用数学归纳法证明不等式一数学归纳法
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不等式证明的基本方法
1.数学归纳法:归纳法是数学证明中最常用的方法之一,通常用来证
明自然数的性质。
对于不等式证明来说,如果我们希望证明不等式对于所
有自然数都成立,可以使用数学归纳法。
首先证明当自然数为1时不等式
成立,然后假设当自然数为k时不等式成立,再证明当自然数为k+1时不
等式也成立。
通过这种逐步推导的方法,可以证明不等式对于所有自然数
都成立。
2.数学推理法:数学推理法是一种基于数学定理和公理的推理方法,
通过逻辑推理来证明不等式的成立。
这种方法通常需要使用一些已知的数
学定理和性质来推导出不等式。
例如,可以使用数学的四则运算定律、平
方差公式、三角不等式等来推导不等式。
3.数学变换法:数学变换法是一种将不等式进行变换的方法,通过变
换不等式的形式来证明不等式的成立。
这种方法通常需要使用一些数学中
常见的变换方法,例如平方去根、换元法、倍加倍减等。
通过适当的变换,可以将不等式转化为更简单的形式,从而更容易证明。
无论采用哪种方法,不等式的证明都需要逻辑严谨、推理正确,以及
对数学定理和性质的熟练应用。
在实际证明中,常常需要综合运用多种方
法来解决问题,使得证明更加简洁和明了。
此外,证明中的每一步变换和
推理都需要严格地说明和证明,避免出现漏洞和错误。
数学归纳法证明不等式归纳法由有限多个个别的特殊事例得出一般结论的推理方法。
那怎么用归纳法来证明不等式呢? 接下来店铺为你整理了数学归纳法证明不等式,一起来看看吧。
数学归纳法证明不等式的基本知识数学归纳法的基本原理、步骤和使用范围(1)在数学里,常用的推理方法可分为演绎法和归纳法,演绎法一般到特殊,归纳法是由特殊到一般.由一系列有限的特殊事例得出一般结论的推理方法,通常叫归纳法。
在归纳时,如果逐个考察了某类事件的所有可能情况,因而得出一般结论,那么结论是可靠的.这种归纳法叫完全归纳法(通常也叫枚举法)如果考察的只是某件事的部分情况,就得出一般结论,这种归纳法叫完全归纳法.这时得出的结论不一定可靠。
数学问题中,有一类问题是与自然数有关的命题,因为自然数有无限多个,我们不可能就所有的自然数一一加以验证,所以用完全归纳法是不可能的.然而只就部分自然数进行验证所得到的结论,是不一定可靠的例如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,如果由此作出结论——对于任何n∈N+, an=(n2-5n+5)2=1都成立,那是错误的.事实上,a5=25≠1.因此,就需要寻求证明这一类命题的一种切实可行、比较简便而又满足逻辑严谨性要求的新的方法——数学归纳法.(2)数学归纳法是一种重要的数学证明方法,其中递推思想起主要作用。
形象地说,多米诺骨牌游戏是递推思想的一个模型,数学归纳法的基本原理相当于有无限多张牌的多米诺骨牌游戏,其核心是归纳递推.一般地,当要证明一个命题对于不小于某正整数n0的所有正整数n都成立时,可以用一下两个步骤:(1)证明当n=n0(例如n0=1或2等)时命题成立;(2)假设当n=k(k∈N+,且k≥n0)时命题成立,证明当n=k+1时命题也成立.在完成了这两个步骤以后,就可以断定命题对于不小于n0所有自然数都成立.这种证明方法称为数学归纳法.自然数公理(皮亚诺公理)中的“归纳公理”是数学归纳法的理论根据,数学归纳法的两步证明恰是验证这条公理所说的两个性质.数学归纳法的适用范围仅限于与自然数n有关的命题.这里的n是任意的正整数,它可取无限多个值.附录:下面是自然数的皮亚诺公理,供有兴趣的同学阅读.任何一个象下面所说的非空集合N的元素叫做自然数,在这个集合中的某些元素a与b之间存在着一种基本关系:数b是数a后面的一个“直接后续”数,并且满足下列公理:①1是一个自然数;②在自然数集合中,每个自然数a有一个确定“直接后续”数a’;③a’≠1,即1不是任何自然数的“直接后续”数;④由a’ =b’推出a=b,这就是说,每个自然数只能是另一个自然数的“直接后续”数;⑤设M是自然数的一个集合,如果它具有下列性质:(Ⅰ)自然数1属于M,(Ⅱ)如果自然数a属于M,那么它的一个“直接后续”数a’也属于M,则集合M包含一切自然数.其中第5条公理又叫做归纳公理,它是数学归纳法的依据.(3)数学归纳法可以证明与自然数有关的命题,但是,并不能简单地说所有涉及正整数n的命题都可以用数学归纳法证明.例如用数学归纳法证明(1+1)n(n∈N+)的单调性就难以实现.一般来说,n从k=n到k=n+1时,如果问题中存在可利用的递推关系,则数学归纳法有用武之地,否则使用数学归纳法就有困难.数学归纳法证明不等式例题。
数学归纳法证明不等式的两个技巧数学归纳法是一种数学证明方法,常用于证明自然数的性质。
它的基本思想是:首先证明当n为一些特定的自然数时,不等式成立;然后假设当n为一些自然数时,不等式也成立;最后利用这个假设证明当n为n+1时,不等式仍然成立。
下面将介绍两种常用的数学归纳法证明不等式的技巧。
技巧一:基础情况的证明在使用数学归纳法证明不等式时,首先需要证明基础情况,即当n为一些特定的自然数时,不等式是否成立。
例如,我们想要证明对于任意的正整数n,都有1+2+3+...+n≤n²。
基础情况是n=1时,不等式左边为1,右边为1²=1,不等式成立。
技巧二:归纳假设的运用假设当n为一些自然数时,不等式也成立,即假设1+2+3+...+n≤n²成立。
然后我们要利用这个假设来证明当n为n+1时,不等式仍然成立。
例如,我们要证明对于任意的正整数n,都有1+2+3+...+n+(n+1)≤(n+1)²。
根据归纳假设,我们可以得到1+2+3+...+n≤n²,所以我们可以将不等式右边的(n+1)²展开为n²+2n+1现在,我们需要证明1+2+3+...+n+(n+1)≤n²+2n+1、我们可以逐步将左边拆分成两部分,即(1+2+3+...+n)+(n+1)。
根据归纳假设,我们知道前一部分不大于n²,所以该不等式可以进一步简化为n²+(n+1)≤n²+2n+1最后,可以发现左边的n²+(n+1)小于等于右边的n²+2n+1,因为(n+1)小于等于2n+1、所以,我们得到了当n为n+1时,不等式仍然成立。
综上所述,通过基础情况的证明和归纳假设的运用,可以使用数学归纳法证明不等式。
这两个技巧可以帮助我们在证明过程中合理利用已有的条件和假设,从而简化证明的过程。
3.2 用数学归纳法证明不等式,贝努利不等式3.2.1 用数学归纳法证明不等式3.2.2 用数学归纳法证明贝努利不等式1.会用数学归纳法证明简单的不等式.2.会用数学归纳法证明贝努利不等式;理解贝努利不等式的应用条件.[根底·初探]教材整理1用数学归纳法证明不等式在不等关系的证明中,有多种多样的方法,其中数学归纳法是最常用的方法之一,在运用数学归纳法证不等式时,推导“k+1〞成立时其他的方法如比拟法、分析法、综合法、放缩法等常被灵敏地运用.教材整理2贝努利不等式1.定理1(贝努利不等式)设x>-1,且x≠0,n为大于1的自然数,那么(1+x)n>1+nx.2.定理2(选学)设α为有理数,x>-1,(1)假如0<α<1,那么(1+x)α≤1+αx;(2)假如α<0或者α>1,那么(1+x)α≥1+αx.当且仅当x=0时等号成立.事实上,当α是实数时,也是成立的.,那么2n与n的大小关系是()设n∈N+A.2n>nB.2n<nC.2n=nD.不确定【解析】2n=(1+1)n,根据贝努利不等式有(1+1)n≥1+n×1=1+n,上式右边舍去1,得(1+1)n>n,即2n>n.【答案】 A[质疑·手记]预习完成后,请将你的疑问记录,并与“小伙伴们〞讨论交流:疑问1: 解惑: 疑问2: 解惑: 疑问3: 解惑:[小组合作型]数学归纳法证明不等式S n =1+12+13+…+1n (n >1,n ∈N +),求证:S 2n >1+n2(n ≥2,n ∈N +). 【精彩点拨】 求S n 再证明比拟困难,可运用数学归纳法直接证明,注意S n 表示前n 项的和(n >1),首先验证n =2,然后证明归纳递推.【自主解答】 (1)当n =2时,S 22=1+12+13+14=2512>1+22,即n =2时命题成立.(2)假设n =k (k ≥2,k ∈N +)时命题成立,即S 2k =1+12+13+…+12k >1+k2. 当n =k +1时,S 2k +1=1+12+13+…+12k +12k +1+…+12k +1>1+k 2+2k 2k +2k =1+k 2+12=1+k +12.故当n =k +1时,命题也成立.由(1)(2)知,对n ∈N +,n ≥2,S 2n >1+n2都成立.此题容易犯两个错误,一是由n =k 到n =k +1项数变化弄错,认为12k 的后一项为12k +1,实际上应为12k +1;二是12k +1+12k +2+…+12k +1共有多少项之和,实际上 2k +1到2k +1是自然数递增,项数为2k +1-(2k +1)+1=2k .[再练一题]1.假设在本例中,条件变为“设f (n )=1+12+13+…+1n (n ∈N +),由f (1)=1>12,f (3)>1,f (7)>32,f (15)>2,…〞 .试问:你能得到怎样的结论?并加以证明.【解】 数列1,3,7,15,…,通项公式为a n =2n -1,数列12,1,32,2,…,通项公式为a n =n2,∴猜测:f (2n -1)>n2.下面用数学归纳法证明:①当n =1时,f (21-1)=f (1)=1>12,不等式成立.②假设当n =k (k ≥1,k ∈N +)时不等式成立, 即f (2k -1)>k2, 那么f (2k +1-1)=f (2k-1)+12k +12k +1+…+12k +1-2+12k +1-1>f (2k-1)+=f (2k-1)+12>k 2+12=k +12.∴当n =k +1时不等式也成立.据①②知对任何n ∈N +原不等式均成立.利用数学归纳法比拟大小设P n =(1+x )n ,Q n =1+nx +n (n -1)2x 2,n ∈N +,x ∈(-1,+∞),试比拟P n 与Q n 的大小,并加以证明.【导学号:38000059】【精彩点拨】 此题考察数学归纳法的应用,解答此题需要先对n 取特殊值,猜测P n 与Q n 的大小关系,然后利用数学归纳法证明.【自主解答】 (1)当n =1,2时,P n =Q n .(2)当n ≥3时,(以下再对x 进展分类). ①假设x ∈(0,+∞),显然有P n >Q n . ②假设x =0,那么P n =Q n . ③假设x ∈(-1,0),那么P 3-Q 3=x 3<0,所以P 3<Q 3.P 4-Q 4=4x 3+x 4=x 3(4+x )<0,所以P 4<Q 4. 假设P k <Q k (k ≥3),那么P k +1=(1+x )P k <(1+x )Q k =Q k +xQ k =1+kx +k (k -1)x 22+x +kx 2+k (k -1)x 32=1+(k +1)x +k (k +1)2x 2+k (k -1)2x 3 =Q k +1+k (k -1)2x 3<Q k +1, 即当n =k +1时,不等式成立. 所以当n ≥3,且x ∈(-1,0)时,P n <Q n .1.利用数学归纳法比拟大小,关键是先用不完全归纳法归纳出两个量的大小关系,猜测出证明的方向,再用数学归纳法证明结论成立.2.此题除对n 的不同取值会有P n 与Q n 之间的大小变化,变量x 也影响P n 与Q n 的大小关系,这就要求我们在探究大小关系时,不能只顾“n 〞,而无视其他变量(参数)的作用.[再练一题]2.数列{a n },{b n }与函数f (x ),g (x ),x ∈R ,满足条件:b 1=b ,a n =f (b n )=g (b n+1)(n ∈N +),假设函数y =f (x )为R 上的增函数,g (x )=f -1(x ),b =1,f (1)<1,证明:对任意x ∈N +,a n +1<a n .【证明】 因为g (x )=f -1(x ),所以a n =g (b n +1)=f -1(b n +1),即b n +1=f (a n ).下面用数学归纳法证明a n +1<a n (n ∈N +). (1)当n =1时,由f (x )为增函数,且f (1)<1,得 a 1=f (b 1)=f (1)<1, b 2=f (a 1)<f (1)<1, a 2=f (b 2)<f (1)=a 1, 即a 2<a 1,结论成立.(2)假设n =k 时结论成立,即a k +1<a k .由f (x )为增函数,得f (a k +1)<f (a k ),即b k +2<b k +1. 进而得f (b k +2)<f (b k +1),即a k +2<a k +1. 这就是说当n =k +1时,结论也成立. 根据(1)和(2)可知,对任意的n ∈N +,a n +1<a n .利用贝努利不等式证明不等式设n 为正整数,记a n =⎝ ⎛⎭⎪⎫1+1n n +1,n =1,2,3,….求证:a n +1<a n .【精彩点拨】 用求商比拟法证明a n +1<a n ,其中要用贝努利不等式. 【自主解答】 由a n 的意义知对一切n =1,2,3,…都成立. ∴只需证明a na n +1>1,n =1,2,3,….由于a n a n +1=⎝ ⎛⎭⎪⎫1+1n n +1⎝ ⎛⎭⎪⎫1+1n +1n +2=⎣⎢⎢⎡⎦⎥⎥⎤1+1n 1+1n +1n +1×⎝ ⎛⎭⎪⎫1+1n +1-1 =⎣⎢⎢⎡⎦⎥⎥⎤(n +1)(n +1)n (n +2)n +1×n +1n +2=⎣⎢⎢⎡⎦⎥⎥⎤1+n (n +2)n (n +2)n +1×n +1n +2=⎣⎢⎡⎦⎥⎤1+1n (n +2)n +1×n +1n +2,因此,根据贝努利不等式, 有a na n +1>⎣⎢⎡⎦⎥⎤1+(n +1)×1n (n +2)×n +1n +2>⎝ ⎛⎭⎪⎪⎫1+n +1n 2+2n +1×n +1n +2 =⎝ ⎛⎭⎪⎫1+1n +1×n +1n +2=1. ∴a n >a n +1对于一切正整数n 都成立.此题在证明的过程中,综合运用了求商比拟法,放缩法,进而通过贝努利不等式证明不等式成立.[再练一题]3.设a 为有理数,x >-1.假如0<a <1,证明:(1+x )a ≤1+ax ,当且仅当x =0时等号成立.【证明】 0<a <1,令a =mn ,1≤m <n ,其中m ,n 为正整数,那么由平均值不等式,得(1+x )a=(1+x )mn≤m (1+x )+(n -m )n =mx +n n =1+m n x =1+ax ,当且仅当1+x =1,即x =0时,等号成立.[探究共研型]放缩法在数学归纳法证明不等式中的应用探究【提示】 放缩法是不等式证明中最重要的变形方法之一,放缩必须有目的.而且要恰到好处,目的往往要从证明的结论考虑.常用的放缩方法有增项、减项、利用分式的性质、利用不等式的性质、利用不等式、利用函数的性质进展放缩等.比方:舍去或加上一些项:⎝ ⎛⎭⎪⎫a +122+34>⎝ ⎛⎭⎪⎫a +122;将分子或分母放大(缩小):1k 2<1k (k -1),1k 2>1k (k +1),1k <2k +k -1,1k >2k +k +1(k ∈R ,k >1)等.证明:2n +2>n 2(n ∈N +). 【精彩点拨】验证n =1,2,3时不等式成立⇒假设n =k 成立,推证n =k +1⇒n =k +1成立,结论得证【自主解答】 (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,不等式成立,即2k +2>k 2(k ∈N +). 当n =k +1时,2k +1+2=2·2k +2 =2(2k +2)-2>2k 2-2 =k 2+2k +1+k 2-2k -3=(k 2+2k +1)+(k +1)(k -3)≥k 2+2k +1=(k +1)2.(因为k ≥3,那么k -3≥0,k +1>0)所以2k+1+2>(k+1)2,故当n=k+1时,原不等式也成立.根据(1)(2)知,原不等式对于任何n∈N+都成立.1.本例中,针对目的k2+2k+1,由于k的取值范围(k≥1)太大,不便于缩小.因此,用增加奠基步骤(把验证n=1扩大到验证n=1,2,3)的方法,使假设中k的取值范围适当缩小到k≥3,促使放缩成功,到达目的.2.利用数学归纳法证明数列型不等式的关键是由n=k到n=k+1的变形.为满足题目的要求,常常要采用“放〞与“缩〞等手段,但是放缩要有度,这是一个难点,解决这个难题一是要仔细观察题目构造,二是要靠经历积累.[再练一题]4.设x>-1,且x≠0,n为大于1的自然数,用数学归纳法证明(1+x)n>1+nx.【证明】(1)当n=2时,由x≠0,知(1+x)2=1+2x+x2>1+2x,因此n=2时命题成立.(2)假设n=k(k≥2为正整数)时命题成立,即(1+x)k>1+kx,那么当n=k+1时,(1+x)k+1=(1+x)k(1+x)>(1+kx)(1+x)=1+x+kx+kx2>1+(k+1)x.即n=k+1时,命题也成立.由(1)(2)及数学归纳法知原命题成立.不等式中的探究、猜测、证明探究2【提示】 利用数学归纳法解决探究型不等式的思路是先通过观察、判断,猜测出结论,然后用数学归纳法证明.这种分析问题和解决问题的思路是非常重要的,特别是在求解存在型或探究型问题时.假设不等式1n +1+1n +2+1n +3+…+13n +1>a 24对一切正整数n 都成立,求正整数a 的最大值,并证明你的结论.【导学号:38000060】【精彩点拨】 先通过n 取值计算,求出a 的最大值,再用数学归纳法进展证明,证明时,根据不等式特征,在第二步,运用比差法较方便.【自主解答】 当n =1时,11+1+11+2+13×1+1>a 24,那么2624>a24,∴a <26. 又a ∈N +,∴取a =25. 下面用数学归纳法证明1n +1+1n +2+…+13n +1>2524. (1)n =1时,已证.(2)假设当n =k 时(k ≥1,k ∈N +),1k +1+1k +2+…+13k +1>2524, ∴当n =k +1时,1(k +1)+1+1(k +1)+2+…+13k +1+13k +2+13k +3+13(k +1)+1=⎝⎛⎭⎪⎫1k +1+1k +2+…+13k +1+⎝ ⎛ 13k +2+13k +3+⎭⎪⎫13k +4-1k +1 >2524+⎣⎢⎡⎦⎥⎤13k +2+13k +4-23(k +1). ∵13k +2+13k +4=6(k +1)9k 2+18k +8>23(k +1),∴13k +2+13k +4-23(k +1)>0,∴1(k +1)+1+1(k +1)+2+…+13(k +1)+1>2524也成立.由(1)(2)可知,对一切n ∈N +, 都有1n +1+1n +2+…+13n +1>2524,∴a 的最大值为25.1.不完全归纳的作用在于发现规律,探究结论,但结论必须证明.2.此题中从n =k 到n =k +1时,左边添加项是13k +2+13k +3+13k +4-1k +1,这一点必须清楚.[再练一题]5.设a n =1+12+13+…+1n (n ∈N +),是否存在n 的整式g (n ),使得等式a 1+a 2+a 3+…+a n -1=g (n )(a n -1)对大于1的一切正整数n 都成立?证明你的结论.【解】 假设g (n )存在,那么当n =2时, 由a 1=g (2)(a 2-1),即1=g (2)⎝ ⎛⎭⎪⎫1+12-1,∴g (2)=2; 当n =3时,由a 1+a 2=g (3)(a 3-1), 即1+⎝ ⎛⎭⎪⎫1+12=g (3)⎝ ⎛⎭⎪⎫1+12+13-1,∴g (3)=3,当n =4时,由a 1+a 2+a 3=g (4)(a 4-1), 即1+⎝ ⎛⎭⎪⎫1+12+⎝ ⎛⎭⎪⎫1+12+13=g (4)⎝ ⎛⎭⎪⎫1+12+13+14-1,∴g (4)=4,由此猜测g (n )=n (n ≥2,n ∈N +).下面用数学归纳法证明:当n ≥2,n ∈N +时,等式a 1+a 2+a 3+…+a n -1=n (a n -1)成立.(1)当n =2时,a 1=1,g (2)(a 2-1)=2×⎝ ⎛⎭⎪⎫1+12-1=1, 结论成立.(2)假设当n =k (k ≥2,k ∈N +)时结论成立,即a 1+a 2+a 3+…+a k -1=k (a k -1)成立,那么当n =k +1时,a 1+a 2+…+a k -1+a k=k (a k -1)+a k =(k +1)a k -k=(k +1)a k -(k +1)+1=(k +1)⎝ ⎛⎭⎪⎫a k +1k +1-1=(k +1)(a k +1-1), 说明当n =k +1时,结论也成立,由(1)(2)可知,对一切大于1的正整数n ,存在g (n )=n 使等式a 1+a 2+a 3+…+a n -1=g (n )(a n -1)成立.[构建·体系]1.用数学归纳法证不等式:1+12+14+…+12n -1>12764成立,起始值至少取( )A.7B.8C.9D.10【解析】 左边等比数列求和S n =1-⎝ ⎛⎭⎪⎫12n 1-12=2⎣⎢⎡⎦⎥⎤1-⎝ ⎛⎭⎪⎫12n >12764, 即1-⎝ ⎛⎭⎪⎫12n >127128,⎝ ⎛⎭⎪⎫12n<1128,∴⎝ ⎛⎭⎪⎫12n <⎝ ⎛⎭⎪⎫127,∴n >7, ∴n 取8,选B.【答案】 B2.用数学归纳法证明2n ≥n 2(n ≥5,n ∈N +)成立时第二步归纳假设的正确写法是( )A.假设n =k 时命题成立B.假设n =k (k ∈N +)时命题成立C.假设n =k (k ≥5)时命题成立D.假设n =k (k >5)时命题成立【解析】 由题意知n ≥5,n ∈N +,故应假设n =k (k ≥5)时命题成立.【答案】 C3.用数学归纳法证明不等式1n +1+1n +2+…+12n >1314(n ≥2,n ∈N +)的过程中,由n =k 递推到n =k +1时不等式左边( )【导学号:38000061】A.增加了一项12(k +1)B.增加了两项12k +1,12k +2 C.增加了两项12k +1,12k +2,但减少了一项1k +1D.以上各种情况均不对【解析】 ∵n =k 时,左边=1k +1+1k +2+…+12k ,n =k +1时,左边=1k +2+1k +3+…+12k +12k +1+12k +2, ∴增加了两项12k +1,12k +2,少了一项1k +1.【答案】 C4.用数学归纳法证明“2n +1≥n 2+n +2(n ∈N +)〞时,第一步的验证为________.【解析】 当n =1时,21+1≥12+1+2,即4≥4成立.【答案】 21+1≥12+1+25.试证明:1+12+13+ (1)<2n (n ∈N +). 【证明】 (1)当n =1时,不等式成立.(2)假设n =k (k ≥1,k ∈N +)时,不等式成立,即1+12+13+ (1)<2k . 那么n =k +1时,⎝⎛⎭⎪⎫1+12+13+…+1k +1k +1 <2k +1k +1=2k (k +1)+1k +1< k +(k +1)+1k +1=2k +1. 这就是说,n =k +1时,不等式也成立.根据(1)(2)可知,不等式对n ∈N +成立.我还有这些缺乏:(1)(2) 我的课下提升方案:(1)(2)。