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第四章 数列
第四单元 数列的综合应用
课时4* 数学归纳法
1. 了解数学归纳法的原理.
2. 能用数学归纳法证明一些简单的数学命题.
数学归纳法的原理和应用.
教学过程设计
在数列的学习过程中,我们已经用归纳的方法得出了一些结论,例如等 差数列{an}的通项公式an=a1+(n-1)d等,但并没有给出严格的数学证 明.那么,对于这类与正整数n有关的命题,我们怎样证明它对每一个正整数 n都成立呢?本节我们就来介绍一种重要的证明方法——数学归纳法.
多米诺骨牌游戏的启发
计算可得a2=1,a3=1,a4=1.再结合a1=1,由此猜想:an=1(n∈N*).
如何证明这个猜想呢?我们自然会想到从n=5开始一个个往下验证.一般来 说,与正整数n有关的命题,当n比较小时可以逐个验证,但当n较大时, 验证起来会很麻烦.特别是证明n取所有正整数都成立的命题时,逐一验证是 不可能的.因此,我们需要另辟蹊径,寻求一种方法:
通过有限个步骤的推理,证明n取所有正整数时命题都成立.
我们先从多米诺骨牌游戏说起.码放骨牌时,要保证任意相邻的两块骨牌, 若前一块骨牌倒下,则一定导致后一块骨牌倒下.这样,只要推倒第1块骨 牌,就可导致第2块骨牌倒下;而第2块骨牌倒下,就可导致第3块骨牌倒 下;…….总之,不论有多少块骨牌,都能全部倒下.
问题2:在这个游戏中,能使所有多米诺骨牌全部倒下的条件是什么?
可以看出,使所有骨牌都能倒下的条件有两个:
(1)第一块骨牌倒下;
(2)任意相邻的两块骨牌,前一块倒下一定导致后一块倒下.
问题3:你认为条件(2)的作用是什么?如何用数学语言描述它?
可以看出,条件(2)实际上是给出了一个递推关系:第k块骨牌倒下 第k +1块骨牌倒下.
这样,只要第1块骨牌倒下,其他所有的骨牌就能够相继倒下.事实上, 无论有多少块骨牌,只要保证(1)(2)成立,那么所有的骨牌一定可 以全部倒下.
问题4:你认为证明前面的猜想“数列的通项公式是an=1(n∈N*)”与上 述多米诺骨牌游戏有相似性吗?你能类比多米诺骨牌游戏解决这个问题吗?
显然,如果能得到一个类似于“第k块骨牌倒下 第k+1块骨牌倒下”的递 推关系,那么猜想的正确性也就得到证明了.为此,我们先回顾一下猜想的 获得过程:
由a1=1,利用递推关系,推出a2=1;
由a2=1,利用递推关系,推出a3=1;
由a3=1,利用递推关系,推出a4=1;
……
数学归纳法的概念
问题5:归纳上述过程的共性,你能得出推理的一般结构吗?
我们发现,上述过程蕴含着一个与多米诺骨牌游戏的条件(2)类似的递推 结构:
以ak=1成立为条件,推出ak+1=1也成立.
它相当于命题:
当n=k时猜想成立,则n=k+1时猜想也成立.
只要能够证明这个命题,我们就可以在a1=1的条件下,由这个命题得到:对 任意正整数n,an=1成立.
即当n=k+1时,猜想也成立.
这样,对于猜想“an=1”,由n=1成立,就有n=2成立;由n=2成立, 就有n=3成立;…….所以,对于任意正整数n,猜想都成立,即数列{an} 的通项公式是an=1(n∈N*).
数学归纳法的概念:
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.
问题6:数学归纳法中的两个步骤之间有什么关系?
记P(n)是一个关于正整数n的命题.我们可以把用数学归纳法证明的形式 改写如下:
条件:(1)P(n0)为真;(2)若P(k)(k∈N*,k≥n0)为真,
则P(k+1)也为真.
结论:P(n)为真.
在数学归纳法的两步中,第一步验证(或证明)了当n=n0时结论成立, 即命题P(n0)为真;第二步是证明一种递推关系,实际上是要证明一个 新命题:
若P(k)为真,则P(k+1)也为真.
完成这两步,就有P(n0)真,P(n0+1)真……P(k)真,P(k+1) 真…….从而完成证明.
目标检测
1. 用数学归纳法证明:如果{an}是一个公差为d的等差数列,那么
an=a1+(n-1)d对任何n∈N*都成立.
证明:(1)当n=1时,左边=a1,右边=a1+0×d=a1,等式成立.
(2)假设当n=k(k∈N*)时,等式成立,即ak=a1+(k-1)d,
根据等差数列的定义,有ak+1-ak=d,
于是ak+1=ak+d=[a1+(k-1)d]+d=a1+[(k-1)+1]d=a1+[(k +1)-1]d,即当n=k+1时,等式也成立.
由(1)(2)可知,等式对任何n∈N*都成立.
3. 已知数列{an}满足a1=0,2an+1-anan+1=1(n∈N*),试猜想数列{an} 的通项公式,并用数学归纳法加以证明.
4. 设x为实数,且x>-1,x≠0,n为大于1的正整数,记数列x,x(1+ x),x(1+x)2,…,x(1+x)n-1,…的前n项和为Sn,试比较Sn与 nx的大小,并用数学归纳法证明你的结论.
解:方法一:由已知可得Sn=x+x(1+x)+x(1+x)2+…+x(1+ x)n-1.当n=2时,S2=x+x(1+x)=x2+2x,由x≠0,知x2>0,可 得S2>2x;
当n=3时,S3=x+x(1+x)+x(1+x)2=x2(x+3)+3x,
由x>-1且x≠0,知x2(x+3)>0,可得S3>3x.
由此,我们猜想,当x>-1且x≠0,n∈N*且n>1时,Sn>nx.
下面用数学归纳法证明这个猜想.
(1)当n=2时,由上述过程知,猜想成立.
(2)假设当n=k(k∈N*,且k≥2)时,不等式成立,即Sk>kx,
则Sk+1=Sk+x(1+x)k>kx+x(1+x)k.
①当x>0时,因为k>1,所以(1+x)k>1,所以x(1+x)k>x.
②当-1<x<0时,0<1+x<1,且x2>0.
又因为k>1,所以(1+x)k<1+x,
可得x(1+x)k>x(1+x)=x+x2>x.
综合①②可得,当x>-1且x≠0时,Sk+1>kx+x(1+x)k>kx+x= (k+1)x,
所以,当n=k+1时,猜想也成立.由(1)(2)可知,
不等式Sn>nx对任何大于1的正整数n都成立.
方法二:因为x>-1,x≠0,
所以所给数列是等比数列,公比为1+x,
当n=2时,S2=(1+x)2-1=x2+2x,
由x≠0,知x2>0,可得S2>2x;
当n=3时,S3=(1+x)3-1=x2(x+3)+3x,
由x>-1,x≠0,得x2(x+3)>0,可得S3>3x.
由此,我们猜想,当x>-1且x≠0,n∈N*且n>1时,Sn>nx.
下面用数学归纳法证明.
(1)当n=2时,由上述过程知,猜想成立.
(2)假设当n=k(k∈N*,且k≥2)时,不等式Sk>kx成立,
即(1+x)k-1>kx,亦即(1+x)k>1+kx.
由x>-1,得x+1>0.又因为k>1,x≠0,
所以kx2>0.于是Sk+1=(1+x)k+1-1=(1+x)k(1+x)-1>(1+ kx)(1+x)-1=kx2+(k+1)x>(k+1)x;
所以,当n=k+1时,猜想也成立.
由(1)(2)可知,不等式Sn>nx对任何大于1的正整数n都成立.
1. 用数学归纳法证明:-1+3-5+…+(-1)n(2n-1)=(-1)nn (n∈N*).
证明:(1)当n=1时,左边=-1,右边=-1,左边=右边,等式成立;
(2)假设当n=k(k∈N*)时等式成立,
即-1+3-5+…+(-1)k·(2k-1)=(-1)kk,
则当n=k+1时,左边=-1+3-5+…+(-1)k·(2k-1)+(-1)k+ 1[2(k+1)-1]=(-1)kk+(-1)k+1(2k+1)=(-1)k(k-2k -1)=(-1)k(-k-1)=(-1)k+1(k+1)=右边.
所以当n=k+1时,等式成立.
由(1)(2)可知,对 n∈N*,-1+3-5+…+(-1)n(2n-1)= (-1)nn.
3. 观察下列两个数列{an},{bn}:
数列{an}:1,4,9,16,25,36,49,64,81,…;
数列{bn}:2,4,8,16,32,64,128,256,512,….
猜想从第几项起an小于bn,并用数学归纳法证明你的结论.
解:根据题意可得数列{an}的通项公式为an=n2,
数列{bn}的通项公式为bn=2n,
由a1<b1,a2=b2,a3>b3,a4=b4,a5<b5,a6<b6,a7<b7,
猜想从第5项起an<bn,即证当n≥5时,n2<2n,
(1)当n=5时,a5=25,b5=32,显然25<32,猜想成立;
(2)假设当n=k(k≥5,k∈N*)时,猜想成立,即k2<2k,
当n=k+1时,(k+1)2=k2+2k+1<k2+2k+k=k2+3k<k2+k2= 2k2<2×2k=2k+1,即(k+1)2<2k+1,即当n=k+1时,猜想成立.
由(1)(2)可知,当n≥5,n∈N*时,都有n2<2n,即an<bn.
4. 猜想满足a1=a,2an+1-anan+1=1的数列{an}的通项公式,并用数学归 纳法证明你的结论.
下面用数学归纳法证明:
1. 用数学归纳法证明:
(1)1+3+5+…+(2n-1)=n2;
证明:当n=1时,等式左边=1,右边=1,
所以等式成立;
假设当n=k(k∈N*)时等式成立,即1+3+5+…+(2k-1)=k2,
则当n=k+1时,1+3+5+…+(2k-1)+(2k+1)=k2+(2k+1)
=(k+1)2,故n=k+1时等式成立.
综上可知,等式1+3+5+…+(2n-1)=n2成立.
(2)1+2+22+…+2n-1=2n-1;
证明:当n=1时,等式左边=1,右边=1,
所以等式成立;
假设当n=k(k∈N*)时等式成立,即1+2+22+…+2k-1=2k-1,
则当n=k+1时,1+2+22+…+2k-1+2k=(2k-1)+2k=2×2k-1= 2k+1-1,故n=k+1时等式成立.
综上可知,等式1+2+22+…+2n-1=2n-1成立.
2. 已知数列{an}满足a1=1,4an+1-anan+1+2an=9(n∈N*).计算a2, a3,a4,由此猜想数列{an}的通项公式,并用数学归纳法证明.
4. 已知数列{xn}满足x1=1,xn=xn+1+ln(1+xn+1)(n∈N*).试用数学 归纳法证明xn>0,并比较xn与xn+1的大小关系.
证明:xn>0,当n=1时,x1=1>0,成立,
假设当n=k(k∈N*)时成立,则xk>0,
那么n=k+1时,若xk+1<0,
则0<xk=xk+1+ln(1+xk+1)<0,矛盾,故xn+1>0,
因此xn>0(n∈N*),∴xn=xn+1+ln(1+xn+1)>xn+1,
因此0<xn+1<xn(n∈N*).
5. 用数学归纳法证明:n3+5n(n∈N*)能够被6整除.
证明:(1)当n=1时,n3+5n=6,显然能够被6整除,命题成立;
(2)假设当n=k(k∈N*)时,命题成立,即k3+5k能够被6整除,当n =k+1时,(k+1)3+5(k+1)=k3+3k2+3k+1+5k+5=(k3+ 5k)+3k(k+1)+6,由假设知,k3+5k能够被6整除,而k(k+1)为 偶数,故3k(k+1)能够被6整除,故(k+1)3+5(k+1)=(k3+ 5k)+3k(k+1)+6能够被6整除,即当n=k+1时,命题成立.由(1) (2)可知,命题对一切正整数成立,即n3+5n(n∈N*)能够被6整除.
小结提升
1. 通过本节课的学习,你有哪些收获?
2. 通过本节课的学习,你有哪些困惑?