先知道第二个输入是 0 时的结果,再由较早 的值推出之后的每一步。

例题

由定义计算 2+32 + 3

2 写成 S(S(0)),把 3 写成 S(S(S(0)))

那么:

2+3=2+S(S(S(0)))2 + 3 = 2 + S(S(S(0)))

=S(2+S(S(0)))= S(2 + S(S(0)))

=S(S(2+S(0)))= S(S(2 + S(0)))

=S(S(S(2+0)))= S(S(S(2 + 0)))

=S(S(S(2)))= S(S(S(2)))

这就是通常叫做 5 的数。

常见错误

递归公式本身还不是证明

这些公式只告诉你运算怎样定义,不会自动证明一个关于所有自然数 的命题。要做那一步,你还是要用归纳法。

先看互动步骤

下面的步骤器把一个归纳证明拆成基本情况、归纳假设、归纳步骤和结论。

边读边试

跟着走一遍归纳证明

互动步骤器把归纳证明拆成三个会动的部分。

命题

命题:对每个自然数 n,都有 0 + n = n。

证明草图

证明

为什么 S(a)+b=S(a+b)S(a) + b = S(a + b) 可由归纳法得到

快问快答

快速检查

加法的递归定义中,基本情况是哪一句?

想想哪一个输入先被固定。

解答

答案

快速检查

在归纳证明中,归纳假设是什么?

用一句短句回答。

解答

答案

先备连结

如果你想先看自然数的正式设置,可以先读 3.1 自然数与 Peano 公理

本单元重点词汇