数学归纳法总结
【数学归纳法】
【数学归纳法的基本形式】
1.第一数学归纳法
设P(n)是一个与正整数有关的命题,如果①当nn0(n0N)时,P(n)成立;
②假设nk(kn0,kN)成立,由此推得nk1时,P(n)也成立;那么根据①②可得到结论:对一切正整数nn0,命题P(n)成立。2.第二数学归纳法(串值归纳法)
设P(n)是一个与正整数有关的命题,如果①当nn0(n0N)时,P(n)成立;
②假设nk(kn0,kN)成立,由此推得nk1时,P(n)也成立;那么根据①②可得到结论:对一切正整数nn0,命题P(n)成立。3.跳跃数学归纳法
设P(n)是一个与正整数有关的命题,如果①当n1,2,...,l时,P(1),P(2),...,P(l)成立;
②假设nk(kn0,kN)成立,由此推得nkl时,P(n)也成立;那么根据①②可得到结论:对一切正整数n1,命题P(n)成立。4.反向数学归纳法
设P(n)是一个与正整数有关的命题,如果①P(n)对无限多个正整数n成立;
②从命题P(n)成立可以推出命题P(n1)也成立;
那么根据①②可得到结论:对一切正整数n,命题P(n)成立。
如果命题P(n)对无穷多个自然数成立的证明很困难,我们还可以考虑反向数学归纳法的另外两种形式:
Ⅰ设P(n)是一个与正整数有关的命题,如果
①n1时命题P(n)正确;
②假如由P(n)不成立推出P(n1)不成立;
那么根据①②可得到结论:对一切正整数n,命题P(n)成立。
Ⅱ设P(n)是一个与正整数有关的命题,如果
①n1,2,...,r时,命题P(1),P(2),...,P(r)都成立;
②假若由由P(n)不成立推出P(nr)不成立;
那么根据①②可得到结论:对一切正整数n,命题P(n)成立。
以上讨论的均是完全归纳法,不完全归纳法是从特殊出发,通过实验、观察、分析、综合、抽象概括出一般性结论的一种重要方法,运用不完全归纳法可通过对数列前n项的计算、观察、分析推测出它的通项公式,或推测出这个数列的有关性质。应用不完全数学归纳法时,必须用完全数学归纳法对结论的正确性予以证明。
【应用数学归纳法的技巧】
1.移动起点
有些命题对一切大于等于1的正整数n都成立,但命题本身对n0也成立,而且验证起来比验证n1时容易,因此用验证n0成立来替代验证n1;同理,起点也可以进行适当后移,只要后移的起点成立且容易验证。2.起点增多
有些命题由nk向nk1跨进时,需要用到一些其他特殊点的性质,此时往往需要补充验证某些特殊情形,因此需要适当增多起点;增多起点也可以更好的观察出每一个n具有的统一形式,从而利用数学归纳法证明。3.选择适当的假设方式
归纳假设不要拘泥于“假设nk时命题成立”,需要根据题意采取第一、第二、跳跃、反向数学归纳法。
【典型例题】
例1:证明:n5n(nN)能被6整除。
例2:证明:对于一切自然数n1都有22n。
n
例3:设ax11n,求证:xn可表示为a的n次多项式。xx例4:试证用面值为3分和5分的邮票可以支付任何n(n7,nN)分的邮资。例5:求证:适合x2yn(x0,y0)的整数解组数r(n)满足:r(n)11(n1)[1(1)n]24。例6:已知f(x)是定义在N上,又是在N上取值的函数,且:(1)f(2)2(2)m,nN,f(mn)f(m)f(n)(3)当mn时,f(m)f(n)求证:f(x)x在N上恒成立。
例7:证明对任何正整数n,f(n)n3n5都不能被121整除。
扩展阅读:高考专题——数学归纳法
数学归纳法
数学归纳法
一、知识梳理(1)数学归纳法的基本形式第一数学归纳法设P(n)是关于自然数n的命题,若1°P(n0)成立(奠基)2°假设P(k)成立(k≥n0),可以推出P(k+1)成立(归纳),则P(n)对一切大于等于n0的自然数n都成立注:第一数学归纳法有如下的变式:设P(n)是关于自然数n的命题,若1°P1,P2,...,Pl成立(奠基)2°假设P(k)成立(k≥n0),可以推出Pkl成立(归纳),则P(n)对一切大于等于n0的自然数n都成立以上方法称为“跳跃数学归纳法”(了解)
第二数学归纳法设P(n)是关于自然数n的命题,若1°P(1)成立(奠基)2°假设nk(k为任意自然数)时,Pn1nk成立,可以推出P(k+1)成立(归纳),则P(n)对一切自然数n都成立反向数学归纳法设P(n)是一个与正整数有关的命题,如果①P(n)对无限多个正整数n成立;
②假设nk时,命题P(k)成立,则当nk1时命题P(k1)也成立,那么根据①②对一切正整数n1时,P(n)成立.
(2)数学归纳法的证明技巧
a“起点前移”或“起点后移”。有时前几项不能统一到归纳里面,需要单独验证,需要将起点后移
b加大跨度。这时候可以应用跳跃归纳法(不需要掌握)c加强命题
d命题的活化(一般化)。比如要证明f201*时候成立,可以证明fn成立
e先猜后证。可以先算出前几项,找出规律,猜测后再证明。
数学归纳法
(3)数学归纳法的应用
具体常用数学归纳法证明恒等式,不等式,数的整除性,几何中计算问题,数列的通项与和等
(4)几点说明
1用数学归纳法进行证明时,“归纳奠基”和“归纳递推”两个步骤缺一不可;2在第二步中,在递推之前,时结论是否成立是不确定的,因此用假设二字,这一步的实质是证明命题对的正确性可以传递到时的情况.有了这一步,联系第一步的结论(命题对成立),就可以知道命题对也成立,进而再由第二步可知即也成立,…,这样递推下去就可以知道对于所有不小于的正整数都成立.在这一步中,时命题成立,可以作为条件加以运用,而时的情况则有待利用归纳假设、已知的定义、公式、定理加以证明,不能直接将代入命题.
二、典型例题讲解
【例1】证明:
111(1)>1(nN)n1n23n1111(2)(11)(1)(1)(1)>33n1(nN)
473n2分析:如果运用以前所学知识通过放缩法进行回很困难,但是如果用数学归纳法就比较容易.以下是详细证明过程.
11113证明:(1)第一步:当n=1时,左=>1,故n=1时不等式成立.
23412111第二步:假设当n=k时不等式成立,即>1k1k23k1那么当n=k+1时,
11111左=k23k13k23k33k4=
111111k23k13k23k33k43k1=
1112>1k1k23k13(3k2)(3k4)(k1)故n=k+1时不等式成立
第三步:根据(1)(2)可知:结论对于一切正整数n成立.(2)第一步:当n=1时,左=2,右=34,故左>右,即n=1时不等式成立.
111第二步:假设n=k时不等式成立,即(11)(1)(1)(1)>
473k233k1
-2-
数学归纳法
那么n=k+1时,
1111左=(11)(1)(1)(1)(1)
473k23k13k2>33k1
3k13k233k13k133k4
33(3k2)3(3k4)=2(3k1)(3k2)2(3k4)(3k1)2=
(3k1)2=
9k4>0
(3k1)23k233k1)1>(3k1n=k+1时不等式成立.
左>33k1第三步:根据(1)(2)可知:对于一切正整数n不等式成立。
1111【例2】证nN时有(1-)(1-2)(1-n)3332证明:显然,左端每个因式都是正数,先证明,对每个nN,有
1111111-(+2++n)(1)(1-)(1-2)(1-n)333333用数学归纳法证明(1)式:(i)n=1时,(1)式显然成立,(ii)设n=k时,(1)式成立,即(1-)(1-13111111-())(1-)+++323k3323k则当n=k+1时,
11111111〔1-(+2++k)〕(1-k+1)(1-)(1-2)(1-k)(1-k+1)3333333311111111=1-(+2++k)-k+1+k+1(+2++k)
3333333311111-(+2++k+k+1)即当n=k+1时,(1)式也成立。
3333故对一切nN,(1)式都成立。
11n〔1-()〕11111133利用(1)得,1-(+2++n)=1-(1-)(1-2)(1-n)13333331-3
数学归纳法
nn=1-〔1-()〕=+()121312112312故原式成立,从而结论成立。
【例3】设数列{an}的前n项和为Sn,且方程x2-anx-an=0有一根为Sn-1,n=1,2,
3,.(Ⅰ)求a1,a2;
(Ⅱ){an}的通项公式.
解:(Ⅰ)当n=1时,x2-a1x-a1=0有一根为S1-1=a1-1,
1于是(a1-1)2-a1(a1-1)-a1=0,解得a1=.
21当n=2时,x2-a2x-a2=0有一根为S2-1=a2-,
2111
于是(a2-)2-a2(a2-)-a2=0,解得a1=.
226(Ⅱ)由题设(Sn-1)2-an(Sn-1)-an=0,
即Sn2-2Sn+1-anSn=0.
当n≥2时,an=Sn-Sn-1,代入上式得Sn-1Sn-2Sn+1=0①
1112
由(Ⅰ)知S1=a1=,S2=a1+a2=+=.
22633
由①可得S3=.
4n由此猜想Sn=,n=1,2,3,.
n+1下面用数学归纳法证明这个结论.(i)n=1时已知结论成立.
k(ii)假设n=k时结论成立,即Sk=,
k+1当n=k+1时,由①得Sk+1=故n=k+1时结论也成立.
n综上,由(i)、(ii)可知Sn=对所有正整数n都成立.
n+1于是当n≥2时,an=Sn-Sn-1=
n-1n1-=,
nn+1n(n+1)k+11
,即Sk+1=,2-Skk+2
11n
又n=1时,a1==,所以{an}的通项公式an=,n=1,2,3,.
21×2n+1
x11【例4】已知函数f(x)=x3-x2+2+4,且存在x0∈(0,2),使f(x0)=x0.
1(I)证明:f(x)是R上的单调增函数;设x1=0,xn+1=f(xn);y1=,yn+1=f(yn),
2其中n=1,2,
数学归纳法
(II)证明:xn数学归纳法
即111,anan1n111111111,,,.a2a12a3a23anan1n11111.ana123n于是有
所有不等式两边相加可得
由已知不等式知,当n≥3时有,
111[log2n].ana12∵a1b,2b[log2n]111[log2n].anb22ban2b.
2b[log2n]证法2:设f(n)111,首先利用数学归纳法证不等式23nanb,n3,4,5,.
1f(n)b3a233b.32a3a21f(3)b1131a22a1(i)当n=3时,由a3知不等式成立.
(ii)假设当n=k(k≥3)时,不等式成立,即akb,
1f(k)b则ak1(k1)akk1k1(k1)1f(k)b(k1)ak1(k1)1akb(k1)b(k1)(k1)f(k)bbb1(f(k)1)bk1b,
1f(k1)b即当n=k+1时,不等式也成立.由(i)、(ii)知,anb,n3,4,5,.
1f(n)bb11[lo2gn]b22b,n3,4,5,.
2b[lo2gn]又由已知不等式得an(Ⅱ)有极限,且liman0.
n数学归纳法
(Ⅲ)∵
2b221,令,
2b[log2n][log2n][log2n]510则有log2n[log2n]10,n21024,1.5故取N=1024,可使当n>N时,都有an
【例6】数列{an}满足a11且an1(111)a(n1).n2nnn2(Ⅰ)用数学归纳法证明:an2(n2);
(Ⅱ)已知不等式ln(1x)x对x0成立,证明:ane2(n1),其中无理数
e=2.71828.
证明:(Ⅰ)(1)当n=2时,a222,不等式成立.
(2)假设当nk(k2)时不等式成立,即ak2(k2),
那么ak1(111)akk2.这就是说,当nk1时不等式成立.
k(k1)2根据(1)、(2)可知:ak2对所有n2成立.
(Ⅱ)证法一:
由递推公式及(Ⅰ)的结论有an1(1两边取对数并利用已知不等式得lnan11111)a(1)an.(n1)nn2n2nn2n2n11ln(12n)lnan
nn2lnan1111故(n1).lnalna.n1nn(n1)2nn2n2n上式从1到n1求和可得
lnanlna11111112n11223(n1)n2221n1111111121()11n2.1223n1n2n21212即lnan2,故ane(n1).
(Ⅱ)证法二:
由数学归纳法易证2n(n1)对n2成立,故
-7-
n数学归纳法
an1(11111)a(1annn(n1)n(n1)n2n2n(n2),则bn1(11)bnn(n1)(n2).
令bnan1(n2).
取对数并利用已知不等式得lnbn1ln(11)lnbn
n(n1)lnbn1n(n1)(n2).
1111223n(n1)上式从2到n求和得lnbn1lnb21111111.223n1n(n2).
因b2a213.故lnbn11ln3,bn1e1ln33e故an13e1e2,n2,又显然a1e2,a2e2,故ane2对一切n1成立.
三、同步练习
一、选择题
1.已知f(n)=(2n+7)3n+9,存在自然数m,使得对任意n∈N,都能使m整除f(n),则最大的m的值为()A.30B.26C.36D.6解析:∵f(1)=36,f(2)=108=3×36,f(3)=360=10×36∴f(1),f(2),f(3)能被36整除,猜想f(n)能被36整除.证明:n=1,2时,由上得证,设n=k(k≥2)时,f(k)=(2k+7)3k+9能被36整除,则n=k+1时,f(k+1)-f(k)=(2k+9)3k+1-(2k+7)3k=(6k+27)3k-(2k+7)3k
=(4k+20)3k=36(k+5)3k-2(k≥2)f(k+1)能被36整除
∵f(1)不能被大于36的数整除,∴所求最大的m值等于36.答案:C
2.用数学归纳法证明3k≥n3(n≥3,n∈N)第一步应验证()A.n=1B.n=2C.n=3D.n=4解析:由题意知n≥3,∴应验证n=3.答案:C
3.用数学归纳法证明4
2n1+3n+2能被13整除,其中n∈N*.
数学归纳法
证明:(1)当n=1时,42×1+1+31+2=91能被13整除
(2)假设当n=k时,42k+1+3k+2能被13整除,则当n=k+1时,42(k+1)+1+3k+3=42k+142+3k+23-42k+13+42k+13=42k+113+3(42k+1+3k+2)
∵42k+113能被13整除,42k+1+3k+2能被13整除∴当n=k+1时也成立.
由①②知,当n∈N*时,42n+1+3n+2能被13整除.
3an1a3,则a2,a3,a4,a5的值分别为_________,由此猜想an=_________.
4.已知a1=2,an+1=n13a1233同理,4.解析:a2a131725323a23333333a3,a4,a5,猜想ana238359451055n5
3答案:
333337、8、9、10n5
11113n1n22n24.5.若n为大于1的自然数,求证:
11713证明:(1)当n=2时,2122122411113k1k22k24(2)假设当n=k时成立,即则当nk1时,1111111k2k32k2k12k2k1k1131111311242k12k2k1242k12k213113242(2k1)(k1)24
6.已知数列{bn}是等差数列,b1=1,b1+b2++b10=145.(1)求数列{bn}的通项公式bn;
1b(2)设数列{an}的通项an=loga(1+n)(其中a>0且a≠1)记Sn是数列{an}的前n项和,试比
1较Sn与3logabn+1的大小,并证明你的结论.
数学归纳法
b11b1110(101)10bd145d312解:(1)解:设数列{bn}的公差为d,由题意得,∴bn=3n-2
(2)证明:由bn=3n-2知
11Sn=loga(1+1)+loga(1+4)++loga(1+3n2)11=loga[(1+1)(1+4)(1+3n2)]
1113而3logabn+1=loga3n1,于是,比较Sn与3logabn+1的大小比较(1+1)(1+4)
13(1+3n2)与3n1的大小.
333取n=1,有(1+1)=84311
13)8373321取n=2,有(1+1)(1+4113推测:(1+1)(1+4)(1+3n2)>3n1(*)
①当n=1时,已验证(*)式成立.
113②假设n=k(k≥1)时(*)式成立,即(1+1)(1+4)(1+3k2)>3k11111(11)(1)(1)(1)33k1(1)43k23(k1)23k1则当n=k+1时,
3k233k13k1
(3k233k1)3(33k4)33k1(3k2)3(3k4)(3k1)29k4022(3k1)(3k1)33k1(3k2)33k433(k1)13k1
111从而(11)(1)(1)(1)33(k1)143k23k1,即当n=k+1时,(*)式成立
数学归纳法
由①②知,(*)式对任意正整数n都成立.
11于是,当a>1时,Sn>3logabn+1,当0<a<1时,Sn<3logabn+1
7.设实数q满足|q|<1,数列{an}满足:a1=2,a2≠0,anan+1=-qn,求an<3,求q的取值范围.
.解:∵a1a2=-q,a1=2,a2≠0,
表达式,又如果nlimS2n
9∴q≠0,a2=-2,
∵anan+1=-qn,an+1an+2=-qn+1
an1aq,即an+2=qan
两式相除,得n21于是,a1=2,a3=2q,a5=2qn猜想:a2n+1=-2qn(n=1,2,3,)2qk1n2k1时(kN)1kqn2k时(kN)综合①②,猜想通项公式为an=2
下证:(1)当n=1,2时猜想成立
(2)设n=2k-1时,a2k-1=2qk-1则n=2k+1时,由于a2k+1=qa2k-1∴a2k+1=2qk即n=2k-1成立.可推知n=2k+1也成立.
1设n=2k时,a2k=-2qk,则n=2k+2时,由于a2k+2=qa2k,1所以a2k+2=-2qk+1,这说明n=2k成立,可推知n=2k+2也成立.
综上所述,对一切自然数n,猜想都成立.
2qk1当n2k1时(kN)1kq当n2k时(kN)这样所求通项公式为an=2
S2n=(a1+a3+a2n-1)+(a2+a4++a2n)
1=2(1+q+q2++qn-1)-2(q+q2++qn)2(1qn)1q(1qn)1qn4q()()1q2(1q)1q2
数学归纳法
1qn4qlimq0,故limS2n(1q)(2)n由于|q|<1,∴n=
n4q2依题意知2(1q)<3,并注意1-q>0,|q|<1解得-1<q<0或0<q<5
四、高考真题
[1](09山东)等比数列an的前n项和为,已知对任意的nN,,点(n.Sn)均在函数
ybxr(b0且b1,b,r均为常数的图象上。
(Ⅰ)求r的值。
(Ⅱ)当b=2时,记bn2(log2an1)(nn)证明:对任意的,不等式成立
w.w.w.s.5.u.c.o.m
b1b11b21…nn1b1b2bnx解:因为对任意的nN,点(n,Sn),均在函数ybr(b0且b1,b,r均为常数的图像上
.所
以得nSnnbn1,r当n1时,
a1S1br,当
n2时,anSnSn1br(br)bnbn1(b1)bn1,又因为{an}为等比数列,所以
r1,公比为b,an(b1)bn1
(2)当b=2时,an(b1)b则
n12n1,bn2(log2an1)2(log22n11)2n
bn12n1b13572n1b1b21n,所以1bn2nb1b2bn2462n下面用数学归纳法证明不等式
b13572n1b11b21nn1成立.b1b2bn2462n①当n1时,左边=
33,右边=2,因为2,所以不等式成立.22b13572k1b11b21kk1成立.b1b2bk2462k②假设当nk时不等式成立,即
则当nk1时,左边=
b1bk11357b11b212k12k3kb1b2bkbk12462k2k2数学归纳法
2k3(2k3)24(k1)24(k1)11k1(k1)1(k1)12k24(k1)4(k1)4(k1)所以当nk1时,不等式也成立.
由①、②可得不等式恒成立.
【2】(09陕西)已知数列xn}满足,x1=11xn+1=,nN*.2’1xn猜想数列{xn}的单调性,并证明你的结论;
(Ⅱ)证明:|xn1-xn|≤()n1。证(1)由x11265w.w.w.k.s.5.u.c.o.m112513及xn+1得x2x4,x421xn3821由x2x4x6猜想:数列x2n是递减数列下面用数学归纳法证明:
(1)当n=1时,已证命题成立(2)假设当n=k时命题成立,即x2kx2k2易知x2k0,那么x2k2x2k4x2k3x2k111
1x2k11x2k3(1x2k1)(1x2k3)=
x2kx2k20
(1x2k)(1x2k1)(1x2k2)(1x2k3)即x2(k1)x2(k1)2
也就是说,当n=k+1时命题也成立,结合(1)和(2)知,命题成立(2)当n=1时,xn1xnx2x11,结论成立611
1xn12当n2时,易知0xn11,1xn12,xn(1xn)(1xn1)(115)(1xn1)2xn1
1xn12xnxn111xn1xn
1xn1xn1(1xn)(1xn1)数学归纳法
2222n-1xnxn1()xn1xn2()x2x555
12n-1()651w.w.w.s.5.u.c.o.m【3】(08天津)在数列an与bn中,a11,b14,数列an的前n项和Sn满足
nSn1n3Sn0,2an1为bn与bn1的等比中项,nN*.
(Ⅰ)求a2,b2的值;
(Ⅱ)求数列{an}与{bn}的通项公式;
(Ⅲ)设Tn(1)a1b1(1)a2b2(1)anbn,nN*.证明:|Tn|2n2,n3.
解:由题设有a1a24a10,a11,解得a23.由题设又有4a22b2b1,b14,
解得b29.
(Ⅱ)由题设nSn1(n3)Sn0,a11,b14,及a23,b29,进一步可得a36,
b316,a410,b425,猜想an先证ann(n1)2*,bn(n1),nN.2n(n1)*,nN.21(11)当n1时,a1,等式成立.当n2时用数学归纳法证明如下:
22(21)(1当n2时,a2,等式成立.
2k(k1)(2)假设nk时等式成立,即ak,k2.
2由题设,kSk1(k3)Sk(k1)Sk(k2)Sk1
①的两边分别减去②的两边,整理得kak1(k2)ak,从而
ak1k2k2k(k1)(k1)[(k1)1].akkk22n(n1)对任何2这就是说,当nk1时等式也成立.根据(1)和(2)可知,等式an的n2成立.
数学归纳法
综上所述,等式ann(n1)n(n1)*对任何的nN都成立an222*再用数学归纳法证明bn(n1),nN.
(1)当n1时,b1(11),等式成立.
(2)假设当nk时等式成立,即bk(k1),那么
224ak12(k1)2(k2)22bk1[(k1)1].2bk(k1)这就是说,当nk1时等式也成立.根据(1)和(2)可知,等式bn(n1)对任何的
2nN*都成立.
(Ⅲ)证明:Tn(1)b1(1)b2(1)bn23(1)当n4k,kN时,
*a1a2an22n(n1)2(n1)2.
Tn22324252(4k2)2(4k1)2(4k)2(4k1)2.
注意到(4k2)(4k1)(4k)(4k1)32k4,故
2222Tn32(12k)4k32k(k1)4k2
4k(4k4)4k(4k)234kn23n.
*Tn(4k)34k(4k1)(n1)3(n1)(n2)n当n4k1,kN时,
*2222当n4k2,kN时,
Tn(4k)234k(4k1)2(4k)23(n2)(n3)2n23n3.
当n4k3,kN时,
*Tn34k(4k1)2(4k1)23(n3)(n4)2(n2)2n3.
n3,2n3n3,所以Tnn,n23n,n4k3n4k2n4k1n4k,kN*.
数学归纳法
13nn22,1332,|Tn|nn2从而n3时,有2n12,n312,n总之,当n3时有
n5,9,13,n6,10,14,
n3,7,11,n4,8,12,|Tn|2|T|2n,即.2n2n【4】(08福建)已知函数f(x)=ln(1+x)-x1
(Ⅰ)求f(x)的单调区间;
(Ⅱ)记f(x)在区间0,(n∈N*)上的最小值为bx令an=ln(1+n)-bx.(Ⅲ)如果对一切n,不等式anan2c恒成立,求实数c的取值范围;an2(Ⅳ)求证:
aaa2n1a1a1a3132an11.a2a2a4a2a4a2n解答(Ⅰ)因为f(x)=ln(1+x)-x,所以函数定义域为(-1,+),且f〃(x)=由f〃(x)>0得-1数学归纳法
所以g(x)在1,内是减函数;则当n∈N*时,g(n)随n的增大而减小,
又因为limg(n)lim(n2n22n)limxx2n4n2n2n22limx4nx1221nn=1.
所以对一切nN,g(n)1.因此c≤1,即实数c的取值范围是(-∞,1].()由()知*12n12n1.2n1135(2n1)1(nN).
246(2n)2n1下面用数学归纳法证明不等式
①当n=1时,左边=
11,右边=,左边
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