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        聚焦數(shù)學歸納法的應用

        2016-12-01 02:36:22安徽省太和中學
        青蘋果 2016年8期
        關鍵詞:增函數(shù)歸納法正整數(shù)

        安徽省太和中學 岳 峻

        聚焦數(shù)學歸納法的應用

        安徽省太和中學岳峻

        數(shù)學歸納法是針對一些與正整數(shù)有關的數(shù)學命題的證明方法,即先證明當n取第一個值n0時命題成立,然后假設當n=k(k∈N*,k≥n0)時命題成立,證明當n=k+1時命題也成立,那么就證明了這個命題成立。

        為什么數(shù)學歸納法能夠證明對于無限多正整數(shù)都成立的命題呢?

        這是因為第一步首先驗證了n取第一個值n0時命題成立,這樣假設就有了存在的基礎,至少k=n0時命題成立;根據(jù)假設和合理推證,證明出n=k+1時命題也成立,這實質上是證明了一種循環(huán)。如驗證了n0=1時命題成立,又證明了n=k+1時命題也成立,這就一定有n=2時命題成立;n= 2時命題成立,則n=3時命題也成立;n=3時命題成立,則n=4時命題也成立……以此類推,以至無窮。數(shù)學歸納法非常巧妙地解決了一種與無限多正整數(shù)有關的問題,這就是數(shù)學歸納法的神奇之處,也正是數(shù)學歸納法的本質。

        一、證明恒等式問題

        例1證明:(n+1)(n+2)(n+3)…(n+n)=2n·1·3·5·…·(2n-1)(n∈N*)。

        證明(?。┊攏=1時,左=2,右=2,等式成立。

        (ⅱ)假設當n=k時,等式成立,

        即(k+1)(k+2)(k+3)…(k+k)=2k·1·3·5·…·(2k-1)(k∈N*),

        那么,(k+2)(k+3)…(k+k)[(k+1)+k][(k+1)+(k+1)]

        即當n=k+1時等式也成立。

        根據(jù)(?。┖停áⅲ?,可知等式對任何n∈N*都成立。

        點評用數(shù)學歸納法證明與正整數(shù)有關的一些等式命題的注意事項:1.數(shù)學歸納法的兩個步驟相輔相成,缺一不可。缺少第一步,則失去了遞推基礎,缺少第二步,則失去了遞推的依據(jù)。2.關鍵在于“先看項”,弄清楚等式兩邊項的構成規(guī)律,等式的兩邊各有多少項,項的多少與n的取值是否有關。從n=k時到n=k+1時,等式的兩邊會增加多少項,增加怎樣的項,如有減少,減少多少項,減少怎樣的項。

        求證:f(1)+f(2)+f(3)+…+f(n-1)=n[f(n)-1](n≥2,n∈N*)。

        二、證明不等式問題

        例2(2014年安徽卷)設實數(shù)c>0,整數(shù)p>1,p∈N*。證明:當x>-1且x≠0時,(1+x)p>1+px。

        證明待證不等式亦即著名的伯努利不等式,可用數(shù)學歸納法證明。

        (ⅰ)已知x>-1且x≠0,當p=2時,(1+x)2=1+2x+x2>1+2x成立。

        (ⅱ)假設當p=k(k>1,k∈N*)時,有(1+x)k>1+kx,

        則當p=k+1時,(1+x)k+1=(1+x)(1+x)k>(1+x)(1+kx)=1+(k+1)x+kx2>1+(k+1)x,

        即當n=k+1時不等式也成立。

        根據(jù)(?。┖停áⅲ?,可知不等式對任何p>1,p∈N*都成立。

        點評當遇到與正整數(shù)有關的一些不等式證明時,若用其他方法不容易證,則可考慮應用數(shù)學歸納法。用數(shù)學歸納法證明不等式的關鍵是由n=k成立,推證n=k+1時也成立,證明時在歸納假設之后,靈活采用分析法、綜合法、比較法、放縮法等方法。

        三、證明整除性問題

        例3(2015年北京卷)已知數(shù)列{an}滿足:a1∈N*,a1≤36,且an+1=(n=1,2,…)。記集合M={an|n∈N*}。

        (1)若a1=6,寫出集合M的所有元素。

        (2)若集合M中存在一個元素是3的倍數(shù),證明:M中的所有元素都是3的倍數(shù)。

        解析(1)由a1=6,可知a2=12,a3=24,a4=12,…,故集合M的所有元素為6,12,24。

        (2)因為集合M中存在一個元素是3的倍數(shù),所以不妨設ak是3的倍數(shù),

        (ⅰ)當n=k時,ak是3的倍數(shù);

        (ⅱ)由已知an+1=得ak+1=2ak或ak+1=2ak-36,所以ak+1是3的倍數(shù)。

        根據(jù)(?。áⅲ?,可知對任意n≥k,an是3的倍數(shù)。

        如果k=1,由an+1=則M中的所有元素都是3的倍數(shù);

        如果k>1,因為ak=2ak-1或ak=2ak-1-36,所以2ak-1是3的倍數(shù),于是ak-1是3的倍數(shù),類似可得,ak-2,ak-3,ak-4,…,a1都是3的倍數(shù),從而對任意n≥1,an是3的倍數(shù),因此M中的所有元素都是3的倍數(shù)。

        點評用數(shù)學歸納法證明整除問題的關鍵是“湊項”,即采用增項、減項、拆項和因式分解等手段,將n=k+1時的式子湊出n=k時的情形,從而使問題獲證。

        變式3證明:an+1+(a+1)2n-1能被a2+a+1整除(n∈N*)。

        四、證明幾何問題

        例4證明:在圓內畫n條線段,兩兩相交,將圓最多分割成f(n)=部分。

        證明(?。┊攏=1時,f(1)=2,命題成立。

        那么,當n=k+1時,第k+1條線段與原k條線段最多有k個交點,自然將所經(jīng)過的原來的k+1個部分的每一部分分割為兩部分,增加了k+1個部分,

        所以當n=k+1時,結論也成立。

        根據(jù)(?。┖停áⅲ?,可知結論對一切正整數(shù)n都成立。

        點評用數(shù)學歸納法證明幾何問題的關鍵是“找項”,即幾何元素從n=k變成n=k+1時,待證的幾何量將增加多少。

        變式4圓內兩兩相交的n條線段,彼此最多分割成多少條線段?(提示:猜想f(n)=n2。)

        五、歸納、猜想、證明

        例5(2015年湖北卷)已知數(shù)列{an}的各項均為正數(shù),,e為自然對數(shù)的底數(shù)。計算,由此推測的計算結果,并給出證明。

        下面用數(shù)學歸納法證明:

        (?。┊攏=1時,左邊=右邊=2,(*)式成立。

        所以當n=k+1時,(*)式也成立。

        根據(jù)(?。┖停áⅲ?,可知(*)對一切正整數(shù)n都成立。

        點評“歸納—猜想—證明”的模式,是不完全歸納法與數(shù)學歸納法綜合應用的解題模式,其一般思路是:通過觀察有限個特例,猜想出一般性的結論,然后用數(shù)學歸納法證明。這種方法在解決探索性問題、存在性問題或與正整數(shù)有關的命題時有著廣泛的應用,其關鍵是歸納、猜想出結論。

        變式5 設函數(shù)f(x)=ln(1+x),g(x)=xf′(x)(x≥0),其中f′(x)是f(x)的導函數(shù)。令g1(x)= g(x),gn+1(x)=g[gn(x)](n∈N*),求gn(x)的表達式。

        六、數(shù)學歸納法的活用

        (1)討論f(x)的單調性。

        (2)設a1=1,an+1=ln(an+1),證明:

        (?。┊?<a<2時,-1<a2-2a<0,

        若x∈(-1,a2-2a),則f′(x)>0,所以f(x)在(-1,a2-2a)上是增函數(shù);

        若x∈(a2-2a,0),則f′(x)<0,所以f(x)在(a2-2a,0)是減函數(shù);

        若x∈(0,+∞),則f′(x)>0,所以f(x)在(0,+∞)是增函數(shù)。

        (ⅱ)當a=2時,f′(x)≥0,所以f(x)在(-1,+∞)是增函數(shù)。

        (ⅲ)當a>2時,a2-2a>0,

        若x∈(-1,0),則f′(x)>0,所以f(x)在(-1,0)是增函數(shù);

        若x∈(0,a2-2a),則f′(x)<0,所以f(x)在(0,a2-2a)是減函數(shù);

        若x∈(a2-2a,+∞),則f′(x)>0,所以f(x)在(a2-2a,+∞)是增函數(shù)。

        (2)由(1)知,當a=2時,f(x)在(-1,+∞)是增函數(shù)。

        當x∈(0,+∞)時,f(x)>f(0)=0,即ln(x+1)>(x>0)。

        又由(1)知,當a=3時,f(x)在[0,3)是減函數(shù)。當x∈[0,3)時,f(x)≤f(0)=0,即ln(x+1)<(0<x<3)。

        根據(jù)(?。┖停áⅲ┲?,對任何k∈N*結論都成立。

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