1 PROIECT DE ACTIVITATE DIDACTICĂ INSTRUCTIV—FORMATIV Unitatea de învăţare : INDUCŢIA MATEMATICĂ Aria curriculară : Matematică si Ştiinţe. Tipul unităţii de învăţare : Dobândire de noi cunoştinţe. Timpul de lucru : 4 ore. Scopul temei: Dezvoltarea interesului pentru învăţarea inducţiei matematice si aplicarea acesteia în contexte variate. Rezolvarea problemelor variate cu ajutorul raţionamentului inducţiei matematice. Competenţe generale : C1. Identificarea datelor si relaţiilor tipului de propoziţii matematice si corelarea lor în contextul definiţiei. C2. Prelucrarea datelor de tip cantitativ, calitativ, structural, contextual din enunţurile propoziţiilor matematice. C3. Utilizarea algoritmilor si conceptelor din propoziţiile matematice pentru caracterizarea locală sau globală a unei situaţii concrete. C4. Exprimarea caracteristicilor matematice cantitative sau calitative ale unei situaţii concrete deduse cu ajutorul raţionamentului inducţiei matematice. C5. Analiza si interpretarea caracteristicilor matematice ale unei situaţii- problemă. C6. Modelarea matematică a unor contexte problematice variate, prin integrarea cunoştinţelor din diferite domenii.
21
Embed
Unitatea de nv are : INDUCŢIA MATEMATICĂ Şwebserv.lgrcat.ro/ssmrb/evenimente/Sesiune_09_11_2013/10_1.pdf · 1 PROIECT DE ACTIVITATE DIDACTICĂ INSTRUCTIV—FORMATIV Unitatea de
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
1
PROIECT DE ACTIVITATE DIDACTICĂ INSTRUCTIV—FORMATIV
Unitatea de învăţare : INDUCŢIA MATEMATICĂ
Aria curriculară : Matematică si Ştiinţe.
Tipul unităţii de învăţare : Dobândire de noi cunoştinţe.
Timpul de lucru : 4 ore.
Scopul temei: Dezvoltarea interesului pentru învăţarea inducţiei
matematice si aplicarea acesteia în contexte variate. Rezolvarea
problemelor variate cu ajutorul raţionamentului inducţiei
matematice.
Competenţe generale :
C1. Identificarea datelor si relaţiilor tipului de propoziţii matematice
si corelarea lor în contextul definiţiei.
C2. Prelucrarea datelor de tip cantitativ, calitativ, structural,
contextual din enunţurile propoziţiilor matematice.
C3. Utilizarea algoritmilor si conceptelor din propoziţiile matematice
pentru caracterizarea locală sau globală a unei situaţii concrete.
C4. Exprimarea caracteristicilor matematice cantitative sau calitative
ale unei situaţii concrete deduse cu ajutorul raţionamentului
inducţiei matematice.
C5. Analiza si interpretarea caracteristicilor matematice ale unei
situaţii- problemă.
C6. Modelarea matematică a unor contexte problematice variate,
prin integrarea cunoştinţelor din diferite domenii.
2
Competenţe specifice:
C1. Diferenţierea problemelor în funcţie de numărul de soluţii
admise.
C2. Identificarea tipului de formulă de numărare adecvată unei
situaţii - problemă date.
C3. Utilizarea unor formule matematice în raţionamente de tip
inductiv.
C4. Exprimarea caracteristicilor unor probleme în scopul simplificării
modului de numărare .
C5. Interpretarea unor situaţii problemă cu conţinut practic cu
ajutorul raţionamentului inducţiei matematice.
C6. Alegerea strategiilor de rezolvare a unor situaţii practice în scopul
optimizării rezultatelor.
Obiective operaţionale (acele competenţe dobândite de către elevi la
sfâşitul lecţiei predate ):
O1- elevii vor fi capabili să identifice o situaţie problemă care poate fi
unei propoziţii matematice (unui adevăr matematic) dependentă de
o variabilă n, număr natural 1,2,3,…,n,n+1,….
3
O2- să selecteze din mulţimea datelor culese, informaţii relevante
pentru rezolvarea de probleme;
O3 – să manifeste interes pentru folosirea tehnologiei informaţiei în
studiul matematicii;
O4 – să identifice corect propoziţia matematică dependent de un
număr natural oarecare n;
O5 - să realizeze valabilitatea unei propoziţii matematice de la
particular la general;
O6 – aplicaţie practică: să folosească corect toate ipotezele
propoziţiei matematice , până la un moment dat pentru a trece la
pasul următor;
Strategii de instruire didactică :
S1 - strategie deductivă prin descoperire semidirijată frontal
combinată cu activitatea de grup, pe baza unui conţinut structurat
pe parcurs ;
S2 - inductiv- analogică pe baza unor procedee de tip explicativ
investigative, semidirijate frontal si combinate cu activitatea de grup
prin metoda mozaicului;
S3 – strategie algoritmic –analogică , respectiv analogic - deductivă
pentru rezolvarea independentă şi individuală a itemilor propuşi
pentru evaluarea şi realizarea feed - backului printr -un test .
4
Forme de evaluare :
1) Observare sistematică – se realizează pe parcursul lecţiei prin
răspunsurile pe care le dau elevii la intrebări şi în rezolvarea
problemelor propuse, analizând volumul şi calitatea cunoştinţelor
însuşite, gândirea logică a elevilor şi posibilitatea de sinteză,
abilitatea aplicării cunoştinţelor în practică, expunerea logică a
ideilor, modul de participare al elevilor la lecţie.
2) Evaluare prin aplicarea unui test prin diverse forme de
activitate, evaluare formativă-fisă de muncă independentă,
lucrul pe grupe.
Momentul organizatoric este realizat prin verificarea prezenţei
elevilor şi condiţiilor optime de desfăşurare a lecţiilor.
În una din ore trebuie să fie necesară prezenţa unui retroproiector şi
a unui computer, sau prezenţa într-un laborator de informatică.
Anunţarea temei şi a obiectivelor este foarte importantă pentru
evenimentul captării atenţiei elevilor, şi anume profesorul subliniază
scriind pe tablă, ce se propune pentru această lecţie.
Pentru a capta atenţia elevilor se poate începe cu câteva sublinieri
din partea unor mari matematicieni pentru raţionamentul inducţiei
matematice. Spre exemplu matematicianul Miron Nicolescu spunea
că “ Principiul inducţiei complete constituie unul din cel mai puternic
raţionament de demonstraţie în matematică”.
Acest raţionament apare pentru prima dată la Pascal folosindu-l în
demonstrarea formulei combinărilor pe care-l descrie astfel:
5
“ Deşi această propoziţie conţine infinit de multe cazuri, voi da o
demonstraţie foarte scurtă care presupune două Leme. Prima Lemă
afirmă că pentru prima linie propoziţia este adevarată. Lema a doua
afirmă că dacă propoziţia se dovedeşte adevarată pentru o linie
oarecare atunci propoziţia este valabilă şi pentru linia următoare”.
Sigur putem spune că este o variantă apropiată de studiul inducţiei
de astăzi.
Scurt istoric. Prima demonstraţie prin inducţie matematică apare
pentru progresii aritmetice în cartea “al-Fakhri” scrisă de al Karaji în
jurul anului 1000 IH. Proprietăţi ale triunghiului lui Pascal sunt de
asemenea demonstrate aici.
Nici unul dintre matematicienii antichităţii nu au considerat principiul
inducţiei matematice ca de sine stătător.
Prima prezentare explicită apare în lucrarea Arithmeticorum libri duo
(1575) a lui Francesco Maurolico care demonstrează că suma
primelor n numere impare este n 2 . Formularea principiul inducţiei
matematice apare în lucrarea lui Pascal Traité du triangle
arithmétique (1665).
Apoi prin Fermat, Jacob Bernoulli principiul inducţiei este extins, folosit în demonstraţii. Secolul al XIX-lea aduce studiul sistematic al acestui principiu în logica matematică prin matematicienii George Boole, Charles Sanders Peirce, Giuseppe Peano şi Richard Dedekind.
Astăzi metoda inducţiei matematice este aplicată în cele mai variate probleme de matematică, devenind un instrument uzual si eficace.
Modalitatea de a obţine cunoştinţe ştiinţifice noi, din cele deja cunoscute o constituie raţionamentul inducţiei matematice.
Raţionamentul deductiv , adică raţionamentul demonstrativ al inducţiei face trecerea de la general la particular.
Rezultatele obţinute sunt certe însă au un caracter particular.
Raţionamentul inductiv (unul din raţionamentele plauzibile) are marea importanţă pentru faptul că ne conduce pe baza unor situaţii particulare cunoscute la concluzii generale, care ar putea însă să nu fie adevărate.
Principiul inducţiei matematice constă în a demonstra că o propoziţie P(n) este adevărată pentru orice număr natural n dacă se verifică condiţiile:
1) propoziţia este adevărată pentru n=n0. 2) Presupunând că propoziţia este adevărată pentru un n=k
oarecare se demonstrează că propoziţia este adevărată pentru n=k+1. Acesta fiind efectiv pasul de inducţie şi de altfel cel mai important. Pe scurt: scriem că P(k) P(k+1).
Astfel putem face afirmaţia că propoziţia este adevărată pentru orice număr natural n aplicând raţionamentul inducţiei matematice.
Aplicaţie:
Celebra Sumă a lui Gauss, care a făcut înconjurul lumii !!
7
Carl Friedrich Gauss(39 Aprilie 1777-23 Februarie 1855),
este considerat cel mai mare matematician, geniu, după Arhimede.
Cartea care a intemeiat teoria modernă a numerelor este:
” Disquitiones Arithmeticae” publicată în anul 1801. Suma Gauss este atribuită lui Gauss, copil fiind, acest rezultat matematic fiind cunoscut încă din antichitate în China prin numerele triunghiulare n(n+1):2. Acest număr este egal cu un număr de puncte format din triunghiuri echilaterale alegând pe laturile sale un număr de puncte care formează alte triunghiuri echilaterale.
P(n): 1+2+3+...+n =
, .
Conform raţionamentului suntem siguri că proprietatea poate fi adevarată dacă verificăm primul pas al inducţiei pentru n=1, anume
Dacă P(1) este adevărată: 1 =
, astfel 1=1.
Trecem la pasul de inducţie P(k) P(k+1).
Vom scrie pentru început cine este P(k), înlocuind n=k în propoziţia dată P(n) obţinem:
P(k): 1+2+3+...+k =
, pentru orice k .
Demonstrăm în continuare că pentru n=k+1 propoziţia este adevărată:
P(k+1): 1+2+3+...+k+(k+1)=
.
Conform presupunerii că P(k) este adevărată vom studia membrul
stâng din P(k+1) : 1+2+3+...+k+(k+1) =
+(k+1) =
.
8
Astfel am demonstrat că P(k+1) este adevărată. Conform metodei inducţiei matematice P(n) este adevărată pentru orice n .
Aplicaţie:
Pentru o mai bună inţelegere se lucrează cu elevii suma pătratelor
numerelor naturale.
P(n): 12+22+32+...+n2 =
, .
Verificare: P(1): 12=
1=
adevărat.
Presupunem că P(k): 12+22+32+...+k2 =
este adevărată.
Demonstrăm că P(k+1): 12+22+32+...+k2+(k+1)2 =
este adevărată.
Vom considera membrul stâng al propoziţiei P(k+1) si vom arăta că
12+22+32+...+k2+(k+1)2 =
+ (k+1)2 =
= (k+1)
=(k+1)
=
.
Astfel am demonstrat că si P(k+1) este adevărată. Conform metodei inducţiei matematice P(n) este adevărată pentru orice n .
Exerciţiu pentru elevi ar putea fi considerat exemplul sumei cuburilor a n numere naturale, şi anume
P(n): 13+23+33+...+n3 =
2 . Astfel ne asigurăm că
elevii au inţeles cu siguranţă raţionamentul inducţiei matematice.
OBSERVATIE
9
Subliniem faptul că nu este permis şi corect să formulăm
demonstraţia astfel: presupunem că pentru orice n
propoziţia P(n) este adevărată şi să arătăm că în această ipoteză este
de asemenea adevărată şi propoziţia P(n+1) pentru orice n ,
pentru că în acest caz presupunerea că oricare ar fi n , P(n) este
adevarată, este chiar concluzia.
Ca aplicaţii ale inducţiei matematice în aritmetică putem alege câteva
probleme de divizibilitate.
PROBLEMA 1.
Să se arate că numărul 2n +1 nu se divide cu 7 pentru orice n număr
natural.
PROBLEMA 2.
Determinaţi toate numerele naturale n care indeplinesc condiţia că
2n -1 se divide cu 7.
PROBLEMA 3.
Arătaţi că +13 se divide cu 15 dacă n este număr natural impar.
PROBLEMA 4.
Arătaţi ca 7n-1 este multiplu de 6 pentru orice n .
PROBLEMA 5.
Arătaţi ca 72n+1+1 este multiplu de 8 pentru orice n număr natural.
PROBLEMA 6.
10
Arătaţi că 4n+15n-1 este multiplu de 9 pentru orice n .
Soluţie:
Fie P(1): 4+15-1=18 multiplu de 9.
Presupunem că P(k): 4k+15k-1 este multiplu de 9.
Demonstrăm că P(k+1): 4k+1+15(k+1)-1 este multiplu de 9.
Fie 4k+1+15(k+1)-1 = 4·4k+15k+15-1 = 3·4k+4k+ 15k+15-1 =
=( 4k+15k-1)+3·4k+15 = =( 4k+15k-1)+3·(4k+5)
Demonstrăm că (4k+5)este multiplu de 3 aplicând tot raţionamentul
inducţiei matematice, si anume:
P(1): 4+5 = 9 adevărată, adică 9 este multiplu de 3.
Arătăm că P(k) P(k+1). Adică dacă P(k) este adevărată atunci si P(k+1): 4k+1+5 este multiplu de 3, ceea ce arată că P(k+1) este adevărată. Avem astfel 4·(4k+5) = 4k+1+20 = (4k+1+5)+15 care este multiplu de 3. Astfel am demonstrat că şi P(k+1) este adevărată. Conform metodei inducţiei matematice P(n) este adevărată pentru orice n .
PROBLEMA 7.
Arătaţi că 3n≥n3 pentru orice număr natural n≥3.
PROBLEMA 8.
Arătaţi că 2n≥n2 pentru orice număr natural n≥4.
PROBLEMA 9.
Arătaţi că 2n≥n4 pentru orice număr natural n≥16.
11
ATENTIE Nu orice inegalitate se poate demonstra prin inducţie
matematică datorită suficienţei:
Fie P(n):
.
Avem P(k):
adevărată şi studiem dacă
P(k+1):
este adevărată.
Adunând la P(k):
cu
rezultă că
+
ceea ce contrazice P(k+1).
Observăm că există situaţii în care ipoteza de inducţie nu poate fi
construită în aşa fel incât să poată fi folosită în demontraţii pentru
anumite inegalităţi.
INDUCŢIA TARE- VARIANTE ALE INDUCŢIEI
MATEMATICE
Inducţia tare, reprezintă o noţiune adesea folosită pentru a desemna
un raţionament echivalent inducţiei standard, în care ipoteza de
inducţie pentru o singură variabilă este inlocuită cu cea în care se
presupun adevarate mai multe astfel de propoziţii.
Astfel gândim că P(n0) este adevarată, verificând că această
propoziţie este adevărată pentru n=n0. Demonstrăm apoi că dacă
propoziţia este adevarată pentru orice număr natural m mai mic sau
12
egal cu n (n0≤m≤n). Atunci propoziţia este adevărat şi pentru n+1.
Rezultă că propoziţia este adevarata pentru orice n≥n0.
EXEMPLU 1
Fie relaţia an+1= 3an – 2an-1 ; a1= 3; a2=5
Demonstraţi că an= 1+2n,pentru orice n≥1.
SOLUŢIE Verificăm relaţiile pentru n=1: a1=1+2=3. a2= 1+22=5.
Presupunem că relaţia este adevărată pentru orice număr k≤n şi
demonstrăm că pentru k=n+1 este îndeplinită relaţia an+1= 1+2n+1;
Într-adevăr avem că an+1= 3an – 2an-1 = 3(1+2n)-2(1+2n-1)=