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Aufgabe:

4. Beweisen Sie mithilfe der vollständigen Induktion:
a) \( 1^{2}+3^{2}+\ldots+(2 n-1)^{2}=\frac{n \cdot(2 n-1) \cdot(2 n+1)}{3} \) für alle natürlichen Zahlen \( n \).


Problem/Ansatz:


\( (2 n-1)^{2}+n+1 \)
\( =\frac{n(2 n-1) \cdot(2 n+1)}{3} \)
\( 1 A: \sum \limits_{k=1}^{n} k=\frac{n(2 n-1)(2 n+1)}{3} \) für ein beliebizes \( n \)
13: dann giet fir
\( \begin{aligned} \sum \limits_{k=1}^{n+1} k &=\frac{(n+1)(2(n+1)-1)(2(n+1)+1)}{3} \\ &=(n+1)(2 n+2-1)(2 n+2+1) \\ &=\frac{\left(2 n^{2}+n+2 n+1\right)(2 n+3)}{3} \\ &=\frac{4 n^{3}+2 n^{2}+4 n^{2}+2 n+6 n^{2}+3 n+6 n+3}{3} \\ &=\frac{4 n^{3}+10 n^{2}+11 n+3}{3} \\ \left(4 n^{3}-2 n^{2}-1 n\right) \end{aligned} \)


Der letzte Teil der Aufgabe ergibt sich, wenn ich die linke Seite auch mit n+1 hinzuziehe. Ich verstehe nicht genau, wie ich hier vorgehen soll. Das ist jetzt mein 4. Anlauf und ich weiß immer noch nicht die Lösung

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Wieso \(\sum k\) und nicht \(\sum k^2\) ?

Besser:$$\sum \limits_{k=1}^{n} (2k-1)^2=\frac{n(2 n-1)(2 n+1)}{3} $$Ist erfüllt für \(n=1\) (Induktionsanfang)

@Werner Salomon: Da hast du Recht. Irgendwie war ich wohl
noch nicht so ganz wach.

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Beste Antwort

Aloha :)

Die Behauptung lautet:$$S_n\coloneqq1^2+3^2+\cdots+(2n-1)^2=\frac{n(2n-1)(2n+1)}{3}\quad;\quad n\in\mathbb N$$

Induktionsverankerung bei \(n=1\):

$$S_1=\frac{1\cdot(2\cdot1-1)\cdot(2\cdot1+1)}{3}=\frac{1\cdot1\cdot3}{3}=1\quad\checkmark$$

Induktionsschritt von \(n\) auf \((n+1)\):

Hier hast du in deinem Ansatz die Klammern ausmultiplziert. Das würde ich nicht empfehlen, da du das Ergebnis ja wieder in Linearfaktoren zerlegen musst, um die Gleichheit zu \(S_{n+1}\) deutlich zu machen.

Mein Vorschlag sieht so aus:$$S_{\pink{n+1}}=S_n+(2\pink{(n+1)}-1)^2=S_n+(2n+1)^2$$Jetzt setzen wir schon den Audruck für \(S_n\) als Induktionsvorausstzung ein:$$\phantom{S_{\pink{n+1}}}=\frac{n(2n-1)(2n+1)}{3}+\green{(2n+1)^2}=\frac{n(2n-1)(2n+1)}{3}+\green{\frac{3(2n+1)(2n+1)}{3}}$$$$\phantom{S_{\pink{n+1}}}=\frac{n(2n-1)\red{(2n+1)}+3(2n+1)\red{(2n+1)}}{3}=\frac{\red{(2n+1)}\cdot(n(2n-1)+3(2n+1))}{3}$$$$\phantom{S_{\pink{n+1}}}=\frac{\red{(2n+1)}\cdot((2n^2\blue{-n})+(\blue{6n}+3))}{3}=\frac{\red{(2n+1)}\cdot((2n^2\blue{+3n})+(\blue{2n}+3))}{3}$$$$\phantom{S_{\pink{n+1}}}=\frac{\red{(2n+1)}\cdot(n\cdot\green{(2n+3)}+1\cdot\green{(2n+3)})}{3}=\frac{\red{(2n+1)}(n+1)\green{(2n+3)}}{3}$$$$\phantom{S_{\pink{n+1}}}=\frac{(n+1)\red{(2n+1)}\green{(2n+3)}}{3}=\frac{\pink{(n+1)}\cdot(2\pink{(n+1)}-1)\cdot(2\pink{(n+1)}+1)}{3}\quad\checkmark$$

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Also musste ich das (n+1) gar nicht auf beiden Seiten einsetzen. Vielen Dank das war sehr aufschlussreich!

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Addiere in der Induktionsvoraussetzung auf beiden Seiten die nächste ungerade Quadratzahl. Dann erhältst du nach geschickter Umformung (auch rückwärts arbeiten) die Induktionsbehauptung.

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