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イントロ

帰納法で整数の性質を証明する

割り切れる部分を見つける

整数の性質を帰納法で示すときは、kの場合で割り切れると仮定し、k+1の場合の式にその形が現れるように分けます。仮定で使える部分を作るのがポイントです。

定義

割り切れる性質の帰納法

教科書では
自然数nに関する倍数や割り切れる性質を、数学的帰納法で証明する方法です。
言いかえると
帰納法の仮定は、ある式が2の倍数などであるという情報です。k+1の場合の式を、仮定で割り切れる部分と明らかに割り切れる部分へ分けます。倍数どうしの和も同じ数で割り切れることを使います。
図解3ᵏ⁺¹-1を3(3ᵏ-1)と2に分け、どちらも2で割り切れることを示す図
k+1の場合の式に、仮定で扱える3ᵏ-1を作るのがポイントです。残りの部分も2の倍数だと確認します。
手順

証明の流れ

  1. 1

    n=1で割り切れるか確認する

  2. 2

    n=kで割り切れると仮定する

  3. 3

    n=k+1の式を変形する

  4. 4

    仮定を使える部分を作る

  5. 5

    残りも割り切れることを確認する

比較
部分割り切れる理由
3(3ᵏ-1)仮定より3ᵏ-1が2の倍数
2明らかに2の倍数
2の倍数どうしの和

部分3(3ᵏ-1)

割り切れる理由
仮定より3ᵏ-1が2の倍数

部分2

割り切れる理由
明らかに2の倍数

部分

割り切れる理由
2の倍数どうしの和

k+1の場合の式を、仮定で処理できる部分と、すぐ分かる部分に分けます。

公式

例にする性質

2で割り切れることを示します。k+1の場合に、仮定で使える形を作ります。

目標

すべての自然数nで、3ⁿ-1が2の倍数であることを示します。帰納段階では、3ᵏ⁺¹-1の中に3ᵏ-1を作ります。

  • 自然数
  • 仮定する段階
使うときのコツ

k+1の場合に3ᵏ-1を作ります。

解くコツ

3ᵏ⁺¹-1を、仮定が使える形に分けます。分けた残りも同じ数で割り切れるか確認します。

場面
3ⁿ-1 が2で割り切れることを帰納法で示す。
順に考えると
3ᵏ-1が2で割り切れると仮定します。3ᵏ⁺¹-1=3・3ᵏ-1=3(3ᵏ-1)+2 と変形します。前半は仮定より2の倍数、後半の2も2の倍数です。
ここが結論
2の倍数どうしの和なので、3ᵏ⁺¹-1も2で割り切れます。
注意

数個の確認では足りない

要点

割り切れると言うには

どの部分が何の倍数かを、答案で短く説明します。式変形だけを並べるより、仮定で割り切れる部分を指摘すると伝わりやすくなります。

  1. 1

    仮定で割り切れる部分を作る

  2. 2

    残りの項も割り切れるか見る

  3. 3

    倍数どうしの和も倍数

  4. 4

    最後にk+1の場合を結論づける

確認

確認テスト

Q1

3ᵏ⁺¹-1 を仮定が使える形に分けた式はどれですか。

まとめ

まとめ

  1. 1

    整数の性質にも帰納法を使える

  2. 2

    kの場合の形をk+1で作る

  3. 3

    仮定で割り切れる部分を使う

  4. 4

    残りも倍数か確認する

  5. 5

    倍数どうしの和として結論づける