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3.2有來源支持嵌入式互動

3.2 歸納法與遞歸算術

把歸納法當作證明模式,並讀懂加法與乘法的遞歸公式。

筆記系列

MATH1090:集合論

以嚴謹課程筆記方式整理的邏輯、集合與數系構造筆記,按互相關聯的小節撰寫,重視證明與例子。

章節 1

邏輯

處理陳述、連接詞與量詞的推理工具。

章節 2

集合與關係

基本的集合語言、函數與關係。

章節 3

由構造得到的數系

自然數、整數與有理數如何構造,以及 Q 還欠缺甚麼。

歸納法不是魔術。它是一種證明模式,專門處理「對每個自然數都成 立」的命題。

同一章也用到加法與乘法的遞歸定義,所以要一直把基本情況和步驟 放在眼前。

遞歸加法

定義

加法的遞歸定義

對自然數 ab,加法定義為:

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

這是一個遞歸定義。你先知道第二個輸入是 0 時的結果,再由較早 的值推出之後的每一步。

例題

由定義計算 2+32 + 3

2 寫成 S(S(0)),把 3 寫成 S(S(S(0)))

那麼:

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)))

這就是通常叫做 5 的數。

常見錯誤

遞歸公式本身還不是證明

這些公式只告訴你運算怎樣定義,不會自動證明一個關於所有自然數 的命題。要做那一步,你還是要用歸納法。

先看互動步驟

下面的步驟器把一個歸納證明拆成基本情況、歸納假設、歸納步驟和結論。

邊讀邊試

跟著走一遍歸納證明

互動步驟器把歸納證明拆成三個會動的部分。

命題

命題:對每個自然數 n,都有 0 + n = n。

證明草圖

證明

為甚麼 S(a)+b=S(a+b)S(a) + b = S(a + b) 可由歸納法得到

快問快答

快速檢查

加法的遞歸定義中,基本情況是哪一句?

想想哪一個輸入先被固定。

解答

答案

快速檢查

在歸納證明中,歸納假設是甚麼?

用一句短句回答。

解答

答案

建議先讀

如果你想先看自然數的正式設定,可以先讀 3.1 自然數與 Peano 公理

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