高中数学人教A版 (2019)选择性必修 第二册4.4* 数学归纳法导学案
展开我们中国过去有个习俗,子女从父亲的姓氏,如父亲姓王,其子女都姓王.假设我们知道一个男子姓王,假设他每一代后代都有男子,而且严格按照我国过去的习俗,那么他的儿子姓什么?孙子呢?玄孙呢?……如果他有32代孙,你能确定他的32代孙的姓吗?如果他有无限代孙呢?
为了保证各代孙辈都姓王,必须严格按照中国过去的习俗,否则无法递推下去,也就是说要保证第n代孙姓王能推出第n+1代孙也姓王,当然还要求第1个人必须姓王了.
思考:通过这个例子,我们能得到什么启示呢?
知识点1 数学归纳法
一般地,证明一个与正整数n有关的命题,可按下列步骤进行:
(1)归纳奠基:证明当n=n0(n0∈N*)时命题成立;
(2)归纳递推:以“当n=k(k∈N*,k≥n0)时命题成立”为条件,推出“当n=k+1时命题也成立”.
只要完成这两个步骤,就可以断定命题对从n0开始的所有正整数n都成立.这种证明方法称为数学归纳法.
数学归纳法的第一步n0的初始值是否一定为1?
[提示] 不一定.如证明n边形的内角和为(n-2)·180°,第一个值n0=3.
知识点2 数学归纳法的框图表示
1.思考辨析(正确的打“√”,错误的打“×”)
(1)用数学归纳法证题时可以只证明归纳递推即可.( )
(2)数学归纳法证明3n≥n2(n≥3,n∈N*),第一步验证n=3.( )
(3)设Sk=1k+1k+1+1k+2+…+1k+k,则Sk+1=1k+1k+1+1k+2+…+1k+1+k+1.( )
[答案] (1)× (2)√ (3)×
[提示] (1)数学归纳法两个步骤缺一不可.
(3)中,Sk+1=1k+1+1k+2+…+12k+12k+1+12k+1.
2.用数学归纳法证明1+12+13+…+12n-1
A.1+12<2 B.1+12+13<2
C.1+12+13<3 D.1+12+13+14<3
B [由题知,当n=2时,不等式为1+12+13<2,故选B.]
类型1 用数学归纳法证明等式
【例1】 用数学归纳法证明:1+3×2+5×22+…+(2n-1)×2n-1=2n(2n-3)+3(n∈N*).
[证明] (1)当n=1时,左边=1,右边=2×(2-3)+3=1,左边=右边,所以等式成立.
(2)假设当n=k(k∈N*)时,等式成立,
即1+3×2+5×22+…+(2k-1)×2k-1=2k(2k-3)+3.
则当n=k+1时,
1+3×2+5×22+…+(2k-1)×2k-1+(2k+1)×2k
=2k(2k-3)+3+(2k+1)×2k
=2k(4k-2)+3=2k+1[2(k+1)-3]+3,
即当n=k+1时,等式也成立.
由(1)(2)知,等式对任何n∈N*都成立.
用数学归纳法证明恒等式时应关注的三点
(1)弄清n取第一个值n0时等式两端项的情况;
(2)弄清从n=k到n=k+1等式两端增加了哪些项,减少了哪些项;
(3)证明n=k+1时结论也成立,要设法将待证式与归纳假设建立联系,并朝n=k+1证明目标的表达式变形.
[跟进训练]
1.(源于人教B版教材)用数学归纳法证明,对任意的正整数n,都有12+22+32+…+n2=nn+12n+16.
[证明] (1)当n=1时,
左边=12=1,右边=1×1+1×2×1+16=1,
所以此时等式成立.
(2)假设n=k(k≥1)时,等式成立,即
12+22+32+…+k2=kk+12k+16.
则12+22+32+…+k2+(k+1)2
=kk+12k+16+(k+1)2
=k+1k+22k+36
=k+1k+1+12k+1+16,
所以,此时n=k+1也成立.
根据(1)和(2)可知,等式对任何正整数都成立.
类型2 用数学归纳法证明不等式
【例2】 用数学归纳法证明1+n2≤1+12+13+…+12n≤12+n(n∈N*).
[思路引导] 按照数学归纳法的步骤证明,由n=k到n=k+1的推证过程可应用放缩技巧,使问题简单化.
[证明] (1)当n=1时,
32≤1+12≤32,命题成立.
(2)假设当n=k(k∈N*)时,命题成立,
即1+k2 ≤ 1+12 +13 +… +12k≤12 +k,
则当n=k+1时,
1+12 +13 +… +12k +12k+1 +12k+2 +… +12k+2k >1+k2 +2k·12k+1 =1+k+12 .
又1+12 +13 +… +12k +12k+1 +12k+2 +… +12k+2k <12 +k+2k·12k =12 +(k+1),
即当n=k+1时,命题成立.
由(1)和(2)可知,命题对所有的n∈N*都成立.
1.用数学归纳法证明不等式的关键点
用数学归纳法证明不等式往往比证明恒等式难度更大一些,方法更灵活些,用数学归纳法证明的第二步,即已知f (k)>g(k),求证f (k+1)>g(k+1)时应注意灵活运用证明不等式的一般方法(比较法、分析法、综合法).具体证明过程中要注意以下两点:
(1)先凑假设,作等价变换;
(2)瞄准当n=k+1时的递推目标,有目的地放缩、分析直到凑出结论.
2.常用的几点放缩技巧
(1)nn-1<n<nn+1;
(2)1nn+1<1n2<1nn-1(n∈N*,n>1);
(3)1k>2k+k+1=2(k+1-k);
(4)1k<2k+k-1=2(k-k-1)(k∈N*,k>1).
[跟进训练]
2.试用数学归纳法证明1+122+132+…+1n2<2-1n(n≥2,n∈N*).
[证明] (1)当n=2时,1+122=54<2-12=32,命题成立.
(2)假设n=k(k≥2,且k∈N*)时命题成立,
即1+122+132+…+1k2<2-1k.
则当n=k+1时,1+122+132+…+1k2+1k+12<2-1k+1k+12<2-1k+1kk+1=2-1k+1k-1k+1=2-1k+1,命题成立.
由(1),(2)知原不等式在n∈N*,n≥2时均成立.
类型3 用数学归纳法证明一些数学命题
【例3】 证明:当n∈N*时,f (n)=32n+2-8n-9能被64整除.
[证明] (1)当n=1时,f (1)=34-8-9=64能被64整除.
(2)假设当n=k(k≥1,k∈N*)时,f (k)=32k+2-8k-9能被64整除,
则当n=k+1时,f (k+1)=32(k+1)+2-8(k+1)-9=9×32k+2-8k-17=9×(32k+2-8k-9)+64k+64.
故f (k+1)也能被64整除.
综合(1)(2),知当n∈N*时,f (n)=32n+2-8n-9能被64整除.
用数学归纳法证明整除问题的关键是证明当n=k+1时,代数式可被除数整除,一般利用构造法,构造出含有除数及n=k时的代数式,根据归纳假设即可证明.
[跟进训练]
3.求证:n棱柱中过侧棱的对角面(即过棱柱的两条不相邻的侧棱的截面)的个数是f (n)=12n(n-3),其中n≥4,n∈N*.
[证明] (1)当n=4时,四棱柱有2个对角面,
此时f (4)=12×4×(4-3)=2,命题成立.
(2)假设当n=k(k≥4,k∈N*)时,命题成立.
即k棱柱中过侧棱的对角面有f (k)=12k(k-3)个.
现在考虑n=k+1时的情形.
对于(k+1)棱柱A1A2…Ak+1-B1B2…Bk+1,棱Ak+1Bk+1与其余和它不相邻的(k-2)条棱共增加了(k-2)个对角面,而面A1B1BkAk变成了对角面.因此对角面的个数为f (k)+(k-2)+1=12k(k-3)+k-1=12(k-2)(k+1)=12(k+1)[(k+1)-3],即f (k+1)=12(k+1)[(k+1)-3]成立.
由(1)和(2),可知原结论成立.
类型4 归纳—猜想—证明
【例4】 已知数列11×4,14×7,17×10,…,13n-23n+1的前n项和为Sn,计算S1,S2,S3,S4,根据计算结果,猜想Sn的表达式,并用数学归纳法进行证明.
[解] S1=11×4=14 ;
S2=14 +14×7=27 ;
S3=27 +17×10 =310 ;
S4=310 +110×13=413 .
可以看出,上面表示四个结果的分数中,分子与项数n一致,分母可用项数n表示为3n+1.
于是可以猜想Sn=n3n+1 .
下面用数学归纳法证明这个猜想.
(1)当n=1时,左边=S1=14 ,
右边=n3n+1 =13×1+1 =14 ,
猜想成立.
(2)假设当n=k(k∈N*)时猜想成立,即
11×4 +14×7 +17×10 +… +13k-23k+1 =k3k+1 ,
则当n=k+1时,
11×4+14×7+17×10+…+13k-23k+1+13k+1-23k+1+1=k3k+1+13k+13k+4=3k2+4k+13k+13k+4=3k+1k+13k+13k+4=k+13k+1+1,
所以,当n=k+1时猜想也成立.
根据(1)和(2),可知猜想对任意n∈N*都成立.
1.“归纳—猜想—证明”的一般环节
2.“归纳—猜想—证明”的主要题型
(1)已知数列的递推公式,求通项或前n项和.
(2)由一些恒等式、不等式改编的一些探究性问题,求使命题成立的参数值是否存在.
(3)给出一些简单的命题(n=1,2,3,…),猜想并证明对任意正整数n都成立的一般性命题.
[跟进训练]
4.已知数列{an}的前n项和为Sn,且满足a1=3,Sn=an-1+n2+1(n≥2).求a2,a3,a4的值,猜想数列{an}的通项公式并用数学归纳法证明.
[解] 当n=2时,
S2=a1+22+1,即3+a2=8,解得a2=5;
当n=3时,
S3=a2+32+1,即3+5+a3=15,解得a3=7;
当n=4时,
S4=a3+42+1,即3+5+7+a4=24,解得a4=9.
猜想an=2n+1,下面用数学归纳法证明:
当n=1时,a1=2×1+1=3,猜想成立;
假设当n=k(k∈N*)时,猜想成立,
即ak=2k+1,Sk=k3+2k+12=k2+2k,
则当n=k+1时,Sk+1=ak+(k+1)2+1,
∴Sk+ak+1=ak+(k+1)2+1,
∴ak+1=ak+(k+1)2+1-Sk,
ak+1=2k+1+(k+1)2+1-(k2+2k)=2(k+1)+1,
所以猜想成立.
综上所述,对于任意n∈N*,an=2n+1均成立.
1.用数学归纳法证明n3>3n2+3n+1这一不等式时,应注意n必须为( )
A.n∈N* B.n∈N*,n≥2
C.n∈N*,n≥3 D.n∈N*,n≥4
D [当n=1,n=2,n=3时,显然不等式不成立,
当n=4时,64>61不等式成立,
故用数学归纳法证明n3>3n2+3n+1这一不等式时,应注意n必须为n≥4,n∈N*,故选D.]
2.用数学归纳法证明1+a+a2+…+an+1=1-an+21-a(a≠1,n∈N*),在验证n=1成立时,左边计算所得的项是( )
A.1 B.1+a
C.1+a+a2 D.1+a+a2+a3
C [当n=1时,左边=1+a+a1+1=1+a+a2,故C正确.]
3.用数学归纳法证明“(3n+1)·7n-1(n∈N*)能被9整除”,在假设n=k(k∈N*)时命题成立之后,需证明n=k+1时命题也成立,这时除了用归纳假设外,还需证明的是余项( )能被9整除( )
A.3·7k+6 B.3·7k+1+6
C.3·7k-3 D.3·7k+1-3
B [假设n=k时命题成立,即(3k+1)·7k-1能被9整除,那么当n=k+1时,[3(k+1)+1]·7k+1-1-[(3k+1)·7k-1]=(3k+4)·7k+1-(3k+1)·7k=[(3k+1)+3]·7k+1-(3k+1)·7k=(3k+1)·7k+1+3·7k+1-(3k+1)·7k=6·(3k+1)·7k+3·7k+1=6·[(3k+1)·7k-1]+3·7k+1+6.由(3k+1)·7k-1能被9整除可知要证上式能被9整除,还需证明3·7k+1+6也能被9整除,故选B.]
4.用数学归纳法证明122+132+…+1n+12>12-1n+2.假设n=k时,不等式成立,则当n=k+1时,应推证的目标不等式是________.
122+132+…+1k+22>12-1k+3 [从不等式结构看,左边n=k+1时,最后一项为1k+22,前面的分母的底数是连续的整数,右边n=k+1时,式子为12-1k+1+2,即不等式为122+132+…+1k+22>12-1k+3.]
回顾本节知识,自主完成以下问题:
(1)数学归纳法步骤可概括为“三个成立,一个结”是什么意思?
[提示] “三个成立”是指:①n=n0时验证命题成立,②n=k,k≥n0时假设命题成立;③n=k+1时,应用归纳假设证明命题成立.
“一个结”就是结论:断定命题对从n0开始的所有正整数n都成立.
(2)你认为在应用数学归纳法时应注意哪几点?
[提示] ①验证是基础:找准起点,奠基要稳,有些问题中验证的初始值不一定为1;
②递推是关键:正确分析由n=k到n=k+1时,式子项数的变化是应用数学归纳法成功证明问题的保障;
③利用假设是核心:在第二步证明中一定要利用归纳假设,这是数学归纳法证明的核心环节,否则这样的证明就不是数学归纳法证明.
(3)与自然数n有关的命题都必须用数学归纳法证明吗?数学归纳法一般用来证明哪几种类型?
[提示] 数学归纳法证明的命题都是与自然数n有关的命题,但与自然数n有关的命题不一定都用数学归纳法来证明.
数学归纳法证明的命题类型一般有:等式问题、不等式问题、整除问题,几何命题和“归纳—猜想—证明”等类型.
课时分层作业(十一) 数学归纳法
一、选择题
1.用数学归纳法证明1+12+13+…+12n-1
A.1+12<2
B.1+12+13<2
C.1+12+13<3
D.1+12+13+14<3
B [因为n∈N*,n>1,故第一步应验证n=2的情况,即1+12+13<2.故选B.]
2.用数学归纳法证明1-12+13-14+…+12n-1-12n=1n+1+1n+2+…+12n,则当n=k+1时,左端应在n=k的基础上加上( )
A.12k+2 B.-12k+2
C.12k+1-12k+2D.12k+1+12k+2
C [因为当n=k时,左端=1-12+13-14+…+12k-1-12k,当n=k+1时,左端=1-12+13-14+…+12k-1-12k+12k+1-12k+2.所以,左端应在n=k的基础上加上12k+1-12k+2.]
3.一个与正整数n有关的命题,当n=2时命题成立,且由n=k时命题成立可以推得n=k+2时命题也成立,则( )
A.该命题对于n>2的自然数n都成立
B.该命题对于所有的正偶数都成立
C.该命题何时成立与k取值无关
D.以上答案都不对
B [由n=k时命题成立可以推出n=k+2时命题也成立,且n=2时命题成立,故对所有的正偶数都成立.]
4.利用数学归纳法证明1+12+13+14+…+12n-1
C.2k-1项 D.2k项
D [用数学归纳法证明不等式1+12+13+14+…+12n-1
∴由n=k递推到n=k+1时不等式左边增加了:12k+12k+1+…+12k+1-1,
共(2k+1-1)-2k+1=2k项,故选D.]
5.(多选)对于不等式n2+n≤n+1(n∈N*),某学生的证明过程如下:
①当n=1时,12+1≤1+1,不等式成立.
②假设n=k(k∈N*)时,不等式成立,即k2+k
A.证明过程全都正确
B.当n=1时的验证正确
C.归纳假设正确
D.从n=k到n=k+1的推理不正确
BCD [n=1的验证及归纳假设都正确,但从n=k到n=k+1的推理中没有使用归纳假设,而通过不等式的放缩法直接证明,不符合数学归纳法的证题要求.故选BCD.]
二、填空题
6.已知n为正偶数,用数学归纳法证明1-12+13-14+…+1n-1-1n=21n+2+1n+4+…+12n时,若已知假设n=k(k≥2)为偶数时,命题成立,则还需要用归纳假设再证________.
n=k+2时等式成立 [由于n为正偶数,已知假设n=k(k≥2)为偶数,则下一个偶数为n=k+2.故答案为n=k+2时等式成立.]
7.用数学归纳法证明“n3+(n+1)3+(n+2)3(n∈N*)能被9整除”,要利用归纳假设证n=k+1时的情况,只需展开________.
(k+3)3 [假设当n=k时,原式能被9整除,即k3+(k+1)3+(k+2)3能被9整除;当n=k+1时,(k+1)3+(k+2)3+(k+3)3.
为了能用上面的归纳假设,只需将(k+3)3展开,让其出现k3即可.
故答案为(k+3)3.]
8.已知f (n)=1+12+13+…+1n(n∈N*),用数学归纳法证明f (2n)>n2时,f (2k+1)-f (2k)=________.
12k+1+12k+2+…+12k+1 [因为假设n=k时,f (2k)=1+12+13+…+12k,当n=k+1时,
f (2k+1)=1+12+13+…+12k+12k+1+…+12k+1,
所以f (2k+1)-f (2k)=1+12+13+…+12k+12k+1+…+12k+1-(1+12+13+…+12k)
=12k+1+12k+2+…+12k+1.]
三、解答题
9.已知正项数列{an}中,a1=1,an+1=1+an1+an(n∈N*).用数学归纳法证明:an
所以,当n=k+1时,不等式成立.
综上所述,不等式an
A.使不等式成立的第一个自然数n0=1
B.使不等式成立的第一个自然数n0=2
C.n=k推导n=k+1时,不等式的左边增加的式子是12k+12k+2
D.n=k推导n=k+1时,不等式的左边增加的式子是12k+22k+3
BC [n=1时,11+1>1324不成立,n=2时,12+1+12+2>1324成立,所以A错误,B正确;当n=k时,左边的代数式为1k+1+1k+2+…+12k,
当n=k+1时,左边的代数式为1k+2+1k+3+…+12k+2,故用n=k+1时左边的代数式减去n=k时左边的代数式的结果,即12k+1-12k+2=12k+12k+2为不等式的左边增加的项,故C正确,D错误,故选BC.]
11.利用数学归纳法证明等式:1·n+2·(n-1)+3·(n-2)+…+n·1=16n(n+1)(n+2)(n∈N*),当n=k时,左边的和1·k+2·(k-1)+3·(k-2)+…+k·1,记作Sk,则当n=k+1时左边的和,记作Sk+1,则Sk+1-Sk=( )
A.1+2+3+…+k
B.1+2+3+…+(k-1)
C.1+2+3+…+(k+1)
D.1+2+3+…+(k-2)
C [依题意,Sk=1·k+2·(k-1)+3·(k-2)+…+k·1,
则Sk+1=1·(k+1)+2·k+3·(k-1)+4·(k-2)+…+k·2+(k+1)·1,
∴Sk+1-Sk=1·[(k+1)-k]+2·[k-(k-1)]+3·[(k-1)-(k-2)]+4·[(k-2)-(k-3)]+…+k·(2-1)+(k+1)·1=1+2+3+…+k+(k+1).]
12.用数学归纳法证明“当n∈N*时,求证:1+2+22+23+…+25n-1是31的倍数”时,当n=1时,原式为________,从n=k到n=k+1时需增添的项是________.
1+2+22+23+24 25k+25k+1+25k+2+25k+3+25k+4 [当n=1时,原式应加到25×1-1=24,所以原式为1+2+22+23+24,
从n=k到n=k+1时需添25k+25k+1+…+25(k+1)-1.]
13.记凸k边形的内角和为f (k),则凸k+1边形的内角和f (k+1)=f (k)+________.
π [由凸k边形变为凸k+1边形时,增加了一个三角形图形,故f (k+1)=f (k)+π.]
14.(1)用数学归纳法证明:1+2+3+…+(n+3)=n+3n+42(n∈N*);
(2)用数学归纳法证明:1+12+13+…+1n<2n(n∈N*).
[证明] (1)①当n=1时,左边=1+2+3+4=10,右边=1+3×1+42=10,左边=右边,等式成立.
②假设n=k(k∈N*)时等式成立,即1+2+3+…+(k+3)=k+3k+42,
那么当n=k+1时,1+2+3+…+(k+3)+(k+4)=k+3k+42+(k+4)=k+4k+52,
即当n=k+1时,等式成立.
综上,1+2+3+…+(n+3)=n+3n+42(n∈N*).
(2)①当n=1时,左边=1,右边=2,左边<右边,故当n=1时不等式成立.
②假设当n=k(k∈N*)时不等式成立,即1+12+13+…+1k<2k,
那么当n=k+1时,左边=1+12+13+…+1k+1k+1<2k+1k+1,
因为4k2+4k<4k2+4k+1,所以2k2+k <2k+1,
所以2k+1k+1=2k+1k+1k+1=2k2+k+1k+1<2k+2k+1=2k+1.
故当n=k+1时,不等式也成立.
综上,由①②可知1+12+13+…+1n<2nn∈N*.
15.是否存在a,b,c使等式1n2+2n2+3n2+…+nn2=an2+bn+cn对一切n∈N*都成立?若不存在,说明理由;若存在,用数学归纳法证明你的结论.
[解] 取n=1,2,3可得a+b+c=1,8a+4b+2c=5,27a+9b+3c=14,
解得:a=13,b=12,c=16.
下面用数学归纳法证明1n2+2n2+3n2+…+nn2=2n2+3n+16n=n+12n+16n.
即证12+22+…+n2=16n(n+1)(2n+1).
①n=1时,左边=1,右边=1,∴等式成立;
②假设n=k时等式成立,即12+22+…+k2=16k(k+1)(2k+1)成立,
则当n=k+1时,等式左边=12+22+…+k2+(k+1)2=16k·(k+1)(2k+1)+(k+1)2=16[k(k+1)(2k+1)+6(k+1)2]=16(k+1)(2k2+7k+6)=16(k+1)(k+2)(2k+3),
∴当n=k+1时等式成立.
由数学归纳法,综合①②知,当n∈N*时等式成立.
故存在a=13,b=12,c=16使已知等式成立.
学习
任务
1.借助教材实例了解数学归纳法的原理.(数学抽象)
2.能用数学归纳法证明一些简单的数学命题.(逻辑推理)
3.能归纳猜想,利用数学归纳法证明与正整数有关的数学问题.(数学运算、逻辑推理)
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