【数学B】1-11: 数学の強力な武器!「数学的帰納法」の基本と証明手順を分かりやすく解説!

数学B

数列の最後の難関であり、記述試験・2次試験でも超頻出のテーマが「数学的帰納法(すうがくてききのうほう)」です。

「言葉は聞いたことがあるけど、何をやっているのか分からない…」「$n=k$ のとき成りたつと仮定して…のくだりが胡散臭く感じる」と戸惑う高校生も少なくありません。

しかし、数学的帰納法の本質は「無限に続くドミノ倒し」と同じです。仕組みさえ一度理解してしまえば、型が決まっている分、記述問題で確実に満点を狙える得意分野になります!

この記事では、数学的帰納法のイメージから、絶対に書いておくべき「証明の基本テンプレート」、定番の例題まで丁寧に解説します!

1. 数学的帰納法とは?(基本イメージはドミノ倒し!)

数学的帰納法とは、「すべての自然数 $n$ について、ある主張(等式や不等式)が正しいこと」を証明するための手法です。

自然数は $1, 2, 3, \dots$ と無限に続くため、1つずつ代入して確かめることは不可能です。

そこで、次の2つのステップだけを証明します。

Plaintext

【数学的帰納法の2ステップ】

 [Step 1] n = 1 のとき成り立つことを示す
          ➔「最初のドミノ(1番目)が倒れる」

 [Step 2] n = k のとき成り立つと仮定すると、n = k + 1 のときも成り立つことを示す
          ➔「k 番目のドミノが倒れれば、必ず次の (k + 1) 番目も倒れる」

この2つが証明できればどうなるでしょうか?

  1. [Step 1] より、1番目のドミノが倒れる。
  2. [Step 2] より、1番目が倒れたので2番目も倒れる。
  3. [Step 2] より、2番目が倒れたので3番目も倒れる。
  4. これが無限に続いてすべてのドミノが倒れる!

これが、数学的帰納法で「すべての自然数 $n$ で成り立つ」と言える仕組みです!

2. 【そのまま使える】証明の基本テンプレート

記述対策として、以下の標準フォーマット(型)を丸ごと覚えてしまいましょう。

【証明テンプレート】

命題を (A) とする。

[1] $n = 1$ のとき

(左辺)$= \dots$

(右辺)$= \dots$

よって、$n = 1$ のとき (A) は成り立つ。

[2] $n = k$ のとき (A) が成り立つと仮定すると、

(ここに仮定の式をかく)・・・①

$n = k + 1$ のとき、

(左辺)$= \dots$ (①の仮定を使って変形する)

$= \dots =$(右辺)

よって、$n = k + 1$ のときも (A) は成り立つ。

[1], [2] より、すべての自然数 $n$ について (A) は成り立つ。 $\quad \blacksquare$

3. 例題で証明の流れをマスターしよう!

例題:等式の証明

【問題】

すべての自然数 $n$ について、次の等式が成り立つことを数学的帰納法で証明せよ。

$$1 + 2 + 3 + \dots + n = \frac{1}{2} n(n + 1) \quad \dots \text{(A)}$$

【解答・解説】

証明する等式を (A) とする。

[1] $n = 1$ のとき

  • (左辺)$= 1$
  • (右辺)$= \frac{1}{2} \cdot 1 \cdot (1 + 1) = 1$

よって、(左辺)$=$(右辺)となり、$n = 1$ のとき (A) は成り立つ。

[2] $n = k$ のとき (A) が成り立つと仮定すると、

$$1 + 2 + 3 + \dots + k = \frac{1}{2} k(k + 1) \quad \dots \text{①}$$

$n = k + 1$ のときの (A) の左辺を計算する。

(※ 目標のゴール地点:$\frac{1}{2}(k + 1)(k + 2)$ に向かって変形していきます)

$$(\text{左辺}) = 1 + 2 + 3 + \dots + k + (k + 1)$$

ここで、波線部分に仮定 ① を代入します!

$$(\text{左辺}) = \color{red}{\frac{1}{2} k(k + 1)} + (k + 1)$$

共通因数 $(k + 1)$ でくくります。

$$= (k + 1) \left( \frac{1}{2} k + 1 \right)$$

$$= \frac{1}{2} (k + 1) (k + 2)$$

これは (A) の $n = k + 1$ のときの右辺と一致する。

よって、$n = k + 1$ のときも (A) は成り立つ。

[1], [2] より、すべての自然数 $n$ について (A) は成り立つ。 $\quad \blacksquare$

4. 数学的帰納法を攻略するためのコツ

① ゴールの形をあらかじめ「下書き用紙」に書いておく!

[Step 2] で変形を進めるときに迷子にならないよう、「$n = k + 1$ を代入した目標の形(ゴール)」を問題用紙の端にメモしておきましょう。その形を目指して通分や因数分解を行えば確実に辿り着けます。

② かならず仮定した式(①)を途中で使う!

数学的帰納法の解答で一番重要なのは、「$n = k$ で仮定した式をどこで使ったか」をはっきり示すことです。仮定を使わずに証明できてしまった場合は、変形のやり方か考え方が間違えているサインです。

5. まとめ

今回は「数学的帰納法」の基本と証明手順について解説しました。

  • 本質: 1番目が倒れる+$k$ 番目が倒れれば $(k+1)$ 番目も倒れる(ドミノ倒し)
  • 手順:
    1. $n=1$ での成立を示す
    2. $n=k$ での成立を仮定し、$n=k+1$ で成立することを示す
    3. まとめの一文を添える
  • コツ: $n=k+1$ のときの「目指すべきゴール」をはじめに把握しておく

数学的帰納法は、慣れてしまえば「書くべき文章のパターン」が決まっているため、テストで安定して高得点を取れるサービス問題になります。テンプレに沿って何度も答案を書く練習をしてみてください!

次回は、数学Bのもう一つの大柱である「第2章:統計的な推測」より、「【数学B】2-1: 確率変数と確率分布を分かりやすく解説!」をお届けします!

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