内容正文:
专题4.7 数学归纳法【七大题型】
【人教A版(2019)】
【题型1 数学归纳法的证明步骤】 2
【题型2 用数学归纳法证明恒等式】 2
【题型3 用数学归纳法证明不等式】 3
【题型4 用数学归纳法证明几何问题】 4
【题型5 用数学归纳法证明整除问题】 5
【题型6 用数学归纳法证明数列问题】 6
【题型7 用数学归纳法证明其他问题】 7
【知识点1 数学归纳法】
1.归纳法
由一系列有限的特殊事件得出一般结论的推理方法,通常叫做归纳法,它是人们发现规律,产生猜想
的一种方法.
归纳法分为完全归纳法和不完全归纳法.
2.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:
第一步(归纳莫基),证明当n取第一个值()时命题成立;
第二步(归纳递推),以当n=k(k≥,k)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开始的所有正整数n都成立.
上述证明方法称为数学归纳法.
3.数学归纳法的重要结论及适用范围
数学归纳法的重要结论
适用范围
只适用于证明与正整数有关的数学命题
【题型1 数学归纳法的证明步骤】
【例1】(23-24高二下·辽宁·阶段练习)利用数学归纳法证明不等式的过程中,由变到时,左边增加了( )
A.1项 B.项 C.项 D.项
【变式1-1】(23-24高二下·四川成都·阶段练习)用数学归纳法证明“对任意的,都有 ,第一步应该验证的等式是( )
A. B.
C. D.
【变式1-2】(23-24高二上·浙江杭州·期末)用数学归纳法证明:()的过程中,从到时,比共增加了( )
A.1项 B.项 C.项 D.项
【变式1-3】(23-24高三·全国·对口高考)某同学用数学归纳法证明不等式,过程如下:
(1)当时,,不等式成立.
(2)假设当,且时,不等式成立,即,则当时,,
∴当时,不等式成立.
根据(1)和(2)可知对任何都成立.则上述证法( )
A.全部过程均符合数学归纳法的原理
B.的验证不正确
C.归纳假设不正确
D.从到的推理没有用到归纳假设
【题型2 用数学归纳法证明恒等式】
【例2】(24-25高二上·全国·课后作业)用数学归纳法证明:对任意的正整数.
【变式2-1】(23-24高二上·全国·课后作业)用数学归纳法证明:
(1);
(2).
【变式2-2】(23-24高二上·上海·课后作业)用数学归纳法证明(为正整数).
【变式2-3】(23-24高二上·全国·课后作业)用数学归纳法证明以下恒等式:
(1);
(2).
【题型3 用数学归纳法证明不等式】
【例3】(2024高三·全国·专题练习)证明∶不等式成立.
【变式3-1】(24-25高二上·全国·课后作业)用数学归纳法证明:对任意的正整数.
【变式3-2】(23-24高二下·河南南阳·期末)观察下列不等式:,,,,…….
(1)根据这些不等式,归纳出一个关于正整数n的命题;
(2)用数学归纳法证明(1)中得到的命题.
【变式3-3】(23-24高二上·全国·课后作业)证明不等式1+++…+<2 (n∈N*).
【题型4 用数学归纳法证明几何问题】
【例4】(23-24高二·全国·课堂例题)在平面上画n条直线,且任何2条直线都相交,其中任何3条直线不共点.问:这n条直线将平面分成多少个部分?
【变式4-1】(23-24高二上·全国·课后作业)用数学归纳法证明:凸边形的内角和.
【变式4-2】(23-24高二·全国·课后作业)已知,且平面内有n条直线,其中任意两条不平行,任意三条不过同一点,证明这些直线的交点的个数为.
【变式4-3】(24-25高二·全国·课后作业)已知个半径相等的半圆的圆心在同一直线上,这个半圆每两个都相交,且都在直线的同侧,试用数学归纳法求这个半圆被所有的交点最多分成多少段圆弧.
【题型5 用数学归纳法证明整除问题】
【例5】(2024高二下·全国·专题练习)用数学归纳法证明“对任意偶数,能被整除时,其第二步论证应该是( )
A.假设(为正整数)时命题成立,再证时命题也成立
B.假设(为正整数)时命题成立,再证时命题也成立
C.假设(为正整数)时命题成立,再证时命题也成立
D.假设(为正整数)时命题成立,再证时命题也成立
【变式5-1】(23-24高一下·上海徐汇·期末)已知,存在自然数,使得对任意,都能使整除,则最大的的值为
A.30 B.9 C.36 D.6
【变式5-2】(23-24高二上·全国·课后作业)用数学归纳法证明:能被整除.
【变式5-3】(23-24高三·全国·对口高考)是否存在正整数使得对任意正整数都能被整除,若存在,求出最大的的值,并证明你的结论.若不存在说明理由.
【题型6 用数学归纳法证明数列问题】
【例6】(24-25高二上·全国·课后作业)已知正项数列的前项和为,满足.
(1)求出数列的前三项;
(2)根据数列的前三项猜想出其一个通项公式,并用数学归纳法证明.
【变式6-1】(24-25高二上·上海·课后作业)设数列各项均为正数,且满足(n为正整数).
(1)求数列的通项公式;
(2)试用数学归纳法证明:.
【变式6-2】(23-24高二下·北京房山·期中)已知数列中,且.
(1)求数列的第2,3,4项;
(2)根据(1)的计算结果,猜想数列的通项公式,并用数学归纳法证明.
【变式6-3】(23-24高二上·上海·课后作业)设数列的各项均为正整数,且.记.如果对于所有的正整数均有.
(1)求,,,,;
(2)猜想的通项公式,并加以证明.
【题型7 用数学归纳法证明其他问题】
【例7】(23-24高二下·山西吕梁·期末)给出下列不等式:
,
,
,
,
(1)根据给出不等式的规律,归纳猜想出不等式的一般结论;
(2)用数学归纳法证明你的猜想.
【变式7-1】(2024高三·全国·专题练习)试证用面值为3分和5分的邮票可支付任何分的邮资.
【变式7-2】(23-24高一上·上海浦东新·阶段练习)已知M是满足下列条件的集合:①,;②若、,则;③若且,则.
(1)判断是否正确,说明理由;
(2)证明:“若,则”是真命题;
(3)证明:若,,则.
【变式7-3】(2024·上海普陀·模拟预测)如图,曲线与直线相交于,作交轴于,作交曲线于,……,以此类推.
(1)写出点和的坐标;
(2)猜想的坐标,并用数学归纳法加以证明.
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专题4.7 数学归纳法【七大题型】
【人教A版(2019)】
【题型1 数学归纳法的证明步骤】 2
【题型2 用数学归纳法证明恒等式】 3
【题型3 用数学归纳法证明不等式】 6
【题型4 用数学归纳法证明几何问题】 7
【题型5 用数学归纳法证明整除问题】 10
【题型6 用数学归纳法证明数列问题】 12
【题型7 用数学归纳法证明其他问题】 15
【知识点1 数学归纳法】
1.归纳法
由一系列有限的特殊事件得出一般结论的推理方法,通常叫做归纳法,它是人们发现规律,产生猜想
的一种方法.
归纳法分为完全归纳法和不完全归纳法.
2.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:
第一步(归纳莫基),证明当n取第一个值()时命题成立;
第二步(归纳递推),以当n=k(k≥,k)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开始的所有正整数n都成立.
上述证明方法称为数学归纳法.
3.数学归纳法的重要结论及适用范围
数学归纳法的重要结论
适用范围
只适用于证明与正整数有关的数学命题
【题型1 数学归纳法的证明步骤】
【例1】(23-24高二下·辽宁·阶段练习)利用数学归纳法证明不等式的过程中,由变到时,左边增加了( )
A.1项 B.项 C.项 D.项
【解题思路】根据题意,结合变到时,左边由项增加到项,即可求解.
【解答过程】由题意,不等式的左边中分子都为1,分母是从1开始到,故共有项,
又由变到时,左边由项增加到项,
从而左边增加了项.
故选:D.
【变式1-1】(23-24高二下·四川成都·阶段练习)用数学归纳法证明“对任意的,都有 ,第一步应该验证的等式是( )
A. B.
C. D.
【解题思路】根据数学归纳法的知识确定正确答案.
【解答过程】在等式中,
当时,,
故等式的左边为,右边为.
所以第一步应该验证的等式是.
故选:D.
【变式1-2】(23-24高二上·浙江杭州·期末)用数学归纳法证明:()的过程中,从到时,比共增加了( )
A.1项 B.项 C.项 D.项
【解题思路】分别计算出和的项数,进而作差即得结论.
【解答过程】因为,
所以,共项,
则共项,
所以比共增加了项,
故选:D.
【变式1-3】(23-24高三·全国·对口高考)某同学用数学归纳法证明不等式,过程如下:
(1)当时,,不等式成立.
(2)假设当,且时,不等式成立,即,则当时,,
∴当时,不等式成立.
根据(1)和(2)可知对任何都成立.则上述证法( )
A.全部过程均符合数学归纳法的原理
B.的验证不正确
C.归纳假设不正确
D.从到的推理没有用到归纳假设
【解题思路】根据数学归纳法的定义与证明即可判断.
【解答过程】根据数学归纳法的证明可知当的验证正确,归纳假设正确,故BC错误;
从到的推理中,并没有用到时的假设,故D正确,A错误,
故选:D.
【题型2 用数学归纳法证明恒等式】
【例2】(24-25高二上·全国·课后作业)用数学归纳法证明:对任意的正整数.
【解题思路】应用数学归纳法证明即可.
【解答过程】当时,左边右边;
假设时,原等式成立,则时,
等式左边,因此时原等式也成立.
综上,都有.
【变式2-1】(23-24高二上·全国·课后作业)用数学归纳法证明:
(1);
(2).
【解题思路】(1)记,验证当时,等式成立;假设当时,等式成立,然后证明出当时,等式成立,利用数学归纳法可证得结论成立;
(2)记,验证当时,等式成立;假设当时,等式成立,然后证明出当时,等式成立,利用数学归纳法可证得结论成立.
【解答过程】(1)证明:记,
当时,则有,等式成立,
假设当,等式成立,即,
则,
这说明当时,等式成立,
故对任意的,.
(2)证明:设,
当时,,等式成立,
假设当时,等式成立,
即,
所以,
,
这说明当时,等式成立,
所以,对任意的,.
【变式2-2】(23-24高二上·上海·课后作业)用数学归纳法证明(为正整数).
【解题思路】根据数学归纳法证明的步骤,首先验证当时成立,进而假设时等式成立,证明时,等式也成立;即可得证.
【解答过程】设.
①当时,左边,右边,等式成立;
②设当时等式成立,即,
则当时,
.
由①②可知当时等式都成立.
【变式2-3】(23-24高二上·全国·课后作业)用数学归纳法证明以下恒等式:
(1);
(2).
【解题思路】(1)按照数学归纳法的步骤证明即可;
(2)按照数学归纳法的步骤证明即可;
【解答过程】(1)①当时,左边,右边,左边与右边相等,即时等式成立;
②假设当时,等式成立,
即,
则当时,左边
右边,
即当时,等式也成立;
综上所述,由①②可知,对于任意正整数,成立.
(2)①当时,左边,右边,左边与右边相等,即时等式成立;
②假设当时,等式成立,
即,
则当时,左边
右边,
即当时,等式也成立;
综上所述,由①②可知,对于任意正整数,成立.
【题型3 用数学归纳法证明不等式】
【例3】(2024高三·全国·专题练习)证明∶不等式成立.
【解题思路】利用数学归纳法证明即可.
【解答过程】①当时,左边右边,∴不等式成立.
②假设当时不等式成立,即.
③当时,
左边
,
∴当时,不等式也成立.
综上可得,原不等式恒成立.
【变式3-1】(24-25高二上·全国·课后作业)用数学归纳法证明:对任意的正整数.
【解题思路】运用数学归纳法的步骤进行证明即可.
【解答过程】当时,不等式成立,
假设时原不等式成立,即,
则时,左边,
当时,,
即,
因此时原不等式也成立.
综上,对任意的正整数.
【变式3-2】(23-24高二下·河南南阳·期末)观察下列不等式:,,,,…….
(1)根据这些不等式,归纳出一个关于正整数n的命题;
(2)用数学归纳法证明(1)中得到的命题.
【解题思路】(1)不完全归纳得解;
(2)利用数学归纳法证明即可.
【解答过程】(1)解:不等式可写为:,,,,
所以归纳得到命题:(n为正整数).
(2)证明:①当n=1时,易知命题成立;
②假设当 时,命题成立,即.
则当时,
,
即时,命题也成立.
由①②可知,.
【变式3-3】(23-24高二上·全国·课后作业)证明不等式1+++…+<2 (n∈N*).
【解题思路】利用数学归纳法可证明,先假设n=k时成立,再证明n=k+1时成立即可.
【解答过程】当n=1时,左边=1,右边=2,左边<右边,不等式成立.
假设当n=k(k∈N*)时,不等式成立,即,
当n=k+1时,
,
所以当n=k+1时,不等式成立.
综上,原不等式对任意n∈N*都成立.
【题型4 用数学归纳法证明几何问题】
【例4】(23-24高二·全国·课堂例题)在平面上画n条直线,且任何2条直线都相交,其中任何3条直线不共点.问:这n条直线将平面分成多少个部分?
【解题思路】先通过,2,3,4,5的结果归纳出,再用数学归纳法证明即可.
【解答过程】记n条直线把平面分成个部分,我们通过,2,3,4,5,画出图形观察的情况(如图)
从图中可以看出,
,
,
,
,
.
由此猜想.
接下来用数学归纳法证明这个猜想.
(1)当,2时,结论均成立.
(2)假设当时结论成立,即.
那么,当时,第k+1条直线与前面的k条直线都相交,有k个交点,
这k个交点将这条直线分成k+1段,且每一段将原有的平面部分分成两个部分,
所以,结论也成立.
根据(1)和(2)可知,对,都有,
即.
【变式4-1】(23-24高二上·全国·课后作业)用数学归纳法证明:凸边形的内角和.
【解题思路】验证当时,结论成立;假设当时,结论成立,分析可知凸边形边形可以在以为边的与凸边形拼接而成,即可得出成立,这说明当时,结论成立,再由归纳原理可证得结论成立.
【解答过程】证明:当时,三角形的内角和为,即,结论成立;
假设当时,结论成立,即,
假设凸边形,如下图所示:
则凸边形边形可以在以为边的与凸边形拼接而成,
所以,,
这说明当时,结论成立,
故凸边形的内角和.
【变式4-2】(23-24高二·全国·课后作业)已知,且平面内有n条直线,其中任意两条不平行,任意三条不过同一点,证明这些直线的交点的个数为.
【解题思路】按照数学归纳法证明步骤证明即可.
【解答过程】证明:(1)当时,两条直线的交点只有1个,又,
所以时,命题成立;
(2)假设且时,命题成立,即平面内满足题设的任何k条直线交点个数,
那么,当时,任取一条直线l,除l以外其他k条直线的交点个数为,
因为任意两条直线不平行,所以直线l与其他k条直线的交点个数为k,又任意三条不过同一点,
所以上面k个交点两两不同,且与平面内其他的个交点也两两不同,从而k+1条直线共有个交点,
即 ,
所以当时,命题成立.
综上,原命题成立.
【变式4-3】(24-25高二·全国·课后作业)已知个半径相等的半圆的圆心在同一直线上,这个半圆每两个都相交,且都在直线的同侧,试用数学归纳法求这个半圆被所有的交点最多分成多少段圆弧.
【解题思路】设这个半圆被所有的交点最多分成段圆弧,由,,由此猜想,再用数学归纳法证明即可
【解答过程】设这个半圆被所有的交点最多分成段圆弧,
如图分别是,的情形.
由图可知,,,由此猜想.
现用数学归纳法证明该猜想.
①当时,猜想显然正确.
②假设时,猜想正确,即,
则当时,作出第个半圆,它与前个半圆均相交,最多新增个交点,
第个半圆自身被分成了段弧,同时前个半圆又各多分出1段弧,
故有,
即当时,猜想正确.
综上,对于,,都成立.
故这个半圆被所有的交点最多分成段圆弧.
【题型5 用数学归纳法证明整除问题】
【例5】(2024高二下·全国·专题练习)用数学归纳法证明“对任意偶数,能被整除时,其第二步论证应该是( )
A.假设(为正整数)时命题成立,再证时命题也成立
B.假设(为正整数)时命题成立,再证时命题也成立
C.假设(为正整数)时命题成立,再证时命题也成立
D.假设(为正整数)时命题成立,再证时命题也成立
【解题思路】根据题意可得为偶数,结合数学归纳法的证明步骤即可得出答案.
【解答过程】因为为正偶数,所以第二步的假设应写为:
假设(为正整数)时命题成立,再证时命题也成立,
即当(为正整数)时,能被整除,
再证时,能被整除.
故选:D.
【变式5-1】(23-24高一下·上海徐汇·期末)已知,存在自然数,使得对任意,都能使整除,则最大的的值为( )
A.30 B.9 C.36 D.6
【解题思路】依题意,可求得、、、的值,从而可猜得最大的的值为36,再利用数学归纳法证明即可.
【解答过程】由,得,
,,
,由此猜想.
下面用数学归纳法证明:
(1)当时,显然成立。
(2)假设时, 能被36整除,即
能被36整除;
当时,
是2的倍数,
能被36整除,
当时,也能被36整除.由(1)(2)可知对一切正整数都有能被36整除,
的最大值为36.
故选:C.
【变式5-2】(23-24高二上·全国·课后作业)用数学归纳法证明:能被整除.
【解题思路】先验证时,能被整除;假设当时,能被整除,再证明能被整除,结合归纳原理可得出结论成立.
【解答过程】证明:(1)当时,能被整除,所以结论成立;
(2)假设当时结论成立,即能被整除.
则当时,
,
因为能被整除,能被整除,
所以,能被整除,即即时结论也成立.
由(1)(2)知命题对一切都成立.
【变式5-3】(23-24高三·全国·对口高考)是否存在正整数使得对任意正整数都能被整除,若存在,求出最大的的值,并证明你的结论.若不存在说明理由.
【解题思路】
求出、的最大公约数,可得出的值,然后利用数学归纳法证明出都能被整除,即可得出结论.
【解答过程】解:,,
所以,、的最大公约数为,
猜想:对任意的,能被整除,
当时,猜想显然成立;
假设当,猜想成立,即能别整除,
即存在,使得,
则当时,
,
因为为奇数,则为偶数,则能被整除,
所以,能被整除,
这说明当时,猜想也成立,
故对任意的,对任意正整数都能被整除,且.
故的最大值为.
【题型6 用数学归纳法证明数列问题】
【例6】(24-25高二上·全国·课后作业)已知正项数列的前项和为,满足.
(1)求出数列的前三项;
(2)根据数列的前三项猜想出其一个通项公式,并用数学归纳法证明.
【解题思路】(1)分别将代入求解即可;
(2)先猜想通项公式,再应用数学归纳法及证明即可.
【解答过程】(1)当时,由已知条件可得,即,
解得;
当时,由已知条件可得,将代入得,
解得;
当时,由已知条件可得,同理解得.
(2)由(1)可以猜想,时,等式成立;
假设当时,等式也成立,即,
又因为,
将代入上式解得,
所以时命题成立.
综合可得,当时,.
【变式6-1】(24-25高二上·上海·课后作业)设数列各项均为正数,且满足(n为正整数).
(1)求数列的通项公式;
(2)试用数学归纳法证明:.
【解题思路】(1)先根据和项与通项关系求得,解得;
(2)先证明成立,再根据成立推导成立即可.
【解答过程】(1)当时
所以
当时;
(2)①当时,,即时,结论成立;
②假设当时,结论成立,即
当时,
因为
即当时,结论成立;
由①②得,.
【变式6-2】(23-24高二下·北京房山·期中)已知数列中,且.
(1)求数列的第2,3,4项;
(2)根据(1)的计算结果,猜想数列的通项公式,并用数学归纳法证明.
【解题思路】(1)由题意逐个计算即可得;
(2)由(1)的计算结果可猜想出数列的通项公式,利用数学归纳法证明即可得.
【解答过程】(1)由且,则,
,;
(2)由(1)的计算结果可猜想,证明如下:
当时,,等式成立;
假设当时等式成立,即有,
则当时,有,
即当时,等式成立;
故猜想成立.
【变式6-3】(23-24高二上·上海·课后作业)设数列的各项均为正整数,且.记.如果对于所有的正整数均有.
(1)求,,,,;
(2)猜想的通项公式,并加以证明.
【解题思路】(1)利用代入法进行求解即可;
(2)根据前五项的特点进行猜想,然后利用数学归纳法进行证明即可.
【解答过程】(1)因为数列的各项均为正整数,
所以数列是递增数列,
因为,,
所以舍去,
同理可得:舍去,舍去,舍去,
所以,,,,;
(2)猜想:,证明过程如下:
当时,显然成立,
假设当时成立,即,
当时,,
解得:,或,
因为数列的各项均为正整数,
所以数列是递增数列,
显然,
所以,舍去,
所以当时,成立,
综上所述:.
【题型7 用数学归纳法证明其他问题】
【例7】(23-24高二下·山西吕梁·期末)给出下列不等式:
,
,
,
,
(1)根据给出不等式的规律,归纳猜想出不等式的一般结论;
(2)用数学归纳法证明你的猜想.
【解题思路】(1)猜想不等式左边最后一个数分母,对应各式右端为,即得解;
(2)递推部分,利用时结论,替换括号内部分 即得证.
【解答过程】解:(1)观察不等式左边最后一个数分母的特点:
,,,,
猜想不等式左边最后一个数分母,对应各式右端为,
所以,不等式的一般结论为:
(2)证明:①当时显然成立;
②假设时结论成立,即:成立,
当时,
即当时结论也成立.
由①②可知对任意,结论都成立.
【变式7-1】(2024高三·全国·专题练习)试证用面值为3分和5分的邮票可支付任何分的邮资.
【解题思路】利用数学归纳法证明.
【解答过程】1°当n=8时,结论显然成立.
2°假设当时命题成立.
若这k分邮资全用3分票支付,则至少有3张,将3张3分票换成2张5分票就可支付k+1分邮资;
若这k分邮资中至少有一张5分票,只要将一张5分票换成2张3分票就仍可支付k+1分邮资.
故当n=k+1时命题也成立.
综上,对的任何自然数命题都成立.
【变式7-2】(23-24高一上·上海浦东新·阶段练习)已知M是满足下列条件的集合:①,;②若、,则;③若且,则.
(1)判断是否正确,说明理由;
(2)证明:“若,则”是真命题;
(3)证明:若,,则.
【解题思路】(1)结合性质①②证明,然后利用性质③即可求解;
(2)结合(1)中结论,利用数学归纳法即可求解;
(3)结合已知条件,先证明,然后证明,然后证明即可求解.
【解答过程】(1)正确,理由如下:
由①②可知,,,
由③可知,.
(2)由②可知,对于,,故只需证明对于,,
由(1)中知,,
可知,,
假设正整数,可得,
故对于,都成立,
从而“若,则”是真命题.
(3)若,且,由①②知,,,
由③知,,,
又由②③知,,则,
又由②知,,
因为,,
故时,,
因为,,所以,,
所以由(2)知,,,,
又由,则,
又因为,所以,从而,故,
从而,.
【变式7-3】(2024·上海普陀·模拟预测)如图,曲线与直线相交于,作交轴于,作交曲线于,……,以此类推.
(1)写出点和的坐标;
(2)猜想的坐标,并用数学归纳法加以证明.
【解题思路】(1)将直线,曲线方程联立,由即可求得,由垂直关系可得直线方程,令即可求得坐标,依次类推即可求得结果;
(2)由(1)可归纳出;设,,由直线方程可求得坐标,由直线斜率为可推导得到递推关系式;根据递推关系式,利用数学归纳法即可证得结论.
【解答过程】(1)由得:,即;
直线方程为:,即,
令,解得:,;
直线方程为:,由得:,即;
直线方程为:,即,
令,解得:,;
直线方程为:,
由得:,即;
直线方程为,即,
令,解得:,;
(2)由(1)猜想的坐标为,
设,,则直线的方程为:,
令,解得:,,
直线的斜率为,即,即,
,
用数学归纳法证明的坐标如下:
①当时,满足;
②假设当时,成立,
那么当时,由得:
,解得:,
即当时,成立;
综上所述:.
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