上一章末尾我答应你,从最不像天才的办法讲起。现在兑现:先把小的算出来。
这听上去太笨了,笨到你会不好意思动手。一道题摆在那儿,\(n\) 个这个、\(n\) 个那个,你的第一反应往往是"我得找个聪明的通法"。结果就卡在那儿,一个字写不出来。
会做题的人偷偷在干什么呢?他们先把 \(n\) 换成 1,再换成 2、3、4,老老实实把小情形算出来,摆成一排,盯着看。规律常常自己就跳出来了。这不是没办法时的下策,这是高手的第一招。 笨办法万岁。
一、把 \(n\) 拧小,规律自己会冒头
例 2.1(☼) 求 \(1+3+5+\cdots+(2n-1)\),也就是前 \(n\) 个奇数之和。
你要是直接对着这一串发愁,容易;你要是先算小的,容易得多:
| 加到第几个 | 算式 | 结果 |
|---|---|---|
| 1 个 | \(1\) | \(1\) |
| 2 个 | \(1+3\) | \(4\) |
| 3 个 | \(1+3+5\) | \(9\) |
| 4 个 | \(1+3+5+7\) | \(16\) |
| 5 个 | \(1+3+5+7+9\) | \(25\) |
\(1, 4, 9, 16, 25\)——这不就是 \(1^2, 2^2, 3^2, 4^2, 5^2\) 吗?
规律自己跳出来了:前 \(n\) 个奇数之和,等于 \(n^2\)。
$$1+3+5+\cdots+(2n-1) = n^2$$你没用任何技巧,只是把小的摆成一排,盯着看。这就是笨办法的全部秘密:先看见,再说为什么。
至于"为什么恰好是正方形数",有个画面能让你一眼看穿——
每加一个奇数,就是给正方形的右边和下边补上一个"┐“形的拐角,正好把一个 \(n\times n\) 的方块,撑成 \((n{+}1)\times(n{+}1)\)。所以和永远是个完美的正方形。看见了,就不用背了。
二、规律是真的,还是巧合?——给你一排多米诺骨牌
笨办法有个软肋:你算了前 5 项对得上,第 100 项就一定对吗?万一规律到后头就崩了呢?
数学家治这个软肋的工具,叫数学归纳法。名字吓人,其实就是推倒一排多米诺骨牌。
要让一长排骨牌全倒下,你只需确认两件事:
- 第一张能推倒(叫"奠基”)。
- 只要某一张倒了,它后面那张必被它砸倒(叫"递推")。
这两件事一旦都成立,结论就来了:第一张倒 → 砸倒第二张 → 砸倒第三张 → …… 一路倒到底,一张不剩。你不必真的一张张去推,确认那两件事就够了。
例 2.2(☼☼) 用骨牌法证明 \(1+3+5+\cdots+(2n-1)=n^2\)。
第一张(\(n=1\)): 左边是 \(1\),右边是 \(1^2=1\)。对得上,第一张能倒。
后一张靠前一张(假设第 \(k\) 张倒了,推第 \(k{+}1\) 张): 假设加到第 \(k\) 个奇数时,和正好是 \(k^2\),即
$$1+3+\cdots+(2k-1)=k^2.$$现在再加上下一个奇数 \(2k+1\):
$$\underbrace{1+3+\cdots+(2k-1)}_{=\,k^2}+(2k+1)=k^2+2k+1=(k+1)^2.$$正好是 \((k{+}1)^2\)。这就是说:第 \(k\) 张倒了,第 \(k{+}1\) 张必倒。
两件事都成立,骨牌全倒。对一切 \(n\),结论成立。就这样。
注意那个关键动作:算第 \(k{+}1\) 项时,把"前面那一坨"整个换成 \(k^2\)——因为我们假设它已经倒了。归纳法的全部巧劲,就在这一换。你不重算前面,你站在前一张的肩膀上。
三、笨办法的几条手感
把上面两节合起来,你做题时可以照着做:
- \(n\) 太大就拧小。 把 \(n\) 换成 1、2、3,把对象画出来、列出来、数出来。
- 摆成一排盯着看。 数列、表格、图形,让规律有机会自己现身。
- 猜出规律后,用骨牌法验。 第一张能倒吗?前一张能砸倒后一张吗?
- 能画图就画图。 像奇数和那个拐角,一张图省下一页证明。
例 2.3(☼☼,自编手感题) 一个凸 \(n\) 边形,能画出多少条对角线?
别急着套公式。先拧小:
- 三角形(\(n=3\)):一条都画不出,\(0\) 条。
- 四边形(\(n=4\)):\(2\) 条。
- 五边形(\(n=5\)):\(5\) 条。
- 六边形(\(n=6\)):\(9\) 条。
得到 \(0,2,5,9\)。相邻两项差 \(2,3,4\),越差越多,不是等差那么简单。换个角度数:每个顶点能向除自己和两个邻居外的 \(n-3\) 个顶点连对角线,\(n\) 个顶点共连 \(n(n-3)\) 条,但每条都从两头各数了一遍,得除以 2:
$$\frac{n(n-3)}{2}.$$拿去验:\(n=5\) 时 \(\frac{5\times 2}{2}=5\),对上了;\(n=6\) 时 \(\frac{6\times 3}{2}=9\),也对。就这样。
这道题告诉你笨办法的另一半:算小情形不只是为了猜公式,也是为了给你的公式当裁判。 你推出个式子,先拿 \(n=3,4,5\) 一验,对不上就是错了,省得带着错式子走一路。
这一章要带走的东西:
- 卡住时第一招:把 \(n\) 拧小,算 1、2、3、4,摆成一排盯着看。
- 规律是真是假,用多米诺骨牌验:第一张能倒 + 前一张砸倒后一张 = 全倒(数学归纳法)。
- 归纳的巧劲在"把前面一坨整个换成假设值"。
- 小情形还能给你的公式当裁判,对不上就趁早改。
就这样。