《2017-2018學(xué)年高中數(shù)學(xué) 第三章 數(shù)學(xué)歸納法與貝努利不等式 3.1 數(shù)學(xué)歸納法原理學(xué)案 新人教B版選修4-5》由會員分享,可在線閱讀,更多相關(guān)《2017-2018學(xué)年高中數(shù)學(xué) 第三章 數(shù)學(xué)歸納法與貝努利不等式 3.1 數(shù)學(xué)歸納法原理學(xué)案 新人教B版選修4-5(10頁珍藏版)》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。
1、
3.1 數(shù)學(xué)歸納法原理
[讀教材·填要點]
1.?dāng)?shù)學(xué)歸納法原理
對于由歸納法得到的某些與自然數(shù)有關(guān)的命題p(n),可以用以下兩個步驟來證明它的正確性:
(1)證明當(dāng)n取初始值n0(例如n0=0,n0=1等)時命題成立;
(2)假設(shè)當(dāng)n=k(k為自然數(shù),且k≥n0)時命題正確,證明當(dāng)n=k+1時命題也正確.
在完成了這兩個步驟后,就可以斷定命題對于從初始值n0開始的所有自然數(shù)都正確.
2.?dāng)?shù)學(xué)歸納法的基本過程
[小問題·大思維]
1.在數(shù)學(xué)歸納法中,n0一定等于0嗎?
提示:不一定.n0是適合命題的自然數(shù)中的最小值,有時是n0=0或n0=1,有時n0值也比
2、較大,而不一定是從0開始取值.
2.?dāng)?shù)學(xué)歸納法的適用范圍是什么?
提示:數(shù)學(xué)歸納法的適用范圍僅限于與自然數(shù)有關(guān)的數(shù)學(xué)命題的證明.
3.?dāng)?shù)學(xué)歸納法中的兩步的作用是什么?
提示:在數(shù)學(xué)歸納法中的第一步“驗證n=n0時,命題成立”,是歸納奠基、是推理證明的基礎(chǔ).第二步是歸納遞推,保證了推理的延續(xù)性,證明了這一步,就可以斷定這個命題對于n取第一個值n0后面的所有自然數(shù)也都成立.
用數(shù)學(xué)歸納法證明恒等式
[例1] 用數(shù)學(xué)歸納法證明:1-+-+…+-=++…+(n∈N+).
[思路點撥] 本題考查數(shù)學(xué)歸納法在證明恒等式中的應(yīng)用,解答本題需要注意等式的左邊有2n項,右邊有n
3、項,由k到k+1時,左邊增加兩項,右邊增加一項,而且左、右兩邊的首項不同,因此由“n=k”到“n=k+1”時,要注意項的合并.
[精解詳析] (1)當(dāng)n=1時,左邊=1-=,右邊=,命題成立.
(2)假設(shè)當(dāng)n=k(k≥1,且k∈N+)時命題成立,即有
1-+-+…+-
=++…+.
則當(dāng)n=k+1時,
左邊=1-+-+…+-+-
=++…++-
=++…++,
從而可知,當(dāng)n=k+1時,命題亦成立.
由(1)(2)可知,命題對一切正整數(shù)n均成立.
(1)用數(shù)學(xué)歸納法證明代數(shù)恒等式的關(guān)鍵有兩點:一是準(zhǔn)確表述n=n0時命題的形式,二是準(zhǔn)確把握由n=k到n=k+1時,命題結(jié)
4、構(gòu)的變化特點.
(2)應(yīng)用數(shù)學(xué)歸納法時的常見問題
①第一步中的驗證,對于有些問題驗證的并不是n=0,有時需驗證n=1,n=2.
②對n=k+1時式子的項數(shù)以及n=k與n=k+1的關(guān)系的正確分析是應(yīng)用數(shù)學(xué)歸納法成功證明問題的保障.
③“假設(shè)n=k時命題成立,利用這一假設(shè)證明n=k+1時命題成立”,這是應(yīng)用數(shù)學(xué)歸納法證明問題的核心環(huán)節(jié),對待這一推導(dǎo)過程決不可含糊不清,推導(dǎo)的步驟要完整、嚴謹、規(guī)范.
1.用數(shù)學(xué)歸納法證明:對任意的n∈N+,
++…+=.
證明:(1)當(dāng)n=1時,左邊==,右邊==,左邊=右邊,等式成立.
(2)假設(shè)當(dāng)n=k(k∈N+且k≥1)時等式成立,
即有
5、++…+=,
則當(dāng)n=k+1時,++…++=+
=
===,
所以當(dāng)n=k+1時,等式也成立.
由(1)(2)可知,對一切n∈N+等式都成立.
用數(shù)學(xué)歸納法證明整除問題
[例2] 求證:二項式x2n-y2n(n∈N+)能被x+y整除.
[思路點撥] 本題考查數(shù)學(xué)歸納法在證明整除問題中的應(yīng)用,解答本題需要設(shè)法將x2n-y2n進行分解因式得出x+y,由于直接分解有困難,故采用數(shù)學(xué)歸納法證明.
[精解詳析] (1)當(dāng)n=1時,x2-y2=(x+y)(x-y),
∴能被x+y整除.
(2)假設(shè)n=k(k≥1,且k∈N+)時,
x2k-y2k能被x+y整除,
當(dāng)n=
6、k+1時,
即x2k+2-y2k+2=x2·x2k-x2y2k+x2y2k-y2·y2k
=x2(x2k-y2k)+y2k(x2-y2).
∵x2k-y2k與x2-y2都能被x+y整除,
∴x2(x2k-y2k)+y2k(x2-y2)能被x+y整除.
即n=k+1時,x2k+2-y2k+2能被x+y整除.
由(1)(2)可知,對任意的正整數(shù)n命題均成立.
利用數(shù)學(xué)歸納法證明整除問題時,關(guān)鍵是整理出除數(shù)因式與商數(shù)因式積的形式,這就往往要涉及到“添項”與“減項”等變形技巧,例如,在本例中,對x2k+2-y2k+2進行拼湊,即減去x2y2k再加上x2y2k,然后重新組合,目的是拼湊
7、出n=k時的歸納假設(shè),剩余部分仍能被x+y整除.
2.求證:n3+(n+1)3+(n+2)3能被9整除.
證明:(1)當(dāng)n=1時,13+(1+1)3+(1+2)3=36,能被9整除,命題成立.
(2)假設(shè)n=k時,命題成立,即
k3+(k+1)3+(k+2)3能被9整除.
當(dāng)n=k+1時,(k+1)3+(k+2)3+(k+3)3
=(k+1)3+(k+2)3+k3+3k2·3+3k·32+33
=k3+(k+1)3+(k+2)3+9(k2+3k+3).
由歸納假設(shè),上式中k3+(k+1)3+(k+2)3能被9整除,又9(k2+3k+3)也能被9整除.
故n=k+1時命題也
8、成立.
由(1)(2)可知,對任意n∈N*命題成立.
用數(shù)學(xué)歸納法證明幾何命題
[例3] 平面上有n(n≥2,且n∈N+)條直線,其中任意兩條直線不平行,任意三條不過同一點,
求證:這n條直線被分成f(n)=n2.
[思路點撥] 本題考查數(shù)學(xué)歸納法在證明幾何命題中的應(yīng)用,解答本題應(yīng)搞清交點隨n的變化而變化的規(guī)律,然后采用數(shù)學(xué)歸納法證明.
[精解詳析] (1)當(dāng)n=2時,
∵符合條件的兩直線被分成4段,
又f(2)=22=4.∴當(dāng)n=2時,命題成立.
(2)假設(shè)當(dāng)n=k(k≥2且k∈N+)時命題成立,就是該平面內(nèi)滿足題設(shè)的任何k條直線被分成f(k)=k2段,則當(dāng)n=k+
9、1時,任取其中一條直線記為l,如圖,剩下的k條直線為l1,l2,…,lk.由歸納假設(shè)知,它們被分為f(k)=k2段.
由于l與這k條直線均相交且任意三條不過同一點,所以直線l被l1,l2,l3,…,lk分為k+1段,同時l把l1,l2,…,lk中每條直線上的某一段一分為二,其增加k段.
∴f(k+1)=f(k)+k+1+k
=k2+2k+1=(k+1)2.
∴當(dāng)n=k+1時,命題成立.
由(1)(2)可知,命題對一切n∈N+且n≥2成立.
對于幾何問題的證明,可以從有限情形中歸納出一般變化規(guī)律,或者說體會出是怎么變化的,然后再去證明,也可以采用遞推的辦法.利用數(shù)學(xué)歸納法證明幾何
10、問題時,關(guān)鍵是正確分析由n=k到n=k+1時幾何圖形的變化規(guī)律.
3.證明:凸n邊形的對角線的條數(shù)f(n)=n·(n-3)(n≥4).
證明:(1)n=4時,f(4)=·4·(4-3)=2,四邊形有兩條對角線,命題成立.
(2)假設(shè)n=k時命題成立,即凸k邊形的對角線的條數(shù)f(k)=k(k-3)(k≥4).
當(dāng)n=k+1時,凸k+1邊形是在k邊形基礎(chǔ)上增加了一邊,增加了一個頂點Ak+1,增加的對角線條數(shù)是頂點Ak+1與不相鄰頂點連線再加上原k邊形的一邊A1Ak,共增加的對角線條數(shù)為(k+1-3)+1=k-1.
f(k+1)=k(k-3)+k-1=(k2-k-2)
=(k+1)(
11、k-2)=(k+1)[(k+1)-3].
故n=k+1時由(1)、(2)可知,對于n≥4,n∈N+公式成立.
[對應(yīng)學(xué)生用書P42]
一、選擇題
1.用數(shù)學(xué)歸納法證明“1+2+22+…+2n-1=2n-1(n∈N+)”的過程中,第二步n=k時等式成立,則當(dāng)n=k+1時應(yīng)得到( )
A.1+2+22+…+2k-2+2k-1=2k+1-1
B.1+2+22+…+2k+2k+1=2k-1+2k+1
C.1+2+22+…+2k-1+2k+1=2k+1-1
D.1+2+22+…+2k-1+2k=2k+1-1
解析:由條件知,左邊是從20,21一直到2n-1都是連續(xù)的,因此當(dāng)
12、n=k+1時,左邊應(yīng)為1+2+22+…+2k-1+2k,而右邊應(yīng)為2k+1-1.
答案:D
2.用數(shù)學(xué)歸納法證明:(n+1)(n+2)… ·(n+n)=2n×1×3…(2n-1)時,從“k到k+1”左邊需增乘的代數(shù)式是( )
A.2k+1 B.
C.2(2k+1) D.
解析:當(dāng)n=k+1時,左邊=(k+1+1)(k+1+2)… ·(k+1+k+1)=(k+1)·(k+2)·(k+3)…(k+k)·=(k+1)(k+2)(k+3)…(k+k)·2(2k+1).
答案:C
3.某個命題與正整數(shù)n有關(guān),如果當(dāng)n=k(k∈N+)時命題成立,那么可推得
13、當(dāng)n=k+1時,命題也成立.現(xiàn)已知當(dāng)n=5時該命題不成立,那么可推得( )
A.當(dāng)n=6時該命題不成立
B.當(dāng)n=6時該命題成立
C.當(dāng)n=4時該命題不成立
D.當(dāng)n=4時該命題成立
解析:與“如果當(dāng)n=k(k∈N+)時命題成立,那么可推得當(dāng)n=k+1時命題也成立”等價的命題為“如果當(dāng)n=k+1時命題不成立,則當(dāng)n=k(k∈N+)時,命題也不成立”.
故知當(dāng)n=5時,該命題不成立,可推得當(dāng)n=4時該命題不成立.
答案:C
4.用數(shù)學(xué)歸納法證明不等式1+++…+>(n∈N+)成立,其初始值至少應(yīng)取( )
A.7 B.8
C.9 D.10
14、
解析:左邊=1+++…+==2-,
代入驗證可知n的最小值是8.
答案:B
二、填空題
5.設(shè)f(n)=1+++…+(n∈N+),則f(n+1)-f(n)等于________.
解析:因為f(n)=1+++…+,所以f(n+1)=1+++…++++.所以f(n+1)-f(n)=++.
答案:++
6.設(shè)平面內(nèi)有n條直線(n≥2),其中有且僅有兩條直線互相平行,任意三條直線不過同一點.若用f(n)表示這n條直線交點的個數(shù),則f(4)=________;當(dāng)n>4時,f(n)=________(用n表示).
解析:f(2)=0,f(3)=2,f(4)=5,f(5)=9,每增加一條
15、直線,交點增加的個數(shù)等于原來直線的條數(shù).
所以f(3)-f(2)=2,f(4)-f(3)=3,f(5)-f(4)=4,…,f(n)-f(n-1)=n-1.
累加,得f(n)-f(2)=2+3+4+…+(n-1)
=(n-2).
所以f(n)=(n+1)(n-2).
答案:5 (n+1)(n-2)
7.已知n為正偶數(shù),用數(shù)學(xué)歸納法證明1-+-+…+=2時,若已假設(shè)n=k(k≥2,且k為偶數(shù))時命題為真,則還需要用歸納假設(shè)再證n=________時等式成立.
解析:n=k(k≥2,且k為偶數(shù))的下一個偶數(shù)為k+2,根據(jù)數(shù)學(xué)歸納法的步驟可知.再證n=k+2.
答案:k+2
8.用數(shù)
16、學(xué)歸納法證明+cos α+cos 3α+…+cos(2n-1)α=·sin α·cos α(α≠nπ,n∈N),在驗證n=1等式成立時,左邊計算所得的項是________.
解析:由等式的特點知:
當(dāng)n=1時,左邊從第一項起,一直加到cos(2n-1)α,故左邊計算所得的項是+cos α.
答案:+cos α
三、解答題
9.用數(shù)學(xué)歸納法證明:
++…+=++…+.
證明:(1)當(dāng)n=1時,左邊==,右邊=,等式成立.
(2)假設(shè)當(dāng)n=k時,等式成立,即
++…+=++…+,則當(dāng)n=k+1時,
++…++
=++…++
=++…+++
=++…+++
=++…++
17、
,
即當(dāng)n=k+1時,等式成立.
根據(jù)(1)(2)可知,對一切n∈N+,等式成立.
10.用數(shù)學(xué)歸納法證明對于整數(shù)n≥0,An=11n+2+122n+1能被133整除.
證明:(1)當(dāng)n=0時,A0=112+12=133能被133整除.
(2)假設(shè)n=k時,Ak=11k+2+122k+1能被133整除.
當(dāng)n=k+1時,
Ak+1=11k+3+122k+3=11·11k+2+122·122k+1
=11·11k+2+11·122k+1+(122-11)·122k+1
=11·(11k+2+122k+1)+133·122k+1.
∴n=k+1時,命題也成立.
根據(jù)(1)、
18、(2),對于任意整數(shù)n≥0,命題都成立.
11.將正整數(shù)作如下分組:(1),(2,3),(4,5,6),(7,8,9,10),(11,12,13,14,15),(16,17,18,19,20,21),…,分別計算各組包含的正整數(shù)的和如下,試猜測S1+S3+S5+…+S2n-1的結(jié)果,并用數(shù)學(xué)歸納法證明.
S1=1,
S2=2+3=5,
S3=4+5+6=15,
S4=7+8+9+10=34,
S5=11+12+13+14+15=65,
S6=16+17+18+19+20+21=111,
解:由題意知,當(dāng)n=1時,S1=1=14;
當(dāng)n=2時,S1+S3=16=24;
當(dāng)n=
19、3時,S1+S3+S5=81+34;
當(dāng)n=4時,S1+S3+S5+S7=256=44.
猜想:S1+S3+S5+…+S2n-1=n4.
下面用數(shù)學(xué)歸納法證明:
(1)當(dāng)n=1時,S1=1=14,等式成立.
(2)假設(shè)當(dāng)n=k(k≥2,k∈N+)時等式成立,即S1+S3+S5+…+S2k-1=k4,
那么,當(dāng)n=k+1時,
S1+S3+S5+…+S2k+1
=k4+[(2k2+k+1)+(2k2+k+2)+…+(2k2+k+2k+1)]
=k4+(2k+1)(2k2+2k+1)
=k4+4k3+6k2+4k+1
=(k+1)4,
這就是說,當(dāng)n=k+1時,等式也成立.
根據(jù)(1)和(2),可知對于任意的n∈(N+,S1+S3+S5+…+S2n-1=n4都成立.
10