Como provar o infinito?

Duas verificações finitas dominam uma quantidade infinita de afirmações.

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Quarenta acertos, e falso

Pegue a expressão . Para ela dá 41, que é primo. Para , 43: primo. Dois, três, quatro, cinco: primo, primo, primo, primo — e isso continua quarenta vezes seguidas. Aí você testa :

Quarenta confirmações não valeram nada. (O polinômio é de Euler, de 1772, e o primeiro fracasso — conferido aqui, número a número — é em = 40, onde ele vale 1.681. Não por acaso: com , , e o 41 aparece em tudo.)

O problema é que “sempre” é uma palavra grande. A fórmula dá para testar com 1, 2, 3, um milhão de valores — e depois do último teste sempre sobra outro número. Como provar infinitas afirmações com um argumento que cabe numa página?

O dominó

A resposta tem o formato de uma fileira de dominós. Você não precisa empurrar cada peça com a mão; precisa de duas garantias: o primeiro dominó cai, e qualquer dominó que cair derruba o seguinte. Se as duas valem, a fileira inteira vai ao chão, não importa o tamanho.

Troque os dominós por afirmações. Chame de a afirmação que você quer provar:

  1. Caso base: prove .
  2. Passo indutivo: para um qualquer, suponha e mostre .

E aqui está o ponto que mais confunde: no passo, você não está supondo aquilo que quer provar. Está provando uma ligação — se um caso qualquer é verdadeiro, o seguinte também é. A ligação sozinha não afirma nada sobre número nenhum; é o caso base que a põe em movimento. Tire uma das duas e tudo desmonta: um primeiro dominó que ninguém empurra deixa a fileira em pé (o passo funciona, mas nunca começa); um buraco no meio interrompe a queda (começou, mas não atravessa).

A soma dos ímpares

Some os ímpares em ordem: , , , mais 7 dá 16. Os quadrados perfeitos, sem pular nenhum. E dá para ver o motivo: para transformar um quadradinho num quadrado de lado 2, faltam três peças; para chegar ao lado 3, faltam cinco; depois sete. Cada moldura nova é exatamente o próximo ímpar:

O desenho convence para os quadrados que dá para desenhar; a indução explica por que o padrão nunca quebra. Caso base: com , a soma é 1, que é . Passo: suponha que os primeiros ímpares formam um quadrado de lado . Para o seguinte, acrescente uma faixa vertical com peças, uma horizontal com outras e uma peça no canto — peças, exatamente o próximo ímpar:

O poder não está em conferir uma imagem gigante: está em achar a operação que transforma uma imagem correta na próxima. A versão animada está na prova sem palavras.

Uma potência de novecentos dígitos

Agora um problema com cara de outra coisa: é sempre divisível por 7? Para , 7. Para , . Para , . Mas tente : o número tem 904 dígitos. A lista infinita voltou, agora com contas impossíveis.

Então não calcule. Suponha que, para algum , . Em vez de expandir o caso seguinte, reescreva-o:

O primeiro pedaço são oito cópias de um múltiplo de 7; o segundo é mais um 7. Nenhuma potência além da primeira foi calculada: a estrutura de um caso controlou o seguinte, e o tamanho do número virou irrelevante.

O tabuleiro com uma casa faltando

Pegue um tabuleiro de lado e arranque uma casa qualquer. O desafio: cobrir todo o resto com peças em forma de L, de três casas cada, sem sobrepor e sem sobrar buraco. No tabuleiro 2 × 2 é imediato — tira uma, sobram três, e três casas assim são exatamente um L. Esse é o caso base.

O pulo: corte um tabuleiro maior em quatro quadrantes. A casa arrancada está num deles; nos outros três não falta nada. Ponha uma peça em L no centro, ocupando uma casa de cada um dos três quadrantes cheios. Agora os quatro quadrantes têm a mesma descrição — um tabuleiro menor com exatamente uma casa faltando —, e se você sabe resolver o menor, resolveu os quatro. O 8 × 8 vira quatro 4 × 4; cada um vira quatro 2 × 2; e o 2 × 2 já está resolvido.

Toque numa casa para arrancá-la e aperte Montar: a recursão cobre o resto, nível por nível.

Repare no que essa prova entrega: não só que o ladrilhamento existe, mas o procedimento para construí-lo, qualquer que seja a casa arrancada. A hipótese indutiva virou ferramenta de construção. E de brinde vem uma conta: o número de peças é , então tem de ser múltiplo de 3 — outra afirmação “para todo ”, provada sem conta.

Por que funciona de verdade

Dominó é uma analogia, e analogia não prova nada. Suponha então que a indução falhe: uma afirmação com caso base verdadeiro, passo válido, e que mesmo assim é falsa em algum lugar. Entre todos os números onde ela falha, existe um menor — um primeiro erro. Chame-o de .

não pode ser 1, porque é verdadeira. Então , e existe . E tem de ser verdadeira, porque era o primeiro erro. Mas o passo garante que implica — então é verdadeira, e acabamos de dizer que era falsa. Contradição: o primeiro erro não existe. E sem primeiro erro, não existe erro nenhum.

Indução não é ver um padrão continuar e torcer para que ele continue. É achar a regra que torna impossível ele parar. Duas partes — começar e continuar —, simples o bastante para caber numa fileira de dominós, e poderosas o bastante para alcançar o infinito.

Os números do episódio

O que o vídeo diz Valor De onde sai
n² + n + 41 com n = 40 1.681 41 × 41: o primeiro que não é primo
8ⁿ − 1 para n = 1, 2, 3 7, 63, 511 7 × 1, 7 × 9, 7 × 73
dígitos de 8¹⁰⁰⁰ − 1 904 e é múltiplo de 7
peças em L num tabuleiro 8 × 8 21 (64 − 1)/3
1 + 3 + 5 + … + 19 100 10²

Desafios

Desafio 1 · aquecimento

Prove por indução que .

Ver a solução

Caso base: . Passo: se , então somando : , que é a fórmula para .

Desafio 2 · pede uma ideia

Prove que é múltiplo de 3 para todo .

Ver a solução

. Se , então . É a conta que garante que o tabuleiro de lado , menos uma casa, tem um número de casas divisível por 3.

Desafio 3 · pede uma ideia

O que está errado nesta “prova” de que todos os cavalos têm a mesma cor? Caso base: um cavalo só tem a mesma cor que ele mesmo. Passo: num grupo de cavalos, os primeiros têm a mesma cor (hipótese), os últimos também; como os dois grupos se sobrepõem, todos têm a mesma cor.

Ver a solução

O passo falha exatamente de 1 para 2: com cavalos, “os primeiros” é o primeiro e “os últimos” é o segundo, e os dois grupos não se sobrepõem. Um dominó que não derruba o seguinte — o buraco no meio da fileira.

Desafio 4 · pede várias

Por que, num tabuleiro 2ⁿ × 2ⁿ, não dá para arrancar duas casas quaisquer e cobrir o resto com peças em L?

Ver a solução

Contando: casas teriam de ser múltiplas de 3, mas já é, então deixa resto 2 na divisão por 3. Não existe ladrilhamento, seja qual for a escolha das duas casas.

Para ir além

No laboratório

As figuras deste episódio, em tamanho grande e com todos os controles.

Shorts deste episódio

Cortes verticais com a mesma narração — e as provas sem palavras que acompanham o tema.

0:24

Todo cubo é uma soma de ímpares consecutivos

Sem palavras, só a figura.

Em breve no canal

1:02

8ⁿ − 1 é divisível por 7 — sem calcular nada

0:50

Duas promessas derrubam infinitos dominós

Em breve no canal

1:49

Some os ímpares e aparecem os quadrados

0:31

1 + 3 + 5 + ⋯ = um quadrado (prova sem palavras)

Sem palavras, só a figura.

0:34

Por que a indução funciona de verdade

Em breve no canal

0:40

40 acertos seguidos — e mesmo assim, falso

0:20

Dois triângulos viram um retângulo: 1+2+…+n

Sem palavras, só a figura.

Em breve no canal

0:19

A soma dos cubos é um quadrado perfeito

Sem palavras, só a figura.

Em breve no canal

1:47

Um tabuleiro com uma casa faltando

0:24

Um tabuleiro com uma casa faltando, coberto por peças em L

Sem palavras, só a figura.

Em breve no canal

Para assistir depois

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