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Un problema de inducción fuerte con relaciones de recurrencia

El problema se plantea:

Sea $b_0$ = $12$ y $b_1$ = $29$ y para todos los números enteros $k 2$ , dejemos que $b_k$ = $5b_{k-1}-6b_{k-2}$ .

Demostrar que para todo $n 0$ , $b_n$ = $5\:\cdot \:3^n\:+\:7\:\cdot\:2^n$

Estoy familiarizado con preguntas en las que se supone que debo encontrar la forma cerrada de una relación de recurrencia y luego demostrar esa fórmula por inducción. Sin embargo, esta pregunta tiene una estructura más extraña y no sé muy bien cómo proceder. ¿Debo demostrar que:

$b_k$ = $5b_{k-1}-6b_{k-2}$ = $b_n$ = $5\:\cdot \:3^n\:+\:7\:\cdot \:2^n$

es decir, ¿utilizar la inducción fuerte para demostrar que ambas afirmaciones son equivalentes?

Si ese es el caso, ¿muestro $b_n$ = $5\:\cdot \:3^n\:+\:7\:\cdot \:2^n$ se cumple para n = 0 y 1 (estableciendo los casos base) y luego manipular lo que surge algebraicamente para igualar a $b_k$ = $5b_{k-1}-6b_{k-2}$ ? ¿O debo hacerlo para $b_k$ = $5b_{k-1}-6b_{k-2}$ ? Se agradecen todos los consejos y opiniones.

3voto

barak manos Puntos 17078

En primer lugar, demuestre que esto es cierto para $n=0$ y $n=1$ :

$b_{0}=5\cdot3^{0}+7\cdot2^{0}$

$b_{1}=5\cdot3^{1}+7\cdot2^{1}$

En segundo lugar, supongamos que esto es cierto para $n-2$ y $n-1$ :

$b_{n-2}=5\cdot3^{n-2}+7\cdot2^{n-2}$

$b_{n-1}=5\cdot3^{n-1}+7\cdot2^{n-1}$

Tercero, demuestre que esto es cierto para $n$ :

$b_{n}=$

$5\color\red{b_{n-1}}-6\color\green{b_{n-2}}=$

$5(\color\red{5\cdot3^{n-1}+7\cdot2^{n-1}})-6(\color\green{5\cdot3^{n-2}+7\cdot2^{n-2}})=$

$25\cdot3^{n-1}+35\cdot2^{n-1}-30\cdot3^{n-2}-42\cdot2^{n-2}=$

$25\cdot3^{n-1}+35\cdot2^{n-1}-10\cdot3^{n-1}-21\cdot2^{n-1}=$

$15\cdot3^{n-1}+14\cdot2^{n-1}=$

$5\cdot3^{n}+7\cdot2^{n}$


Tenga en cuenta que el supuesto sólo se utiliza en las partes marcadas en rojo y verde.

0voto

mvw Puntos 13437

Creo que sólo tienes que demostrar que $b_n = 5\cdot 3^n + 7\cdot 2^n$ cumple la relación de recurrencia y las condiciones iniciales para cada instancia $n$ . Como la relación implica hasta dos elementos de secuencia anteriores, utilizaría la inducción fuerte.

Se empieza con pruebas directas para $b_0$ entonces $b_1$ y la inducción a partir de $n=2$ .

Actualización: Parece que tengo que dar una solución completa:

Las condiciones iniciales se mantienen por evaluación y comparación. $$ S(0): b_0 = 12 \wedge b_0 = 5\cdot 3^0 + 7\cdot 2^0 = 5 + 7 = 12 \\ S(1): b_1 = 29 \wedge b_1 = 5\cdot 3^1 + 7\cdot 2^1 = 15 + 14 = 29 \\ $$ Donde el $\wedge$ significa "y" lógico.

La declaración para $n$ , $n\ge 2$ es $$ S(n): b_n = 5 b_{n-1} - 6 b_{n-2} \wedge b_n = 5\cdot 3^n + 7\cdot 2^n $$ Caso base $n=2$ : $$ S(2):b_2 = 5 b_1 - 6 b_0 \wedge b_2 = 5 \cdot 3^2 + 7 \cdot 2^2 $$ Esto equivale a $$ S(2): b_2 = 5 \cdot 29 - 6 \cdot 12 = 145-72=73 \wedge b_2 = 45 + 28 = 73 $$ que es una afirmación verdadera.

Paso de inducción:

Suponiendo que $S(k)$ es cierto para $k\in\{2,\dotsc, n\}, n\ge 2$ tenemos $$ S(k+1): b_{k+1} = 5 b_k - 6 b_{k-1} \wedge b_{k+1} = 5\cdot 3^{k+1} + 7\cdot 2^{k+1} $$ donde \begin{align} b_{k+1} &= 5 b_k - 6 b_{k-1} \\ &= 5 \left( 5\cdot 3^k + 7\cdot 2^k \right) - 6 \left( 5\cdot 3^{k-1} + 7\cdot 2^{k-1} \right) \end{align} El primer término entre paréntesis se justifica por la verdad de $S(k)$ . El segundo término requiere una distinción de casos: Para $k=2$ se basa en la veracidad del cumplimiento de la condición básica $b_1$ de lo contrario podemos basarnos en las afirmaciones verdaderas $S(k-1)$ . Entonces: $$ \begin{align} b_{k+1} &= (25 - 10) 3^k + (35-21) 2^k \\ &= 15\cdot 3^k + 14\cdot 2^k \\ &= 5\cdot 3^{k+1} + 7\cdot 2^{k+1} \end{align} $$ por lo que terminamos con $$ S(k+1): b_{k+1} = 5\cdot 3^{k+1} + 7\cdot 2^{k+1} \wedge b_{k+1} = 5\cdot 3^{k+1} + 7\cdot 2^{k+1} $$ que es una afirmación verdadera.

Por el principio de inducción fuerte concluimos la verdad de $S(n)$ para todo número entero $n$ con $n>=2$ .

Añadiendo la verdad de las condiciones iniciales podemos afirmar la verdad de $S(n)$ para todo número entero $n$ con $n \ge 0$ .

Ahora \begin{align} S(0)&: b_0 = 12 \wedge b_0 = 5\cdot 3^0 + 7\cdot 2^0 \\ S(1)&: b_1 = 29 \wedge b_1 = 5\cdot 3^1 + 7\cdot 2^1 \\ S(n)&: b_n = 5 b_{n-1} - 6 b_{n-2} \wedge b_n = 5\cdot 3^n + 7\cdot 2^n \quad (n \ge 2) \end{align} significa que para todo número entero $n$ con $n\ge 0$ la secuencia $b_n = 5\cdot 3^n + 7\cdot 2^n$ es la solución de la relación de recurrencia.

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