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ich suche Tipps und Tricks zur vollständigen Induktion. Insbesondere bei Summen und Produkten schaffe ich es immer nur, "mit dem Holzhammer" drauf zu hauen, d.h. alle Ausdrücke (linke und rechte Seite) so weit wie möglich zu erweitern und am Ende zu vergleichen, ob bei der linken und rechten Seite dasselbe herauskommt.
Die meisten Algebra-Regeln kann ich aus dem ff, aber irgendwie... Kann ich es nicht anwenden. Ich habe jetzt unzählige Aufgaben zur Induktion gemacht, aber über mein Holzhammer-Schema komme ich nicht heraus.

Hier eine Beispielaufgabe:

Beweisen Sie mittels vollständiger Induktion dass für alle n ∈ ℕ gilt:

\( \sum\limits_{k=1}^{n}{k^3} \) = (\( \frac{n(n+1)}{2}\))²


Problem/Ansatz:

IA und IV spare ich hier mal aus.
IS: n → n + 1
zz: \( \sum\limits_{k=1}^{n+1}{k^3} \) = (\( \frac{(n+1)(n+2)}{2}\))²
Ich spare auch weiterhin mal alle Erweiterungsschritte aus.
Am Ende kommt raus: \( \frac{n^4 + 6n^3 + 14n^2 +12n + 4}{4} \) auf beiden Seiten.

Ist zwar gelöst, aber dauert ewig und ist bei Klausurstress fehleranfällig.
Das ist jetzt nur eine von vielen Aufgaben. Welche Methoden / Herangehensweisen fallen euch ein?

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3 Antworten

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Aloha :)

Willkommen in der Mathelounge... \o/

Zuerst schreibe immer die Behauptung hin:$$\text{Behauptung:}\quad\sum\limits_{k=1}^nk^3=\left(\frac{n(n+1)}{2}\right)^2\quad\text{für }n\in\mathbb N$$

Dann folgt die Induktionsverankerung beim kleinst-möglichen \(n\in\mathbb N\).$$\text{Verankerung bei } n=1\colon$$$$\sum\limits_{k=1}^nk^3=\sum\limits_{k=1}^1k^3=1^3=1=\left(\frac{1\cdot2}{2}\right)^2=\left(\frac{n\cdot(n+1)}{2}\right)^2\quad\checkmark$$

Bei der Verankerung weißt du, wie du den Term, in diesem Fall die \(1\), in einer anderen Form aufschreiben willst. Mit derselben Idee gehst du nun an den Induktionsschritt.

$$\text{Induktionsschritt von }n\text{ auf }(n+1):$$$$\sum\limits_{k=1}^{n\pink{+1}}k^3=\sum\limits_{k=1}^nk^3+\pink{(n+1)^3}\stackrel{\;\text{Ind.Vor.}\;}{=}\left(\frac{n\cdot(n+1)}{2}\right)^2+\pink{(n+1)^3}$$$$\phantom{\sum\limits_{k=1}^{n\pink{+1}}k^3}=\frac{n^2\cdot\mathbf{(n+1)^2}}{4}+\pink{(n+1)\mathbf{(n+1)^2}}=\left(\frac{n^2}{4}+(n+1)\right)\cdot\mathbf{(n+1)^2}$$Erkennst du die Idee? Wir haben gesehen, dass der Faktor \((n+1)^2\) in beiden Summanden vorkommt. Daher haben wir beide Summanden umgeformt, um \((n+1)^2\) ausklammern zu können.$$\phantom{\sum\limits_{k=1}^{n\pink{+1}}k^3}=\left(\frac{n^2}{4}+\frac{4n+4}{4}\right)\cdot(n+1)^2=\left(\frac{n^2+4n+4}{4}\right)\cdot(n+1)^2$$$$\phantom{\sum\limits_{k=1}^{n\pink{+1}}k^3}=\frac{(n+2)^2}{4}\cdot(n+1)^2=\left(\frac{(n+1)(n+2)}{2}\right)^2\quad\checkmark$$

Versuche bei Induktionen so früh wir möglich gemeinsame Faktoren auszuklammern. Vermeide das Ausmultiplizieren von Klammern. Schau dir zum Ausklammern die Terme genau an und suche gleiche Faktoren, die ausgeklammert werden können.

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Wenn man nicht weiterkommt, hilft oft, sich den letzten Term anzusehen und mit dem umzuformenden Term zu vergleichen.

Hier fällt auf, dass in beiden (n+1)² vorkommt, sodass man nur noch ¼(n+2)² hinbekommen muss.

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Versuche es mit dem Gummihammer. ;)

Spaß beiseite. Bei solchen Aufgaben ist Ausmultiplizieren häufig der aufwendigste Weg. Daher tut man das nicht. Überlege, zu welchem Ausdruck du gelangen möchtest. Häufig helfen Dinge wie Ausklammern, geschicktes Erweitern und Kürzen, Nulladditionen, also \( +a - a\), binomische Formeln etc. Probiere Dinge aus, dabei lernst du dann eine ganze Menge. Sowas hat sehr viel mit Übung und Erfahrung zu tun und es gibt kein Rezept, was immer funktioniert. Das hängt auch immer vom Term ab. Der Umgang mit Brüchen, Fakultäten, Wurzeln und Potenzen sollte natürlich beherrscht werden.

Jedenfalls: Ausmultiplizieren ist selten die beste Lösung. Bleib einfach am Ball und übe verschiedene Beweise. Dann bekommst du auch mit der Zeit ein gutes Gefühl für passende Termumformungen.

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Nehmen wir deine Beispielaufgabe:

Deinen Ansatz multipliziere ich mit 4 und dividiere ich durch (n+1)2. Dann erhalte ich eine Gleichung, die recht einfach zu verifizieren ist.

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