3. Beweise mit vollständiger Induktion
Voraussetzung: 02 Folgen - Grundlagen (rekursive Folgen, Fibonacci)
3.1 Grundlage: Abspaltregel der Aussagenlogik
Abspaltregel (Modus Ponens)
Sind Aussagen und (“aus A folgt B”) wahr, dann ist auch wahr. ist eine Tautologie (immer wahr).
Merksatz
Aus zwei wahren Aussagen und folgt zwingend, dass auch wahr ist. Dies ist das logische Fundament der gesamten Induktionstechnik.
3.2 Aussageform / Prädikat
Eine Induktionsbehauptung ist zunächst nur eine Aussageform, abhängig vom Parameter — keine Aussage, bis man konkret einsetzt.
Beispiel:
- — wahre Aussage
- — wahre Aussage
- — “für alle gilt ”
Merksatz
Eine Aussageform wird erst durch Einsetzen eines konkreten zu einer echten, wahren oder falschen Aussage. Das ist dieselbe Unterscheidung wie im Fach Grundlagen und diskrete Strukturen zwischen Aussageform und Aussage.
Direkter Beweis derselben Formel (zur Einordnung)
Zur Einordnung: lässt sich hier auch direkt (ohne Induktion) beweisen, mit dem klassischen Gauß-Trick:
Warum steht da ?
wird zweimal hingeschrieben: einmal vorwärts (), einmal rückwärts (). Beide Zeilen stellen denselben Wert dar, also ist ihre Summe — unabhängig davon, wie man die Zeilen dann spaltenweise addiert.
Nicht jede Formel lässt sich so elegant direkt beweisen — vollständige Induktion ist die allgemeine Technik für Aussagen über alle natürlichen Zahlen.
3.3 Vollständige Induktion — Tiefe 1
Prinzip
Dies folgt direkt aus der Abspaltregel: ist wahr, und mit folgt , mit folgt , und so weiter — eine “Kettenreaktion”.

Eine Induktion besteht also immer aus zwei Teilen:
- Induktionsanfang: gilt (Startfall)
- Induktionsschritt: (von einem beliebigen auf den Nachfolger schließen)
Beispiel: Gaußsche Summenformel per Induktion
Induktionsanfang ():
Behauptung:
Beweis: ✓ richtig
Induktionsschritt ():
Voraussetzung: (dies ist )
Behauptung: (dies ist )
Beweis:
Merksatz
Induktionsanfang (ein Startfall) plus Induktionsschritt () beweisen die Aussage für alle . Der entscheidende Trick im Beweis des Induktionsschritts: Man darf die Voraussetzung als bereits bewiesen verwenden (hier beim Einsetzen von ) — das ist der ganze Witz der Induktion.
3.4 Vollständige Induktion — Tiefe 2
Manche Aussagen (insbesondere über rekursive Folgen mit zwei Vorgängern wie Fibonacci) brauchen eine stärkere Variante:
Prinzip (Tiefe 2)
Hier braucht man zwei Startfälle ( und ) und im Induktionsschritt zwei Voraussetzungen ( und ), um auf zu schließen.
Beispiel: Untere Abschätzung der Fibonacci-Folge
Sei die Fibonacci-Folge: für .
Behauptung:
Induktionsanfang (beide Fälle und ):
Behauptung: und
Beweis:
Induktionsschritt ():
Voraussetzung: und
Behauptung:
Beweis:
a_{n+2} &= a_{n+1}+a_n && \text{(Rekursionsformel)} \\ &\geq \sqrt{2}^{\,n-1} + \sqrt{2}^{\,n-2} = \sqrt{2}\cdot\sqrt{2}^{\,n-2} + \sqrt{2}^{\,n-2} \\ &= \sqrt{2}^{\,n-2}\cdot(\sqrt{2}+1) \\ &> \sqrt{2}^{\,n-2}\cdot 2 = \sqrt{2}^{\,n-2}\cdot\sqrt{2}^2 \\ &= \sqrt{2}^{\,n} \end{aligned}$$ Insgesamt: $a_{n+2} > \sqrt{2}^{\,n}$ ✓
Merksatz
Wenn die Rekursion zwei Vorgänger braucht (wie bei Fibonacci), braucht der Beweis auch zwei Startfälle und zwei Voraussetzungen im Induktionsschritt. Die “Tiefe” der Induktion richtet sich also danach, wie viele vorherige Glieder die Rekursion verwendet.
3.5 Allgemeine vollständige Induktion
Die allgemeinste Form erlaubt, sich im Induktionsschritt auf alle vorherigen Fälle zu stützen (nicht nur auf die letzten ein oder zwei):
Prinzip (allgemein)
Achtung
Man muss genau aufpassen, ab welchem der Induktionsschritt tatsächlich funktioniert — manche Argumente brauchen z.B. als Mindestvoraussetzung, obwohl der Induktionsanfang bei beginnt.
Typische Anwendung 1: Verallgemeinerte Summenformel
(Beweis analog zu 3.3, hier nicht ausgeführt — Übungsaufgabe.)
Typische Anwendung 2: n-te Ableitung einer Funktion
Man berechnet die ersten Ableitungen, um ein Muster zu erkennen:
Vermutung: für alle .
Induktionsanfang ():
Behauptung:
Beweis: ✓ (die “0-te Ableitung” ist die Funktion selbst)
Induktionsschritt:
Voraussetzung:
Behauptung:
Beweis:
Merksatz
Im Induktionsschritt darf man sich auf alle vorherigen Fälle stützen, nicht nur auf den unmittelbaren Vorgänger — in der Praxis braucht man aber meistens (wie in diesem Beispiel) tatsächlich nur , um zu zeigen. Die “allgemeine” Form ist eher eine theoretische Absicherung dafür, dass man bei Bedarf auch weiter zurückgreifen darf.
3.6 Zusammenfassung: Welche Induktionstiefe brauche ich?
| Rekursion braucht… | Induktionsanfang | Induktionsschritt |
|---|---|---|
| 1 Vorgänger (z.B. arithmetische/geometrische Folge) | ||
| 2 Vorgänger (z.B. Fibonacci) | und | |
| beliebig viele Vorgänger |
Die Faustregel: Die Anzahl der nötigen Startfälle und Voraussetzungen im Induktionsschritt richtet sich immer danach, wie viele vorherige Glieder die zu beweisende Aussage bzw. die zugrundeliegende Rekursion tatsächlich braucht.