高考数学第十章算法初步、复数、推理与证明第四节直接证明与间接证明教案文苏教版

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第四节 直接证明与间接证明1.直接证明直接证明中最基本的两种证明方法是综合法和分析法.(1)综合法:从已知的条件出发,以已知的定义、公理、定理为依据,逐步下推,直到推出要证明的结论为止.(2)分析法:从问题的结论出发,追溯导致结论成立的条件,逐步上溯,直到使结论成立的条件和已知条件或已知事实吻合为止.(3)综合法与分析法的推证过程如下: 综合法——已知条件⇒…⇒…⇒结论; 分析法——结论⇐…⇐…⇐已知条件. 2.间接证明反证法:一般地,假设原命题不成立,经过正确的推理,最后得出矛盾,因此说明假设错误,从而证明了原命题成立,这样的证明方法叫做反证法.[小题体验]1.判断下列结论是否正确(请在括号中打“√”或“×”) (1)综合法是直接证明,分析法是间接证明.( )(2)分析法是从要证明的结论出发,逐步寻找使结论成立的充要条件.( ) (3)用反证法证明结论“a >b ”时,应假设“a ≤b ”.( ) (4)反证法是指将结论和条件同时否定,推出矛盾.( ) 答案:(1)× (2)× (3)√ (4)×2.设a =lg 2+lg 5,b =e x(x <0),则a 与b 的大小关系为________. 答案:a >b3.下列条件:①ab >0,②ab <0,③a >0,b >0,④a <0,b <0,其中能使b a +a b≥2成立的条件的个数是________.解析:要使b a +a b≥2成立, 则b a>0,即a 与b 同号, 故①③④均能使b a +a b≥2成立.答案:31.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.2.利用反证法证明数学问题时,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.[小题纠偏]1.6-22与5-7的大小关系是________.解析:假设6-22>5-7,由分析法可得,要证6-22>5-7,只需证6+7>5+22,即证13+242>13+410,即42>210.因为42>40,所以6-22>5-7成立.答案:6-22>5-72.(2019·南通调研)用反证法证明命题:“若(a -1)(b -1)·(c -1)>0,则a ,b ,c 中至少有一个大于1”时,要做的假设是“假设a ,b ,c ________”.答案:都不大于1考点一 分析法基础送分型考点——自主练透[题组练透]1.(2019·南通模拟)已知m >0,a ,b ∈R ,求证:⎝ ⎛⎭⎪⎫a +mb 1+m 2≤a 2+mb 21+m .证明:∵m >0,∴1+m >0,∴要证⎝ ⎛⎭⎪⎫a +mb 1+m 2≤a 2+mb 21+m , 即证(a +mb )2≤(1+m )(a 2+mb 2), 即证m (a 2-2ab +b 2)≥0, 即证(a -b )2≥0, 而(a -b )2≥0显然成立,故⎝ ⎛⎭⎪⎫a +mb 1+m 2≤a 2+mb 21+m . 2.(易错题)已知△ABC 的三个内角A ,B ,C 成等差数列,A ,B ,C 的对边分别为a ,b ,c .求证:1a +b +1b +c =3a +b +c.证明:要证1a +b +1b +c =3a +b +c, 即证a +b +c a +b +a +b +cb +c=3, 也就是c a +b +ab +c=1,只需证c (b +c )+a (a +b )=(a +b )(b +c ), 需证c 2+a 2=ac +b 2,又△ABC 三内角A ,B ,C 成等差数列,故B =60°, 由余弦定理,得b 2=c 2+a 2-2ac cos 60°,即b 2=c 2+a 2-ac ,故c 2+a 2=ac +b 2成立. 于是原等式成立.[谨记通法]1.利用分析法证明问题的思路分析法的证明思路:先从结论入手,由此逐步推出保证此结论成立的充分条件,而当这些判断恰恰都是已证的命题(定义、公理、定理、法则、公式等)或要证命题的已知条件时命题得证.2.分析法证明问题的适用范围当已知条件与结论之间的联系不够明显、直接,或证明过程中所需用的知识不太明确、具体时,往往采用分析法,特别是含有根号、绝对值的等式或不等式,常考虑用分析法.考点二 综合法重点保分型考点——师生共研[典例引领](2019·徐州检测)设a ,b 是非负实数,求证:a 3+b 3≥ab (a 2+b 2). 证明:因为a 3+b 3-ab (a 2+b 2)=a2a (a -b )+b 2b ·(b -a )=(a -b )[(a )5-(b )5],当a ≥b 时,a ≥b ,从而(a )5≥(b )5, 得(a -b )[(a )5-(b )5]≥0; 当a <b 时,a <b ,从而(a )5<(b )5, 得(a -b )[(a )5-(b )5]>0. 所以a 3+b 3≥ab (a 2+b 2).[由题悟法]综合法证明问题的思路 (1)分析条件选择方向分析题目的已知条件及已知与结论之间的联系,选择相关的定理、公式等,确定恰当的解题方法(2)转化条件组织过程把已知条件转化成解题所需要的语言,主要是文字、符号、图形三种语言之间的转化 (3)适当调整回顾反思回顾解题过程,可对部分步骤进行调整,并对一些语言进行适当的修饰,反思总结解题方法的选取[即时应用]在△ABC 中,角A ,B ,C 的对边分别为a ,b ,c ,已知sin A sin B +sin B sin C +cos 2B =1.(1)求证:a ,b ,c 成等差数列. (2)若C =2π3,求证5a =3b .证明:(1)由已知得sin A sin B +sin B sin C =2sin 2B , 因为sin B ≠0,所以sin A +sinC =2sin B , 由正弦定理,有a +c =2b ,即a ,b ,c 成等差数列. (2)由C =2π3,c =2b -a 及余弦定理得(2b -a )2=a 2+b 2+ab ,即有5ab -3b 2=0,所以a b =35,即5a =3b .考点三 反证法重点保分型考点——师生共研[典例引领]设a >0,b >0,且a +b =1a +1b.证明:(1)a +b ≥2;(2)a 2+a <2与b 2+b <2不可能同时成立. 证明:由a +b =1a +1b =a +bab,a >0,b >0,得ab =1.(1)由基本不等式及ab =1,有a +b ≥2ab =2,即a +b ≥2.当且仅当a =b 时取等号. (2)假设a 2+a <2与b 2+b <2同时成立, 则由a 2+a <2及a >0,得0<a <1;同理,0<b <1,从而ab <1,这与ab =1矛盾.故a 2+a <2与b 2+b <2不可能同时成立.[由题悟法]反证法证明问题的3步骤(1)反设:假定所要证的结论不成立,而设结论的反面(否定命题)成立;(否定结论) (2)归谬:将“反设”作为条件,由此出发经过正确的推理,导出矛盾——与已知条件、已知的定义、公理、定理及明显的事实矛盾或自相矛盾;(推导矛盾)(3)立论:因为推理正确,所以产生矛盾的原因在于“反设”的谬误.既然原命题结论的反面不成立,从而肯定了原命题成立.(命题成立)[即时应用]等差数列{a n }的前n 项和为S n ,a 1=1+2,S 3=9+3 2. (1)求数列{a n }的通项a n 与前n 项和S n .(2)设b n =S n n(n ∈N *),求证:数列{b n }中任意不同的三项都不可能成为等比数列. 解:(1)设等差数列{a n }的公差为d .由已知得⎩⎨⎧a 1=2+1,3a 1+3d =9+32,所以d =2,故a n =2n -1+2,S n =n (n +2). (2)证明:由(1)得b n =S nn=n +2,假设数列{b n }中存在三项b p ,b q ,b r (p ,q ,r ∈N *,且互不相等)成等比数列,则b 2q =b p b r . 即(q +2)2=(p +2)(r +2), 所以(q 2-pr )+2(2q -p -r )=0, 因为p ,q ,r ∈N *,所以⎩⎪⎨⎪⎧q 2-pr =0,2q -p -r =0,所以⎝⎛⎭⎪⎫p +r 22=pr ,(p -r )2=0,所以p =r ,与p ≠r 矛盾,所以数列{b n }中任意不同的三项都不可能成等比数列.一保高考,全练题型做到高考达标1.(2019·海门中学检测)用反证法证明命题“若a 2+b 2=0,则a ,b 全为0”,其反设为“________”.解析:命题“若a 2+b 2=0,则a ,b 全为0”,其题设为“a2+b2=0”,结论是“a,b全为0”,用反证法证明该命题时,其反设为“a,b不全为0”.答案:a,b不全为02.(2018·徐州模拟)若P=a+a+7,Q=a+3+a+4(a≥0),则P,Q的大小关系是________.解析:因为P2=2a+7+2a·a+7=2a+7+2a2+7a,Q2=2a+7+2a+3·a+4=2a+7+2a2+7a+12,所以P2<Q2,所以P<Q.答案:P<Q3.(2018·江阴调研)设a,b是两个实数,给出下列条件:①a+b>2;②a2+b2>2.其中能推出:“a,b中至少有一个大于1”的条件的是________(填序号).解析:①中,假设a≤1,b≤1,则a+b≤2与已知条件a+b>2矛盾,故假设不成立,所以a,b中至少有一个大于1,①正确;②中,若a=-2,b=-3,则a2+b2>2成立,故②不能推出:“a,b中至少有一个大于1”.答案:①4.设f(x)是定义在R上的奇函数,且当x≥0时,f(x)单调递减,若x1+x2>0,则f(x1)+f(x2)________0(填“>”“<”或“=”).解析:由f(x)是定义在R上的奇函数,且当x≥0时,f(x)单调递减,可知f(x)是R上的单调递减函数,由x1+x2>0,可知x1>-x2,f(x1)<f(-x2)=-f(x2),则f(x1)+f(x2)<0.答案:<5.(2019·吕四中学检测)若0<a<1,0<b<1,且a≠b,则在a+b,2ab,a2+b2和2ab中最大的是________.解析:因为0<a<1,0<b<1,且a≠b,所以a+b>2ab,a2+b2>2ab,a+b-(a2+b2)=a(1-a)+b(1-b)>0,所以a+b最大.答案:a+b6.如果a a+b b>a b+b a,则a,b应满足的条件是__________.解析:a a+b b>a b+b a,即(a-b)2(a+b)>0,需满足a≥0,b≥0且a≠b.答案:a≥0,b≥0且a≠b7.已知点A n(n,a n)为函数y=x2+1图象上的点,B n(n,b n)为函数y=x图象上的点,其中n∈N*,设c n=a n-b n,则c n与c n+1的大小关系为________.解析:由条件得c n =a n -b n =n 2+1-n =1n 2+1+n,所以c n 随n 的增大而减小,所以c n +1<c n . 答案:c n +1<c n8.已知x ,y ,z 是互不相等的正数,且x +y +z =1,求证:⎝ ⎛⎭⎪⎫1x -1⎝ ⎛⎭⎪⎫1y -1⎝ ⎛⎭⎪⎫1z -1>8. 证明:因为x ,y ,z 是互不相等的正数,且x +y +z =1, 所以1x -1=1-x x =y +z x >2yz x,①1y-1=1-y y =x +z y >2xz y , ②1z-1=1-z z=x +y z>2xy z, ③又x ,y ,z 为正数,由①×②×③,得⎝ ⎛⎭⎪⎫1x-1⎝ ⎛⎭⎪⎫1y-1⎝ ⎛⎭⎪⎫1z-1>8. 9.已知等差数列{a n }的前n 项和为S n ,a 3=5,S 8=64. (1)求数列{a n }的通项公式; (2)求证:1S n -1+1S n +1>2S n(n ≥2,n ∈N *).解:(1)设等差数列{a n }的公差为d ,则⎩⎪⎨⎪⎧a 3=a 1+2d =5,S 8=8a 1+28d =64,解得a 1=1,d =2.故所求的通项公式为a n =2n -1. (2)证明:由(1)可知S n =n 2, 要证原不等式成立,只需证1n -2+1n +2>2n2,即证[(n +1)2+(n -1)2]n 2>2(n 2-1)2, 只需证(n 2+1)n 2>(n 2-1)2, 即证3n 2>1.而3n 2>1在n ≥2时恒成立, 从而不等式1S n -1+1S n +1>2S n(n ≥2,n ∈N *)恒成立.10.如图,在四棱锥P ­ABCD 中,PC ⊥底面ABCD ,ABCD 是直角梯形,AB ⊥AD ,AB ∥CD ,AB =2AD =2CD =2,E 是PB 的中点.(1)求证:EC ∥平面PAD ;(2)求证:平面EAC ⊥平面PBC .证明:(1)作线段AB 的中点F ,连结EF ,CF (图略),则AF =CD ,AF ∥CD , 所以四边形ADCF 是平行四边形, 则CF ∥AD .又EF ∥AP ,且CF ∩EF =F ,所以平面CFE ∥平面PAD . 又EC ⊂平面CEF ,所以EC ∥平面PAD . (2)因为PC ⊥底面ABCD ,所以PC ⊥AC . 因为四边形ABCD 是直角梯形, 且AB =2AD =2CD =2, 所以AC =2,BC = 2.所以AB 2=AC 2+BC 2,所以AC ⊥BC , 因为PC ∩BC =C ,所以AC ⊥平面PBC , 因为AC ⊂平面EAC ,所以平面EAC ⊥平面PBC . 二上台阶,自主选做志在冲刺名校1.(2019·南通调研)已知数列{a n }各项均为正数,且不是常数列. (1)若数列{a n }是等差数列,求证:a 1+a 3<2a 2;(2)若数列{a n }是等比数列,求证:1-a n,1-a n +1,1-a n +2不可能成等比数列. 证明:(1)要证a 1+a 3<2a 2, 只需证a 1+a 3+2a 1a 3<4a 2, ∵数列{a n }是等差数列, ∴a 1+a 3=2a 2, ∴只需证 a 1a 3<a 2, 即证a 1a 3<a 22=⎝⎛⎭⎪⎫a 1+a 322,∵数列{a n }各项均为正数, ∴a 1a 3<a 22=⎝⎛⎭⎪⎫a 1+a 322成立,∴a 1+a 3<2a 2.(2)假设1-a n,1-a n +1,1-a n +2成等比数列, 则(1-a n +1)2=(1-a n )(1-a n +2), 即1-2a n +1+a 2n +1=1+a n a n +2-(a n +a n +2), ∵数列{a n }是等比数列, ∴a 2n +1=a n a n +2, ∴2a n +1=a n +a n +2,∴数列{a n }是等差数列,∴数列{a n }是常数列,这与已知相矛盾, 故假设不成立,∴1-a n,1-a n +1,1-a n +2不可能成等比数列.2.若无穷数列{a n }满足:只要a p =a q (p ,q ∈N *),必有a p +1=a q +1,则称{a n }具有性质P .(1)若{a n }具有性质P ,且a 1=1,a 2=2,a 4=3,a 5=2,a 6+a 7+a 8=21,求a 3; (2)若无穷数列{b n }是等差数列,无穷数列{c n }是公比为正数的等比数列,b 1=c 5=1,b 5=c 1=81,a n =b n +c n ,判断{a n }是否具有性质P ,并说明理由;(3)设{b n }是无穷数列,已知a n +1=b n +sin a n (n ∈N *),求证:“对任意a 1,{a n }都具有性质P ”的充要条件为“{b n }是常数列”.解:(1)因为a 5=a 2,所以a 6=a 3,a 7=a 4=3,a 8=a 5=2, 于是a 6+a 7+a 8=a 3+3+2.又因为a 6+a 7+a 8=21,所以a 3=16.(2)由题意,得数列{b n }的公差为20,{c n }的公比为13,所以b n =1+20(n -1)=20n -19,c n =81·⎝ ⎛⎭⎪⎫13n -1=35-n ,a n =b n +c n =20n -19+35-n . a 1=a 5=82,但a 2=48,a 6=3043,a 2≠a 6, 所以{a n }不具有性质P . (3)证明:充分性:当{b n }为常数列时,a n +1=b 1+sin a n .对任意给定的a 1,若a p =a q ,则b 1+sin a p =b 1+sin a q ,即a p +1=a q +1,充分性得证. 必要性:假设{b n }不是常数列,则存在k ∈N *,使得b 1=b 2=…=b k =b ,而b k +1≠b .下面证明存在满足a n +1=b n +sin a n 的数列{a n },使得a 1=a 2=…=a k +1,但a k +2≠a k +1. 设f (x )=x -sin x -b ,取m ∈N *,使得m π>|b |, 则f (m π)=m π-b >0,f (-m π)=-m π-b <0, 故存在c 使得f (c )=0.取a 1=c ,因为a n +1=b +sin a n (1≤n ≤k ), 所以a 2=b +sin c =c =a 1, 依此类推,得a 1=a 2=…=a k +1=c .但a k +2=b k +1+sin a k +1=b k +1+sin c ≠b +sin c , 即a k +2≠a k +1.所以{a n }不具有性质P ,矛盾. 必要性得证.综上,“对任意a 1,{a n }都具有性质P ”的充要条件为“{b n }是常数列”.命题点一 算法1.(2018·江苏高考)一个算法的伪代码如图所示,执行此算法,最后输出的S 的值为________.I ←1S ←1While I <6 I ←I +2 S ←2S End While Print S解析:I =1,S =1,此时I <6,进入循环;I =3,S =2,此时I <6,进入下一次循环; I =5,S =4,此时I <6,进入下一次循环; I =7,S =8,此时I >6,不满足I <6,退出循环,输出S =8. 答案:82.(2017·江苏高考)如图是一个算法流程图.若输入x 的值为116,则输出y 的值是________.解析:由流程图可知其功能是运算分段函数y =⎩⎪⎨⎪⎧2x,x ≥1,2+log 2x ,0<x <1,所以当输入的x 的值为116时,y =2+log 2116=2-4=-2.答案:-23.(2016·江苏高考)如图是一个算法的流程图,则输出的a 的值是________.解析:由a =1,b =9,知a <b ,所以a =1+4=5,b =9-2=7,a <b .所以a =5+4=9,b =7-2=5,满足a >b .所以输出的a =9.答案:94.(2015·江苏高考)根据如图所示的伪代码,可知输出的结果S 为________. S ←1I ←1While I <8S ←S +2 I ←I +3End WhilePrint S解析:由程序可知,S =1,I =1,I <8;S =3,I =4,I <8;S =5,I =7,I <8;S =7,I =10,I >8,此时结束循环,输出S =7.答案:7命题点二 复数1.(2018·江苏高考)若复数z 满足i·z =1+2i ,其中i 是虚数单位,则z 的实部为________.解析:由i·z =1+2i ,得z =1+2i i=2-i , ∴z 的实部为2.答案:22.(2017·江苏高考)已知复数z =(1+i)(1+2i),其中i 是虚数单位,则z 的模是________.解析:法一:复数z =1+2i +i -2=-1+3i ,则|z |=-2+32=10. 法二:|z |=|1+i|·|1+2i|=2×5=10. 答案:103.(2016·江苏高考)复数z =(1+2i)(3-i),其中i 为虚数单位,则z 的实部是________.解析:因为z =(1+2i)(3-i)=3-i +6i -2i 2=5+5i ,所以z 的实部是5.答案:54.(2015·江苏高考)设复数z 满足z 2=3+4i(i 是虚数单位),则z 的模为________. 解析:因为z 2=3+4i ,所以|z 2|=|z |2=|3+4i|=32+42=5,所以|z |= 5. 答案: 55.(2018·天津高考)i 是虚数单位,复数6+7i 1+2i=________. 解析:6+7i 1+2i =+-+-=20-5i 5=4-i. 答案:4-i命题点三 合情推理与演绎推理1.(2017·全国卷Ⅱ改编)甲、乙、丙、丁四位同学一起去向老师询问成语竞赛的成绩.老师说:你们四人中有2位优秀,2位良好,我现在给甲看乙、丙的成绩,给乙看丙的成绩,给丁看甲的成绩.看后甲对大家说:我还是不知道我的成绩.根据以上信息,则下列说法正确的序号为________.①乙可以知道四人的成绩②丁可以知道四人的成绩③乙、丁可以知道对方的成绩④乙、丁可以知道自己的成绩解析:依题意,四人中有2位优秀,2位良好,由于甲知道乙、丙的成绩,但还是不知道自己的成绩,则乙、丙必有1位优秀,1位良好,甲、丁必有1位优秀,1位良好,因此,乙知道丙的成绩后,必然知道自己的成绩;丁知道甲的成绩后,必然知道自己的成绩.故④正确.答案:④2.(2016·天津高考)已知{a n }是各项均为正数的等差数列,公差为d ,对任意的n ∈N *,b n 是a n 和a n +1的等比中项.(1)设c n =b 2n +1-b 2n ,n ∈N *,求证:数列{c n }是等差数列;(2)设a 1=d ,T n =∑k =12n (-1)k b 2k ,n ∈N *,求证:∑k =1n1T k <12d 2. 证明:(1)由题意得b 2n =a n a n +1,c n =b 2n +1-b 2n =a n +1a n +2-a n a n +1=2da n +1. 因此c n +1-c n =2d (a n +2-a n +1)=2d 2, 所以{c n }是等差数列.(2)T n =(-b 21+b 22)+(-b 23+b 24)+…+(-b 22n -1+b 22n ) =2d (a 2+a 4+…+a 2n )=2d ·n a 2+a 2n 2=2d 2n (n +1).所以∑k =1n1T k =12d 2∑k =1n 1k k +1=12d 2∑k =1n⎝ ⎛⎭⎪⎫1k -1k +1=12d 2·⎝ ⎛⎭⎪⎫1-1n +1<12d 2.。