4.4 数学归纳法-【金版教程】2025-2026学年高中数学选择性必修第二册创新导学案word(人教A版)

2025-10-22
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教辅
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资源信息

学段 高中
学科 数学
教材版本 高中数学人教A版选择性必修第二册
年级 高二
章节 4.4*数学归纳法
类型 学案-导学案
知识点 -
使用场景 同步教学-新授课
学年 2025-2026
地区(省份) 全国
地区(市) -
地区(区县) -
文件格式 DOCX
文件大小 357 KB
发布时间 2025-10-22
更新时间 2025-10-22
作者 河北华冠图书有限公司
品牌系列 金版教程·高中同步导学案
审核时间 2025-10-22
下载链接 https://m.zxxk.com/soft/54489563.html
价格 3.00储值(1储值=1元)
来源 学科网

摘要:

该高中数学导学案围绕数学归纳法展开,涵盖原理(归纳奠基与递推)、应用(证明恒等式、不等式、整除问题及归纳-猜想-证明),通过知识点解析、分题型例题导入,衔接数列等前置知识,以例题和跟踪训练为支架,帮助学生掌握证明步骤。 资料题型全面,例题与跟踪训练结合,课后练习分层(基础、中档、拔高)。通过严谨递推证明培养逻辑推理,规范步骤训练数学语言,助力学生提升数学思维与运算能力,适合教师教学与学生自主学习。

内容正文:

数学 选择性必修 第二册 RJ (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正整数n有关的数学命题,发展逻辑推理素养和数学运算素养. 知识点一 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. [提醒] 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. 知识点二 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. 1.(数学归纳法的第二步)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∈N* D.k>2,k∈N* 答案:C 2.(数学归纳法中第二步的递推关系)用数学归纳法证明++…+<1(n∈N*,n≥2)时,从n=k到n=k+1,不等式左边需添加的项是(  ) A.+- B.+ C.- D. 答案:A 3.(数学归纳法的第一步)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:1×4 题型一 利用数学归纳法证明恒等式   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…=. 则当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∈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,对任意n∈N*,等式成立. 题型二 利用数学归纳法证明不等式   (1)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. 则当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,原不等式对任意n∈N*都成立. (2)用数学归纳法证明:++…+>1(n∈N*). [证明] ①当n=1时,左边=++=>1,左边>右边,不等式成立. ②假设当n=k(k∈N*)时,不等式成立, 即++…+>1, 则当n=k+1时,左边=+…++++=-+++>1+=1+->1, 即当n=k+1时,不等式也成立. 由①②可知,原不等式对任意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.(1)用数学归纳法证明:++…+<,n∈N*. 证明:①当n=1时,左边=, 右边==,命题成立. ②假设当n=k(k∈N*)时,命题成立, 即++…+<, 则当n=k+1时, ++…++<+<+===, 所以当n=k+1时,命题成立. 综上,++…+<,n∈N*. (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∈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   求证:x2n-y2n(x,y,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假设当n=k(k∈N*)时,x2k-y2k能被x+y整除, 则当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, 即当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∈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,对任意n∈N*,(3n+1)×7n-1能被9整除. 题型四 归纳—猜想—证明   设Sn为数列{an}的前n项和,且对任意n∈N*,都有Sn=+成立. (1)求a1,a2,a3; (2)猜测数列{an}的通项公式,并用数学归纳法证明. [解] (1)∵对任意n∈N*,都有Sn=+成立, ∴S1=+,a1=S1=1, S2=+,a1+a2=+,则a2=2, S3=+,a1+a2+a3=+,则a3=3. (2)由(1)猜想an=n. 证明:①当n=1时,a1=1,显然成立; ②假设当n=k(k∈N*)时,ak=k成立, 则当n=k+1时,ak+1=Sk+1-Sk=+--=+--,∴ak+1=k+1, 即当n=k+1时,等式也成立. 由①②可知,an=n对任意n∈N*都成立. 【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】 4.(1)在数列{an}中,a1=,an+1=(n∈N*). ①求a2,a3,a4; ②猜想数列{an}的通项公式,并用数学归纳法证明你的结论. 解:①a2===,a3===,a4===. ②由①猜想数列{an}的通项公式为an=. 用数学归纳法证明: (ⅰ)当n=1时,左边=a1=,右边==,结论成立. (ⅱ)假设当n=k(k∈N*)时,结论成立,即ak=,那么ak+1====, 也就是说,当n=k+1时,结论也成立. 由(ⅰ)(ⅱ)可知,结论对任意正整数n都成立,即an=. (2)数列{an}的前n项和为Sn,且满足Sn=2n-an,n∈N*. ①求a1,a2,a3,a4; ②猜想an,并用数学归纳法证明. 解:①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=. ②由①猜想an=. 用数学归纳法证明: (ⅰ)当n=1时,a1=1,猜想成立. (ⅱ)假设当n=k(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,猜想也成立. 由(ⅰ)(ⅱ)可知,对任意n∈N*,猜想均成立. 1.用数学归纳法证明1+++…+<n(n∈N*,n≥2)时,第一步需要验证的不等式是(  ) A.1+<2 B.1++<2 C.1++<3 D.1+++<3 答案:B 解析:因为n≥2,由数学归纳法可知,第一步需要证明n=2时该不等式成立,所以第一步需要验证的不等式是1++<2.故选B. 2.已知n为正偶数,用数学归纳法证明1-+-+…+-=2时,若已假设当n=k(k≥2)为偶数时命题为真,则还需要用归纳假设再证(  ) A.当n=k+1时等式成立 B.当n=k+2时等式成立 C.当n=2k+2时等式成立 D.当n=2(k+2)时等式成立 答案:B 解析:因为已假设当n=k(k≥2)为偶数时命题为真,所以n只能取偶数,故还需要证明当n=k+2时等式成立.故选B. 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.利用数学归纳法证明“(n+1)(n+2)…(n+n)=2n×1×3×…×(2n-1),n∈N*”时,从“n=k”变到“n=k+1”时,左边应增乘的因式是________. 答案:2(2k+1) 解析:由题意,当n=k时,左边为(k+1)(k+2)…(k+k);当n=k+1时,左边为(k+2)(k+3)…(k+1+k+1),从而增加两项为(2k+1)(2k+2),且减少一项为(k+1),故左边应增乘的因式为=2(2k+1). 5.设数列{an}的前n项和为Sn,且满足2Sn=a+n-1,an>0(n∈N*),则猜想{an}的通项公式为an=________. 答案:n+1 解析:分别令n=1,2,3, 得 ∵an>0,∴a1=2,a2=3,a3=4,猜想an=n+1. 课后课时精练 基础题(占比60%) 中档题(占比30%) 拔高题(占比10%) 题号 1 2 3 4 5 6 7 难度 ★ ★ ★ ★ ★★ ★ ★ 对点 数学归纳法的第一步 数学归纳法中各步表达式的写法 数学归纳法中的第二步 数学归纳法第二步中的变形方法 数学归纳法的步骤判断 数学归纳法第一步的写法 数学归纳法中的第二步 题号 8 9 10 11 12 13 14 难度 ★★ ★ ★ ★★ ★★ ★★★ ★★★ 对点 由递推关系写出数列的前几项;归纳、猜想数列的通项公式 用数学归纳法证明等式 由递推关系写出数列的前几项;猜想数列的通项公式并用数学归纳法证明 利用数学归纳法证明不等式 归纳、猜想函数表达式 用数学归纳法证明整除问题 由an,Sn之间的关系求数列的前几项;猜想数列的通项公式并用数学归纳法证明 一、选择题 1.用数学归纳法证明“n边形内角和定理:f(n)=(n-2)·180°”时,第一步应验证(  ) A.当n=1时成立 B.当n=2时成立 C.当n=3时成立 D.当n=4时成立 答案:C 解析:∵多边形的边数最少是3,即三角形,∴第一步应验证当n=3时成立.故选C. 2.下列说法正确的是(  ) A.式子1+k+k2+…+kn(n∈N*),当n=1时为1 B.式子1+k+k2+…+kn-1(n∈N*),当n=1时为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:对于A,当n=1时应为1+k,A错误;对于B,当n=1时应为1,B错误;对于D,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.故选D. 4.用数学归纳法证明“n3+(n+1)3+(n+2)3(n∈N*)能被9整除”,要利用归纳假设证当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.故选A. 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∈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“1+++…+<2-(n≥2,n∈N*)”时,第一步需要验证的不等式为________. 答案:1++<2- 解析:当n=2时,左侧=1++,右侧=2-,所以用数学归纳法证明“1+++…+<2-(n≥2,n∈N*)”时,第一步需要验证的不等式为1++<2-. 7.用数学归纳法证明“1+2+22+…+2n-1=2n-1(n∈N*)”的过程中,第二步假设当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:∵当n=k时,命题为“1+2+22+…+2k-1=2k-1”,∴当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*)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,对任意n∈N*,1+4+7+…+(3n-2)=n(3n-1)成立. 10.在数列{an}中,a1=1,且an+1=2an+n2-2n-1. (1)求a2,a3,a4,a5,并猜想{an}的通项公式; (2)用数学归纳法证明你的猜想. 解:(1)由题意可得a2=2a1-2=0, 同理可得a3=2a2-1=-1, a4=2a3+2=0,a5=2a4+7=7, 因为a1=2-1,a2=22-22,a3=23-32,a4=24-42,a5=25-52. 所以猜想an=2n-n2. (2)证明:①当n=1时,a1=21-12=1,猜想成立. ②假设当n=k(k∈N*)时成立,即ak=2k-k2. 则当n=k+1时,ak+1=2ak+k2-2k-1=2(2k-k2)+k2-2k-1=2k+1-(k+1)2. 所以当n=k+1时,猜想也成立. 由①②可知,猜想成立,即an=2n-n2. 11.(多选)设f(x)是定义在正整数集上的函数,且f(x)满足:“当f(k)≥k2成立时,总可推出f(k+1)≥(k+1)2成立”,那么下列说法正确的是(  ) A.若f(3)≥9成立,则当k≥3时,均有f(k)≥k2成立 B.若f(5)≥25成立,则当k≥5时,均有f(k)≥k2成立 C.若f(7)<49成立,则当k≥8时,均有f(k)<k2成立 D.若f(4)=25成立,则当k≥4时,均有f(k)≥k2成立 答案:ABD 解析:对于A,若f(3)≥9成立,由题意可得,当k≥3时,均有f(k)≥k2成立,故A正确;对于B,若f(5)≥25成立,则当k≥5时,均有f(k)≥k2成立,故B正确;对于C,因为f(7)<49不满足题设条件,故不能得出相应结论,故C不正确;对于D,若f(4)=25>16成立,则当k≥4时,均有f(k)≥k2成立,故D正确.故选ABD. 12.已知函数f(x)=,若f1(x)=f(x),f2(x)=f(f1(x)),…,fn(x)=f(fn-1(x)),猜想fn(x)的函数表达式为________. 答案:fn(x)=(n∈N*) 解析:f1(x)=f(x)=,f2(x)=f(f1(x))==,f3(x)=f(f2(x))==,f4(x)=f(f3(x))==,猜想fn(x)=(n∈N*). 13.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∈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, 故当n=k+1时,命题成立. 由①②知,对任意正整数n,34n+2+52n+1能被14整除. 14.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:对任意n∈N*,an=-. 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=-, ∴当n=k+1时,猜想成立. 由①②可知,对任意n∈N*,an=- . 14 学科网(北京)股份有限公司 $

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