第24讲 推理证明与数学归纳法

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  考情分析
  推理是数学的基本思维过程,也是人们学习和生活中经常使用的思维方式.要求考生通过对已有知识的回顾与总结,进一步体会直观感知、观察发现、归纳类比、空间想象、抽象概括、符号表示、运算求解、数据处理、演绎证明、反思与建构等数学思维过程以及合情推理、演绎推理之间的联系与差异,体会数学证明的特点,了解数学证明的基本方法.由于解答高考试题的过程就是推理的过程,因此本部分内容的考查将会渗透到每一个高考题中.从近几年的新课标高考来看,高考对本部分的考查多以选择或填空题的形式出现,主要考查利用归纳推理、类比推理去寻求更为一般的、新的结论,试题的难度以低、中档题为主.当然有些省市(如山东卷、广东卷、海南、宁夏)没有单独考查此内容,因为解答与证明题本身就是一种合情推理与演绎推理,作为一种推理工具是很容易被解答题与证明题接受的.
  命题特点
  本讲考查的范围宽,内容多,涉及数学知识的方方面面,这为创新性试题的命制提供了空间.
  从近几年高考试题中可以看出,高考命题在推理与证明方法的考查呈现以下特点.(1)考查的主要方式是对它们原理的理解和用法,难度多为中档题,也有高档题;(2)从考查形式上看,主要以不等式、立体几何、解析几何、函数与方程、数列等知识为载体,考查综合法、分析法、反证法等方法;(3)与导数、数列、不等式相结合,用数学归纳法证明不等式是命题的热点.
  1. 运用归纳推理与类比推理发现结论
  例1 在平面几何里,有“若[△ABC]的三边长分别为[a,b,c]内切圆半径为[r],则三角形面积为[SΔABC=12a+b+cr]”,拓展到空间,类比上述结论,“若四面体[ABCD]的四个面的面积分别为[S1,S2,S3,S4],内切球的半径为[r],则四面体的体积为________”.
  解析 三角形的面积类比为四面体的体积,三角形的边长类比为四面体四个面的面积,内切圆半径类比为内切球的半径.二维图形中[12]类比为三维图形中的[13],得四面体[ABCD]的体积[V=13S1+S2+S3+S4r].
  答案 [V=13S1+S2+S3+S4r].
  点拨 归纳常常从观察开始,观察、实验、对有限的资料作归纳整理,提出带有规律性的猜想,是数学研究的基本方法之一.虽然由归纳推理所得到的结论未必是正确的,但它所具有的由特殊到一般,由具体到抽象的认知功能,对于数学的发现却是十分有用的.
  2. 利用综合法证明有关命题
  例2 如果[a,b]都是正数,且[a≠b],
  求证:[a6+b6>a4b2+a2b4].
  解析 因为[a6+b6-(a4b2+a2b4)=a4(a2-b2)+b4(b2-a2)][=(a2-b2)(a4-b4)]=[(a2+b2)(a2-b2)2],
  又因为[a>0,b>0]且[a≠b],
  所以[(a2+b2)(a2-b2)2>0],即[a6+b6>a4b2+a2b4].
  点拨 作差法属于综合法的一种,利用综合法时,从已知出发,进行运算和推理得到要证明的结论.
  3. 利用分析法证明有关命题
  例3 求证:[a-a-1  解析 要证[a-a-1  所以只需证明[a(a-3)<(a-2)(a-1)(a≥3)],两边平方得[a2-3a  ∵[0<2]恒成立,∴原不等式得证.
  点拨 (1)在证明过程中,若使用综合法出现困难时,应及时调整思路,分析一下要证明结论成立需要怎样的充分条件是明智之举.从结论出发,结合已知条件,逐步反推,寻找使当前命题成立的充分条件.
  (2)用分析法证明问题时,一定要恰当地用好“要证”“只需证”“即证”“也即证”等词语.
  4. 反证法证明相关问题
  例4 若[a,b,c]均为实数,且[a=x2-2y+π2],[b=y2][-2z+π3],[a=z2-2x+π6],求证:[a,b,c]中至少有一个大于0.
  解析 设[a,b,c]都不大于0,则[a≤0,b≤0,c≤0],所以[a+b+c≤0].
  而[a+b+c=(x2-2y+π2)-(y2-2z+π3)+(z2-2x+π6)]
  =[(x2-2x)+(y2-2y)+(z2-2z)+π]
  =[(x-1)2-(y-1)2+(z-1)2+π-3],
  所以[a+b+c>0],这与[a+b+c≤0]矛盾,
  故[a,b,c]中至少有一个大于0.
  点拨 从正面证明,需要分成多种情况进行分类讨论,而从反面进行证明,只要研究一种或很少的几种情形的问题多用反证法.比如这类带有“至少有一个”等字样的数学问题.
  5. 数学归纳法
  例5 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];
  (2)设数列[{an}]的通项[an=loga(1+1bn)](其中[a>0]且[a≠1]),记[Sn]是数列[{an}]的前[n]项和,试比较[Sn]与[13logabn+1]的大小,并证明你的结论.
  解析 (1)设[{bn}]的公差为[d],由题意得,
  [b1=1,10b1+10(10-1)2d=145,?b1=1,d=3,]∴bn=3n-2.   (2)由①知,[Sn=loga(1+1)+loga(1+14)+…+][loga(1+13n-2)=loga[(1+1)(1+14)…(1+13n-2)],]
  而[13=][loga3n+13],
  于是比较 [Sn]与[13logabn+1]的大小[?]比较[(1+1)(1+14)…(1+13n-2])与[3n+13]的大小.
  取[n=1],有[(1+1)=83>43=3?1+13].
  取[n=2],有[(1+1)(1+14)>83>73=3×2+13].
  推测 [(1+1)(1+14)…(1+13n-2)>][3n+13](*),下面用数学归纳法证明.
  (1)当[n=1]时,已验证(*)式成立.
  (2)假设[n=k(k≥1)]时(*)式成立,即[(1+1)(1+14)…][(1+13k-2)>][3k+13],
  则当[n=k+1]时, [(1+1)(1+14)…(1+13k-2)(1+13(k+1)-2)>]
  [3k+13(1+13k+1)][=3k+23k+13k+13],
  ∵[(3k+23k+13k+13)3-(3k+43)3]
  [=(3k+2)3-(3k+4)(3k+1)2(3k+1)2=9k+4(3k+1)2>0],
  ∴[3k+133k+1(3k+2)>3k+43=3(k+1)+13],
  [∴(1+1)(1+14)…(1+13k-2)(1+13k-1)>3(k+1)+13],
  即当[n=k+1]时,(*)式成立.
  综上可知,(*)式对任意正整数[n]都成立.
  于是,当[a>1]时,[Sn>13logabn+1].
  当[0  点拨 比较大小的方法常用的有:作差比较法、作商比较法、函数单调性法等等.此例采用的方法为“计算、归纳、猜想、论证”的方法,即通过计算、归纳,猜想得出一般性的结论,然后用数学归纳法加以证明.这也是解决问题的一种常用方法.
  备考指南
  1. 在进行类比推理时要尽量从本质上去类比,不要被表面现象迷惑,否则,只抓住一点表面现象的相似甚至假象去类比,就会犯机械类比的错误.
  2. 合情推理是从已知的结论推测未知的结论,发现与猜想的结论都要经过进一步严格证明;演绎推理是由一般到特殊的推理,它常用来证明和推理数学问题,注意推理过程的严密性,书写格式的规范性.
  3. 综合法与分析法的关系:分析法与综合法相辅相成,对较复杂的问题,常常先从结论进行分析,寻求结论与条件、基础知识之间的关系,找到解决问题的思路,再运用综合法证明,或者在证明时将两种方法交叉使用.
  4. (1)利用反证法证明数学问题时,要假设结论错误,并用假设命题进行推理,没有用假设命题推理而推出矛盾结果,其推理过程是错误的.
  (2)用分析法证明数学问题时,要注意书写格式的规范性,常常用“要证(欲证)…”“即要证…”“就要证…”等分析到一个明显成立的结论[P],再说明所要证明的数学问题成立.
  限时训练
  1. 观察下列各式:[55=3125,56=15625,57=78125,…,]则[52014]的末四位数字为 ( )
  A.[3125] B.[5625] C.[0625] D.[8125]
  2.已知结论:在正三角形[ABC]中,若[D]是边[BC]的中点,[G]是三角形[ABC]的重心,则[AGGD=2].若把该结论推广到空间中,则有结论:在棱长都相等的四面体[ABCD]中,若[△BCD]的中心为[M],四面体内部一点[O]到四面体各面的距离都相等,则[AOOM]等于 ( )
  A.1 B.2 C.3 [ 11 12 12 13 16 13 14 112 112 1415 120 130 120 15 …] D.4
  3.如图所示的三角形数阵叫“莱布尼兹调和三角形”,它们是由整数的倒数组成的,第[n]行有[n]个数且两端的数均为[1n(n≥2)],其余每个数是它下一行左右相邻两数的和,如[11=12+12],[12=13+16],[13=14+112],…,则第[7]行第[4]个数(从左往右数)为 ( )
  A. [1140] B. [1105] C. [160] D. [142]
  4.[p=ab+cd,q=ma+nc?bm+dn(m,n,a,b,c,d)]均为正数,则[p,q]的大小为 ( )
  A.[p≥q] B.[p≤q] C.[p>q] D.不确定
  5. 设[a=lg2+lg5],[b=ex(x<0)],则[a]与[b]的大小关系为 ( )
  A.[a>b] B.[a  6. 某个与正整数[n]有关的命题,如果当[n=k(n∈N?,k≥1)]时,该命题成立,则一定可推得当[n=k+1]时,该命题也成立,现已知[n=5]时,该命题不成立,则 ( )
  A. [n=4]时,该命题成立
  B. [n=6]时,该命题成立
  C. [n=4]时,该命题不成立
  D. [n=6]时,该命题不成立
  7. 用数学归纳法证明不等式[1n+1+1n+2+…][+12n<1324(n≥2,n∈N)]的过程中,由[n=k]递推到[n=k+1]时,不等式左边 ( )
  A. 增加了一项
  B. 增加了两项[12k+1,12k+2]   C. 增加了B中两项但减少了一项[1k+1]
  D. 以上各种情况均不对
  8.给出下列三个类比结论:①[(ab)n=anbn]与[(a+b)n]类比,则有[(a+b)n=an+bn];②[loga(xy)=logax+logay]与[sin(α+β)]类比,则有[sin(α+β)=sinαsinβ];③[(a+b)2][=a2+2ab+b2]与[(a+b)2]类比,则有[(a+b)2=a2+2ab+b2].其中结论正确的个数是 ( )
  A.0 B.1 C.2 D.3
  9. “因为指数函数[y=ax]是增函数(大前提),而[y=(13)x]是指数函数(小前提),所以函数[y=(13)x]是增函数(结论)”,上面推理的错误在于 ( )
  A.大前提错误导致结论错误
  B.小前提错误导致结论错误
  C.推理形式错误导致结论错误
  D.大前提和小前提错误导致结论错误
  10.一个赛跑机器人有如下特性:①步长可以人为地设置成0.1米,0.2米,0.3米,…,1.8米或1.9米;②发令后,机器人第一步立刻迈出设置的步长,且每一步的行走过程都在瞬时完成;③当设置的步长为[a]米时,机器人每相邻两个迈步动作恰需间隔[a]秒.则这个机器人跑50米(允许超出50米)所需的最少时间是 ( )
  A.48.6秒 B.47.6秒
  C.48秒 D.47秒
  11.如图所示,第[n]个图形是由正[n+2]边形拓展而来[(n=1,2,…)],则第[n-2]个图形共有_____个顶点. [①][②][③][④]
  [12]. 如图都是由边长为[1]的正方体叠成的图形,例如第([1])个图形的表面积为[6]个平方单位,第([2])个图形的表面积为[18]个平方单位,第([3])个图形的表面积是[36]个平方单位.依此规律,则第[n]个图形的表面积是__________个平方单位.
  [(1)][(2)][(3)][(4)]
  13.设函数[f(x)=xx+2(x>0),]观察[f1(x)=f(x)=xx+2,] [f2(x)=f[f1(x)]=x3x+4],[f3(x)=f[f2(x)]=x7x+8],[f4(x)=f[f3(x)]]
  [=x15x+16]…
  根据以上事实,由归纳推理可得,当[n∈N+且n>1]时,[fn(x)=f[fn-1(x)]=]________.
  14.设数列[11,12,21,][13,22,31,…,][1k,2k-1,…,k1,….]这个数列第[2010]项的值是________;这个数列中,第[2010]个值为[1]的项的序号是__________.
  15.在各项为正的数列[an]中,数列的前[n]项和[Sn]满足[Sn=12(an+1an)].
  (1)求[a1,a2,a3];
  (2)由(1)猜想数列[an]的通项公式,并且用数学归纳法证明你的猜想.
  16.已知函数[f(x)=ax+x-2x+1(a>1)].
  (1)证明:函数[f(x)]在[(-1,+∞)]上为增函数;
  (2)用反证法证明[f(x)=0]没有负根.
  17.数列[an]的前[n]项和记为[Sn],已知[a1=1],[an+1=n+2nSn(n∈N+)].证明:
  (1)数列[Snn]是等比数列;
  (2)[Sn+1=4an].
  18.在数列[an,bn]中,[a1=2,b1=4],且[an,bn,an+1]成等差数列,[bn,an+1,bn+1]成等比数列[(n∈N?)].
  (1)求[a2,a3,a4]及[b2,b3,b4],由此猜测[an,bn]的通项公式,并证明你的结论;
  (2)证明:[1a1+b1+1a2+b2+…+1an+bn<512].
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