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Beispiel mit Teilbarkeit

Wir zeigen nun ein Beispiel für einen Beweis mit einer Teilbarkeitsaussage.
Beispiel:
Wir zeigen mit vollständiger Induktion die folgende Aussage für \(n\ge 0\):
\(\qquad\)
\(5^n+7\) ist durch \(4\) teilbar
Zum besseren Verständnis der Aussage schauen wir uns die Entwicklung des Ausdrucks genauer an.
\(5^n+7\) ist durch \(4\) teilbar
\(\enspace n\enspace\)
\(5^n+7 \)
Teilbarkeit durch \(4\)
\(0\)
\(5^0+7=1+7=8\)
\(8=2\cdot 4\)
\(1\)
\(5^1+7=5+7=12\)
\(12=3\cdot 4\)
\(2\)
\(5^2+7=25+7=32\)
\(32=8\cdot 4\)
\(3\)
\(5^3+7=125+7=132\)
\(132=33\cdot 4\)
Beweis mit vollständiger Induktion:
Induktionsanfang:
Für \(n=0\) gilt:
\(\qquad\)
\(5^0+7=1+7=8=4\cdot 2\)
Also ist \(5^0+7\) durch \(4\) teilbar.
Der Induktionsanfang ist somit gezeigt.
Induktionsschritt:
Induktionsvoraussetzung:
\(\qquad\)
Wir nehmen an, dass für ein festes, aber beliebiges \(n\) gilt:
\(\qquad\)
\(5^n+7\) ist durch \(4\) teilbar\(\qquad (*)\)
Induktionsbehauptung:
\(\qquad\)
Wir behaupten, dass dann auch gilt:
\(\qquad\)
\(5^{n+1}+7\) ist durch \(4\) teilbar
Induktionsbeweis:
\(\qquad\)
Wir zerlegen \(5^{n+1}\) in \(5\cdot 5^n\) und formen die Gleichung weiter um:
\(\qquad\)
\(5^{n+1}+7=5\cdot 5^n+7=4\cdot 5^n+1\cdot 5^n+7=4\cdot 5^n+(\underbrace{5^n+7}_{(*)})\)
\(\qquad\)
Nach Induktionsvoraussetzung \((*)\) ist \(5^n+7\) durch \(4\) teilbar. Es gibt also eine natürliche Zahl \(u\) mit \(5^n+7=4u\). Setzen wir dies ein, so erhalten wir:
\(\qquad\)
\(5^{n+1}+7=4\cdot 5^n+4\cdot u\)
\(\qquad\)
Wir können weiter zusammenfassen:
\(\qquad\)
\(5^{n+1}+7=4\cdot (5^n+u)=4\cdot v\)
\(\qquad\)
\(v= 5^n+u\) ist hierbei eine natürliche Zahl, da \(u\in\mathbb{N}\) und \(n \in\mathbb{N}\). Wir haben somit gezeigt, dass die Induktionsbehauptung stimmt.
Durch den Induktionsbeweis haben wir gezeigt, dass der Induktionsschritt richtig ist und die Aussage nun wegen der vollständigen Induktion für alle \(n\in\mathbb{N}\) mit \(n\ge 0\) wahr ist.
\(\blacksquare\)
\(\enspace\)