内容正文:
数学 选择性必修 第一册 导学案 【湘教】
(教师独具内容)
课程标准:1.了解数学归纳法的原理.2.能用数学归纳法证明数列中的一些简单命题.
教学重点:数学归纳法及其应用.
教学难点:对数学归纳法原理的理解.
核心素养:通过利用数学归纳法证明与自然数n有关的数学命题,发展逻辑推理素养和数学运算素养.
核心概念掌握
知识点 数学归纳法
在证明一个与正整数有关的命题时,可采用下面两个步骤:
(1)(奠基)证明n=n0(n0∈N+)时命题成立;
(2)(递推)假设n=k(k∈N+,k≥n0)时命题成立,证明n=k+1时命题也成立.
只要完成这两个步骤,就可以知道:对任何从n0开始的正整数n,命题成立,这种证明方法叫作数学归纳法.
1.数学归纳法中的两个步骤之间的关系
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.
2.应用数学归纳法时应注意的问题
(1)第一步中的验证,对于有些问题验证的并不是n=1,有时需验证n=2,n=3.
(2)对n=k+1时式子的项数以及n=k与n=k+1的关系的正确分析是应用数学归纳法成功证明问题的关键.
(3)“假设n=k时命题成立.利用这一假设证明n=k+1时命题成立”,这是应用数学归纳法证明问题的核心环节,对待这一推导过程决不可含糊不清,推导的步骤要完整、严谨、规范.
1.判一判(正确的打“√”,错误的打“×”)
(1)在用数学归纳法证明数学命题时,只有第一步就可以.( )
(2)在用数学归纳法时,第二步必须利用归纳假设.( )
(3)一个数列的通项公式是an=(n2-5n+5)2,容易验证:a1=1,a2=1,a3=1,a4=1,由此作出一般性结论:对于任意n∈N+,an=(n2-5n+5)2=1都成立,以上是数学归纳法.( )
(4)用数学归纳法证明命题时,第一步是验证当n=1时结论成立.( )
答案 (1)× (2)√ (3)× (4)×
2.做一做
(1)数学归纳法证明中,在验证了n=1时命题正确,假定n=k时命题正确,此时k的取值范围是( )
A.k∈N B.k>1,k∈N+
C.k≥1,k∈N+ D.k>2,k∈N+
(2)设f(n)=+++…+(n∈N+),那么f(n+1)-f(n)等于( )
A. B.
C.+ D.-
(3)用数学归纳法证明:“1×4+2×7+3×10+…+n(3n+1)=n(n+1)2,n∈N+”时,若n=1,则左端应为____________.
答案 (1)C (2)D (3)1×4
核心素养形成
题型一 利用数学归纳法证明恒等式
例1 证明:当n≥2,n∈N+时,·…·=.
[证明] ①当n=2时,左边=1-=,
右边==.
∴当n=2时,等式成立.
②假设当n=k(k≥2,k∈N+)时等式成立,即
·…·
=.
当n=k+1时,
·…·
==·
==.
∴当n=k+1时,等式也成立.
由①②知,对任意n≥2,n∈N+,等式成立.
感悟提升
利用数学归纳法证明代数恒等式
时要注意两点:一是要准确表述n=n0时命题的形式,二是要准确把握由n=k到n=k+1时,命题结构的变化特点.并且一定要记住:在证明n=k+1成立时,必须使用归纳假设.
[跟踪训练1] 求证:1+++…+
=(n∈N+).
证明 ①当n=1时,左边=1,右边==1,所以左边=右边,等式成立.
②假设当n=k(k≥1,k∈N+)时等式成立,
即1+++…+=.
则当n=k+1时,1+++…++
=+
=+=
=.
这就是说,当n=k+1时,等式也成立.
由①②可知,对任何n∈N+等式都成立.
题型二 利用数学归纳法证明不等式
例2 证明:2n+2>n2,n∈N+.
[证明] ①当n=1时,左边=21+2=4;右边=1,左边>右边;
当n=2时,左边=22+2=6,右边=22=4,所以左边>右边;
当n=3时,左边=23+2=10,右边=32=9,所以左边>右边.
因此当n=1,2,3时,不等式成立.
②假设当n=k(k≥3且k∈N+)时,不等式2k+2>k2成立.
当n=k+1时,
2k+1+2=2·2k+2=2(2k+2)-2>2k2-2=k2+2k+1+k2-2k-3=(k2+2k+1)+(k+1)(k-3),由于k≥3,则k-3≥0,k+1>0,所以(k2+2k+1)+(k+1)(k-3)≥k2+2k+1=(k+1)2.
所以2k+1+2>(k+1)2.
故当n=k+1时,原不等式也成立.
由①②,知原不等式对于任何n∈N+都成立.
感悟提升
数学归纳法证明不等式的技巧
(1)证明不等式时,由n=k到n=k+1时的推证过程与证明等式有所不同,由于不等式中的不等关系,需要我们在证明时,对原式进行“放大”或者“缩小”才能使用到n=k时的假设,所以需要认真分析,适当放缩,才能使问题简单化,这是利用数学归纳法证明不等式时常用的方法之一.
(2)数学归纳法的应用通常需要与数学的其他方法联系在一起,如比较法、放缩法、配凑法、分析法和综合法等,才能完成证明过程.
[跟踪训练2] 证明:1+++…+>2(-1),n∈N+.
证明 ①当n=1时,左边=1,右边=2(-1).
左边>右边,结论成立.
②假设当n=k(k≥1,k∈N+)时结论成立,即1+++…+>2(-1).
则当n=k+1时,1+++…++
>2(-1)+=2+-2.
所以下面证明2+>2,
只需证2(k+1)+1=2k+3>2,
只需证(2k+3)2>4(k+2)(k+1),
只需证4k2+12k+9>4k2+12k+8,此式显然成立,所以当n=k+1时结论成立.
综上,当n∈N+时,原不等式成立.
题型三 利用数学归纳法证明整除问题
例3 求证:二项式x2n-y2n(n∈N+)能被x+y整除.
[证明] ①当n=1时,x2-y2=(x+y)(x-y),
∴能被x+y整除.
②假设n=k(k≥1,且k∈N+)时,x2k-y2k能被x+y整除,
当n=k+1时,
x2k+2-y2k+2=x2x2k-x2y2k+x2y2k-y2y2k=x2(x2k-y2k)+y2k(x2-y2).
∵x2k-y2k与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时,x2k+2-y2k+2能被x+y整除.
由①②可知,对任意的正整数n命题均成立.
感悟提升
利用数学归纳法证明整除问题时,关键是整理出除数因式与商数因式积的形式,这就往往要涉及到“添项”与“减项”等变形技巧,例如,在本例中,对x2k+2-y2k+2进行拼凑,即减去x2y2k再加上x2y2k,然后重新组合,目的是拼凑出n=k时的归纳假设,剩余部分仍能被x+y整除.
[跟踪训练3] 利用数学归纳法证明(3n+1)·7n-1(n∈N+)能被9整除.
证明 ①当n=1时,(3×1+1)×71-1=27,
能被9整除,所以命题成立.
②假设当n=k(k≥1,k∈N+)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+4)·7k+1-1
=(3k+1)·7k+1-1+3·7k+1
=[(3k+1)·7k-1]+3·7k+1+6·(3k+1)·7k
=[(3k+1)·7k-1]+7k(21+6×3k+6)
=[(3k+1)·7k-1]+9·7k(2k+3).
由归纳假设知,(3k+1)·7k-1能被9整除,
而9·7k(2k+3)也能被9整除,
故[3(k+1)+1]·7k+1-1能被9整除.
这就是说,当n=k+1时,命题也成立.
由①②知,对一切n∈N+,(3n+1)·7n-1都能被9整除.
题型四 利用数学归纳法证明几何命题
例4 有n个圆,任意两个圆都相交于两点,任意三个圆不相交于同一点,求证:这n个圆将平面分成f(n)=n2-n+2个部分(n∈N+).
[证明] ①当n=1时,一个圆将平面分成两个部分,且f(1)=1-1+2=2,所以n=1时命题成立.
②假设当n=k(k≥1,k∈N+)时命题成立,即k个圆把平面分成f(k)=k2-k+2个部分.
则当n=k+1时,在k+1个圆中任取一个圆O,剩下的k个圆将平面分成f(k)个部分,而圆O与k个圆有2k个交点,这2k个点将圆O分成2k段弧,每段弧将原平面一分为二,故得f(k+1)=f(k)+2k=k2-k+2+2k=(k+1)2-(k+1)+2.
所以当n=k+1时,命题成立.
综合①②可知,对一切n∈N+,命题成立.
感悟提升
对于几何问题的证明,可以从有限情形中归纳出一个变化的过程,或者说体会出是怎么变化的,然后再去证明,也可以采用递推的办法.利用数学归纳法证明几何问题时,关键是正确分析由n=k到n=k+1时几何图形的变化规律.
[跟踪训练4] 证明:凸n边形的对角线的条数f(n)=n(n-3)(n≥4).
证明 ①当n=4时,f(4)=×4×(4-3)=2,四边形有两条对角线,命题成立.
②假设当n=k时命题成立,即凸k边形的对角线的条数f(k)=k(k-3)(k≥4).
当n=k+1时,凸k+1边形是在k边形基础上增加了一边,增加了一个顶点Ak+1,增加的对角线条数是顶点Ak+1与不相邻顶点连线再加上原k边形的一边A1Ak,共增加的对角线条数为(k+1-3)+1=k-1.
f(k+1)=k(k-3)+k-1=(k2-k-2)
=(k+1)(k-2)=(k+1)[(k+1)-3].
故当n=k+1时,命题成立.
由①②可知,对任意n≥4,n∈N+,命题成立.
题型五 归纳—猜想—证明
例5 已知数列{an}满足a1=a,an+1=(n∈N+).
(1)求a2,a3,a4;
(2)推测an的表达式,并用数学归纳法加以证明.
[解] (1)由an+1=,可得a2=,a3==,a4==.
(2)推测an=.
证明如下:
①当n=1时,左边=a1=a,
右边==a,结论成立.
②假设当n=k(k≥1,k∈N+)时,
有ak=,
则当n=k+1时,
ak+1==
=
=,
故当n=k+1时,结论成立.
由①②可知,对任何n∈N+,
都有an=.
感悟提升
观察、归纳、猜想、证明是一个完整的思维过程,既需要探求和发现结论,又需要证明所得结论的正确性,是一种十分重要的思维方法.观察特殊事例时要细,要注意所研讨特殊事例的特征及相互关系,关系不明时应适当变形,由观察、归纳、猜想得到的结论,可能是正确的,也可能是错误的,需要用数学归纳法证明.
[跟踪训练5] 数列{an}的前n项和为Sn,且满足Sn=2n-an,n∈N+,先计算前4项后猜想an,并用数学归纳法证明.
解 当n=1时,S1=a1=2-a1,∴a1=1,
当n=2时,S2=a1+a2=4-a2,∴a2=,
当n=3时,S3=a1+a2+a3=6-a3,∴a3=,
当n=4时,S4=a1+a2+a3+a4=8-a4,
∴a4=.
∴猜想an=.
用数学归纳法证明:①当n=1时,a1=1,猜想成立.
②假设当n=k(k≥1,k∈N+)时猜想成立,即ak=成立.
那么,当n=k+1时,Sk+1=2(k+1)-ak+1=Sk+ak+1=2k-ak+ak+1,
∴2ak+1=2+ak=2+=,
∴ak+1=,即当n=k+1时猜想成立.
由①②可知,对任何n∈N+,猜想均成立.
随堂水平达标
1.某个命题与正整数n有关,如果当n=k(k∈N+)时命题成立,那么可推得当n=k+1时,命题也成立,现已知当n=5时该命题不成立,那么可推得 ( )
A.当n=6时该命题不成立
B.当n=6时该命题成立
C.当n=4时该命题不成立
D.当n=4时该命题成立
答案 C
解析 与“如果当n=k(k∈N+)时命题成立,那么可推得当n=k+1时命题也成立”等价的命题为“如果当n=k+1时命题不成立,则当n=k(k∈N+)时,命题也不成立”.故知当n=5时,该命题不成立,可推得当n=4时该命题不成立,故选C.
2.用数学归纳法证明:对任意正偶数n,均有1-+-+…+-=2,在验证n=2正确后,归纳假设应写成( )
A.假设n=k(k∈N+)时命题成立
B.假设n≥k(k∈N+)时命题成立
C.假设n=2k(k∈N+)时命题成立
D.假设n=2(k+1)(k∈N+)时命题成立
答案 C
解析 因为题目要求是对n为正偶数,等式成立.故选C.
3.用数学归纳法证明“5n-2n能被3整除”的第二步中,当n=k+1时,为了使用假设,应将5k+1-2k+1变形为( )
A.5(5k-2k)+3×2k B.(5k-2k)+4×5k-2k
C.(5-2)(5k-2k) D.2(5k-2k)-3×5k
答案 A
解析 假设当n=k时命题成立,即5k-2k能被3整除.当n=k+1时,5k+1-2k+1=5×5k-2×2k=5(5k-2k)+5×2k-2×2k=5(5k-2k)+3×2k,故选A.
4.设平面内有n条直线(n≥3),其中有且仅有两条直线互相平行,任意三条直线不过同一点.若用f(n)表示这n条直线交点的个数,则f(4)=____________,当n>4时,f(n)=____________ (用n表示).
答案 5 (n+1)(n-2)
解析 f(3)=2,f(4)=f(3)+3=2+3=5,f(n)=f(3)+3+4+…+(n-1)=2+3+4+…+(n-1)=(n+1)(n-2).
5.设数列{an}的前n项和为Sn,且满足2Sn=a+n,an>0(n∈N+),猜想{an}的通项公式,并用数学归纳法加以证明.
解 分别令n=1,2,3,得
∵an>0,∴a1=1,a2=2,a3=3,猜想:an=n.
证明:由2Sn=a+n,①
可知当n≥2时,2Sn-1=a+(n-1),②
由①②得2an=a-a+1,
即a=2an+a-1.
(ⅰ)当n=2时,a=2a2+12-1,
∵a2>0,∴a2=2,成立.
(ⅱ)假设当n=k(k≥2,k∈N+)时,ak=k,
那么当n=k+1时,
a=2ak+1+a-1=2ak+1+k2-1⇒
[ak+1-(k+1)][ak+1+(k-1)]=0,
∵ak+1>0,k≥2,∴ak+1+(k-1)>0,
∴ak+1=k+1,即当n=k+1时也成立.
∴an=n(n≥2),显然当n=1时,也成立,
故对于一切n∈N+,均有an=n.
课后课时精练
一、选择题
1.已知f(n)=+++…+,则f(n)共有____________项( )
A.n B.n+1
C.n2-n D.n2-n+1
答案 D
解析 观察f(n)解析式的组成特点,是由,,,…,组成,其中每一项的分母n,n+1,n+2,…,n2组成等差数列,且首项为n,公差为1,最后一项为n2,所以它的项数为n2-n+1,则f(n)共有n2-n+1项.
2.下列四个说法中,正确的是( )
A.式子1+k+k2+…+kn(n∈N+),当n=1时恒为1
B.式子1+k+k2+…+kn-1(n∈N+),当n=1时恒为1+k
C.式子+++…+(n∈N+),当n=1时为1++
D.设f(n)=++…+(n∈N+),则f(k+1)=f(k)+++
答案 C
解析 A中,当n=1时应为1+k,A错误;B中,当n=1时应为1,B错误;D中,f(k)=++…+,而f(k+1)=++…++++,所以f(k+1)=f(k)+++-,D错误.故选C.
3.用数学归纳法证明1+2+3+…+n2=,则当n=k+1时,左端应在n=k的基础上加上( )
A.k2+1
B.(k+1)2
C.
D.(k2+1)+(k2+2)+(k2+3)+…+(k+1)2
答案 D
解析 ∵当n=k时,左端=1+2+3+…+k2,当n=k+1时,左端=1+2+3+…+k2+(k2+1)+…+(k+1)2,∴当n=k+1时,左端应在n=k的基础上加上(k2+1)+(k2+2)+(k2+3)+…+(k+1)2.
4.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( )
A.(k+3)3 B.(k+2)3
C.(k+1)3 D.(k+1)3+(k+2)3
答案 A
解析 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,得(k+1)3+(k+2)3+(k+3)3=(k+1)3+(k+2)3+k3+9k2+27k+27=k3+(k+1)3+(k+2)3+9(k2+3k+3),即可证明.
5.对于不等式≤n+1(n∈N+),某学生运用数学归纳法的证明过程如下:①当n=1时,≤1+1,不等式成立.②假设当n=k(k≥1,k∈N+)时,不等式成立,即≤k+1,则当n=k+1时,=<==(k+1)+1,所以当n=k+1时,不等式成立.上述证法( )
A.过程全部正确
B.n=1验证不正确
C.过程全部不正确
D.从n=k到n=k+1的推理不正确
答案 D
解析 从n=k到n=k+1的推理中没有使用归纳假设,不符合数学归纳法的证题要求.
二、填空题
6.用数学归纳法证明“Sn=+++…+>1(n∈N+)”时,S1=____.
答案
解析 ∵n=1时,n+1=2,3n+1=4,∴S1=++=.
7.用数学归纳法证明“1+2+22+…+2n-1=2n-1(n∈N+)”的过程中,第二步假设n=k时等式成立,则当n=k+1时应得到____________.
答案 1+2+22+…+2k-1+2k=2k+1-1
解析 ∵n=k时,命题为“1+2+22+…+2k-1=2k-1”,∴n=k+1时为使用归纳假设,应写成1+2+22+…+2k-1+2k=2k-1+2k=2k+1-1.
8.已知a1=,an+1=,则a2,a3,a4,a5的值分别为____________,由此猜想an=____________.
答案 ,,,
解析 a2====,同理,a3===,a4==,a5==,猜想an=.
三、解答题
9.用数学归纳法证明:1+4+7+…+(3n-2)=n(3n-1)(n∈N+).
证明 ①当n=1时,左边=1,右边=1,
所以当n=1时等式成立.
②假设当n=k(k∈N+,k≥1)时等式成立,
即1+4+7+…+(3k-2)=k(3k-1).
当n=k+1时,1+4+7+…+(3k-2)+[3(k+1)-2]
=k(3k-1)+(3k+1)=(3k2+5k+2)
=(k+1)(3k+2)=(k+1)[3(k+1)-1],
即当n=k+1时等式成立.
综合①②知,对于任意n∈N+,等式1+4+7+…+(3n-2)=n(3n-1)成立.
10.已知数列{an}的前n项和Sn=1-nan(n∈N+).
(1)计算a1,a2,a3,a4;
(2)猜想an的表达式,并用数学归纳法证明你的结论.
解 (1)由Sn=1-nan(n∈N+)得a1=S1=1-a1,解得a1=;
由S2=a1+a2=1-2a2,解得a2=;
由S3=a1+a2+a3=1-3a3,解得a3=;
由S4=a1+a2+a3+a4=1-4a4,解得a4=.
(2)猜想an=,下面用数学归纳法证明:
①当n=1时,猜想显然成立;
②假设n=k(k≥1,k∈N+)时,猜想成立,即ak=.
那么,当n=k+1时,Sk+1=1-(k+1)ak+1,
即Sk+ak+1=1-(k+1)ak+1.
又Sk=1-kak=,
所以+ak+1=1-(k+1)ak+1,
从而ak+1=
=.
即n=k+1时,猜想也成立.
故由①②可知,猜想成立.
1.求证:对任意正整数n,34n+2+52n+1能被14整除.
证明 ①当n=1时,
34n+2+52n+1=36+53=854=14×61,
能被14整除,命题成立.
②假设当n=k(k≥1,k∈N+)时,命题成立,即34k+2+52k+1能被14整除,那么当n=k+1时,
34(k+1)+2+52(k+1)+1=34k+2×34+52k+1×52
=34k+2×34+52k+1×34-52k+1×34+52k+1×52
=34(34k+2+52k+1)-52k+1(34-52)
=34(34k+2+52k+1)-56×52k+1,
因为34k+2+52k+1能被14整除,56也能被14整除,所以34(k+1)+2+52(k+1)+1能被14整除,故命题成立.
由①②知,命题对任意正整数n都成立.
2.在数列{an}中,已知an>0,Sn=(n∈N+).
(1)计算a1,a2,a3的值;
(2)猜想an的表达式,并用数学归纳法证明.
解 (1)当n=1时,由题意可得
a1=S1=,
∵an>0,∴a1=1.
当n=2时,由题意可得a1+a2=,
∵an>0,∴a2=-1.
当n=3时,由题意可得a1+a2+a3=,
∵an>0,∴a3=-.
综上,a1=1,a2=-1,a3=-.
(2)猜想:an=-(n∈N+).
证明:①当n=1时,a1=1,上式成立.
②假设当n=k(k∈N+)时,ak=-成立,
则当n=k+1时,
ak+1=Sk+1-Sk=-,
∴ak+1-=-
=-=-2,
∴a+2·ak+1-1=0,
∴ak+1==-±.
∵ak+1>0,∴ak+1=-,
∴n=k+1时,猜想成立.
由①②可知,对任意n∈N+,an=- .
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