M推理与证明M1合情推理与演绎推理11. M1 [2012陕西卷]观察下列不等式1 31+ 产2,1 1 51+ 2"+ 产3,11171+ 尹尹42<4,照此规律,第五个.不等式为 _______________ .1 1 1 1 1 1111 1+ 2+3+孑+5 + 62<_6[解析]本小题主要考查了归纳与推理的能力,解题的关键是对给出的几个事例分析,找出规律,推出所要的结果.从几个不等式左边分析,可得出第五个式子的左边为:1+1+ 1111孑+孑+孑+孑,对几个不等式右边分析,其分母依次为:2,3,4,所以第5个式子的分母应为6,而其分子依次为:3,5,7,所以第5个式子的分子应为11,所以第5个式子应为:1,1 1 1 1 1 11+尸+孑+孑+孑+彳< 百.13 . M1 [2012湖北卷]回文数是指从左到右读与从右到左读都一样的正整数.如22,121,3443,94249等.显然2位回文数有9个:11,22,33,…,99.3位回文数有90个:101,111,121,…,191,202,…,999•则(1)4位回文数有 _______ 个;(2)2n + 1(n€ N*)位回文数有______ 个.13. (1)90 (2)9 X 10n[解析]由题意,1位回文数有9个,2位回文数有9个,3位回文数有90= 9 X 10 个,4 位回文数有1001,1111,1221,…,1991,2002,…,9999,共90 个,故归纳猜想2n+ 2位回文数与2n + 1位回文数个数相等,均为9X 10n个.16. M1 [2012湖南卷]设N= 2n( n€ N *, n》2),将N个数X1, x?,…,X N依次放入编号为1,2,…,N的N个位置,得到排列P0= X1X2…X N.将该排列中分别位于奇数与偶数位置的数取出,并按原顺序依次放入对应的前N和后N个位置,得到排列P1 = X1X3…X N-1X2X4…X N,将此操作称为C变换.将P1分成两段,每段N个数,并对每段作C变换,得到P2;当2W i < n —2时,将P i分成2,段,每段§个数,并对每段作C变换,得到P i+1.例如,当N = 8时,P2 =X1X5X3X7X2X6X4X8,此时X位于P2中的第4个位置.(1)当N = 16时,X7位于P2中的第__________ 个位置;(2)当N = 2n(n》8)时,X173位于卩4中的第________ 个位置.16. (1)6 (2) 3X 2n—4+ 11 [解析]考查合情推理,以新定义题型为载体,依据排列, 考查考生的逻辑推理能力,要求学生的想象能力相当出色.(1)由已知可得个位置;P1= X1X3X5X7X9X11X13X15…,卩2= X1X5X9X13X3X7X11X15…,故X位于P2 中的第 6(2) 当i = 1 时,173 + 1P1的排列中X173的位置是2= 87位;[来源学咄87亠ii = 2时,P 2的排列中 心3的位置是87尹=44位;2“— 2i = 3时,P 3的排列中x 173的位置是 分 + 44= 2n —3 + 22位;2n —3+ 22i = 4 时,P 4的排列中 x 173 的位置是 2n —3 + ——= 2n —3 + 2n —4+ 11 = 3X 2n —4+ 11 位.M1 [2012 •西卷]观察下列各式:a + b = 1, a 2 + b 2 = 3, a 3 + b 3 = 4, a 4 + b 4= 7, + b 5= 11,…,则 a 10 + b 10=( )A . 28B . 76C . 123D . 1996. C [解析]考查归纳推理,以及观察能力;解题的突破口是通过观察得到后一项与 前两项结果之间的关系. 由于 a + b = 1, a 2+ b 2= 3, a 3+ b 3= 4, a 4+ b 4= 7, a 5 + b 5= 11,…, 通过观察发现,从第三项起,等式右边的常数分别为其前两项等式右边的常数的和•因此,a 6 +b 6= 11 + 7= 18, a 7 + b 7= 18+ 11 = 29, a 8+ b 8= 29 + 18= 47, a 9+ b 9= 47 + 29= 76, a 10 + b 10 = 76+ 47= 123,故选 C.M2直接证明与间接证明23. M2、D1 [2012 上海卷]对于数集 X = { — 1 , X 1, x ?,…,X “},其中 OvX 1<X 2V … vx n , n > 2,定义向量集 Y = {a |a = (s , t), s € X , t € X },若对任意 a 1 € Y ,存在 a 2 € Y ,使 得a 1 a 2= 0,则称X 具有性质P ,例如{ — 1,1,2}具有性质P .(1) 若x >2,且{ — 1,1,2, x }具有性质P ,求x 的值;⑵若X 具有性质P ,求证:1 € X ,且当x n > 1时,X 1= 1;⑶若X 具有性质P ,且X 1 = 1、X 2= q(q 为常数),求有穷数列X 1, x ?,…,x “的通项公 式. 23.解:(1)选取a 1= (x,2), Y 中与a 1垂直的元素必有形式(—1, b), 所以x = 2b ,从而x = 4.⑵证明:取 a 1 = (X 1, X 1) € Y ,设 a 2= (s , t) € Y ,满足 a 1 a 2= 0. 由(s + t)x 1 = 0 得 s +1 = 0,所以 s , t 异号.因为一1是X 中唯一的负数,所以 s , t 之中一个为一1,另一个为1,故1 € X. 假设 X k = 1,其中 1 < k < n ,贝U 0< X 1< 1< X n .选取 a 1 = (X 1, X n )€ Y ,并设 a 2= (s , t)€ Y 满足 a 1 a 2= 0,即 sx , + tX n = 0, 则s , t 异号,从而s , t 之中恰有一个为—1. 若 s =— 1,贝U x 1= tx n> t > %,矛盾; 若 t =— 1,则 X n = sX 1< s < X n ,矛盾. 所以X 1= 1.⑶设 a 1= (s1, t1), a 2= (s 2, t2),则 a 1 a 2= 0等价于学=—£,f记B =i ;|s € X , t € X , |s|> |t|},则数集X 具有性质P 当且仅当数集B 关于原点对称.t注意到一1是X 中的唯一负数,B n (—a, 0) = { — X 2,— X 3,…,一X n }共有n — 1个数, 所以B n (0,+a)也只有n — 1个数.a 56.由于’ X n X n < X < …< X n X n <_, X 2 X 1 X nX nX n X n <V … < <X n — 1 X n —2X 2 X 1X n —1 X n —1X n —1< V … <X n — 2 X n —3 X 1已有n — 1个数,对以下三角数阵 X 2X 119. D2、D3、M2 [2012湖南卷]已知数列{a n }的各项均为正数,记 A(n) = a j +玄鸟+…十 a n , B(n)= a 2 + a 3 + …+ a *+1, C(n)= a 3 + a 4+ …+ a n +2, n = 1,2,…(1) 若a 1 = 1, a 2= 5,且对任意n € N *,三个数A(n), B(n), C(n)组成等差数列,求数列 {a n }的通项公式;(2) 证明:数列{a n }是公比为q 的等比数列的充分必要条件是:对任意 n € N *,三个数 A(n), B(n), C(n)组成公比为q 的等比数列.* ___________________________________19.解:(1)对任意n € N ,三个数A(n), B(n), C(n)是等差数列,所以B(n)— A(n)= C(n) —B(n),艮卩 a n +1 — a 1= a n + 2— a ?,亦即 a n + 2— a n +1= a ?— a 1 = 4.故数列{a n }是首项为1,公差为4的等差数列.于是 a n= 1 + (n — 1) X 4 = 4n — 3.⑵①必要性:若数列{a n }是公比为q 的等比数列,则对任意 n €N ,有a n +1 = a *q.由a n>0 知,A(n), B(n), C(n)均大于 0,于是B(n = a 2+ a 3+ …+ a n +1 = q(a 1 + a 2+ …+ a n = An a 1 + a ?+…+ a * a 1 + a ?+…+ a * C(n = a 3+ a 4+ …+ a *+ 2 = q(a 2 + a 3+ …+ a n +1) Bn a 2 + a 3+ • + a *+1 a 2 + a 3+ • + a *+1即BR = Cl = q.所以三个数 A(n), B(n), C(n)组成公比为q 的等比数列. An Bn*②充分性:若对任意 n € N ,三个数A(n), B(n), C(n)组成公比为q 的等比数列,则 B(n) = qA(n), C(n) = qB(n).于是 C(n)— B(n)= q[B(n) — A(n)],得 a n +2— a 2= q(a n +1 — a”,即 a n +2— qa n +1 = a 2 — qa 1. 由 n = 1 有 B(1) = qA(1),即 a 2= qa 1, 从而 a n + 2— qa n +1 = 0.因为a n >0,所以心=生=q. a n +1 a 1故数列{a n }是首项为a 1,公比为q 的等比数列.综上所述,数列{a n }是公比为q 的等比数列的充分必要条件是:对任意 A(n), B(n), C(n)组成公比为q 的等比数列.22. B12、M3、M2 [2012 湖北卷](1)已知函数 f(x)= rX — x 「+ (1 — r)(x>0),其中 r 为有理 数,且0<r<1.求f(X)的最小值;⑵试用(1)的结果证明如下命题:设 a 1> 0, a 2> 0, b 1, b 2为正有理数.若 b 1+ b 2= 1,贝U ab 11ab 22< a 1b 1+ a 2b 2;(3) 请将(2)中的命题推广到一般形式,并用数学归纳法证明你所推广的命题. 注:当a 为正有理数时,有求导公式 (X)' = aX 1.22.解:(1)f ' (X )= r — rX r —1= r(1 — X r —1),令 f (X )= 0,解得 X = 1. 当0 vxv 1时,f (x)< 0,所以f(x)在(0,1)内是减函数; 当x > 1时,f (x) > 0,所以f(x)在(1 ,+s)内是增函数. 故函数f(x)在 x = 1处取得最小值f(1) = 0.(2)由(1)知,当 x € (0 ,+^)时,有 f(x)》f(1) = 0,即 x r w rx + (1 — r). ① 若 a 1, a 2中有一个为 0,贝U abnab 22wa 1 b 1 + a 2b 2成立; 若a 1, a 2均不为0,又b 1+ b 2= 1,可得b 2= 1 — g ,于是在①中令x =詈,r = 6,可得 学b 1< b 鲁+ (1 — b 1), 即 abna1— b 12w a^ + a ?(1 — b) 亦即 abnab 22^ 8^1 + a 2b 2.X n 、X n 1 X 2 X n X n 1 注意到 一> --- >•••> —, 所以 = --------X 1X 1X 1X n -1X n -2= ,…,竺,从而数列的通项为 X k = X 1 X2 k -1 = q kX 1 X 1q ,n € N *,三个数综上,对a i 》0, a 2》0, b i , b 2为正有理数且 b i + b 2= 1,总有abnab 22W a i b i + a 2b 2.② ⑶(2)中命题的推广形式为:若a i ,a 2,…,a n 为非负实数,b i , b ?,…,b n 为正有理数. 若 b i + b i + …+ b n = 1,贝V ab ii ab 22…ab nn < a i b i + a ?b 2+ …+ a n b n .③ 用数学归纳法证明如下:① 当n = i 时,b i= i ,有a i< a i,③成立.② 假设当n = k 时,③成立,即若a i , a 2,…,a k 为非负实数,b i , b 2,…,b k 为正有理 数, 且 b i + b 2+ …+ b k = i ,则 ab ii ab 22…ab kk < a i b i + a ?b 2 + …+ a k b k .当n = k + i 时,已知a i , a 2,…,a k +1为非负实数,b i , b 2,…,b k , b k +i 为正有理 数,且 b i + b 2+ …+ b k + b k +i = i ,此时 Ov b k +i v i ,即卩 i 一 b k +1 >0,于是 ab ii ab 22…abkk ab k +ik +1=(abii ab 22…abkk )ab k +ik +i[…a~k )i — b k + i ab k + ik +1. 1- b k +i…+—^=1,由归纳假设可得1 — b k + 12…a —bk — k w a i •— + a 2 • — + … + a k • —1 — b k +i1 — b k +1 1 — b k +i 1— b k +ia ib i +a 2b 2+ …+ a k b k(ai a21 — b k +1 1 — b k +i b i , b2 +,1 — b k + 1十 1 — b b i b 2a 从而 ab ii ab 22…ab kk ab k + ik +i w1 — b k + 11 — b k +i 1 — b k +1因1 一 b k + 1 1 一 b k +1由0,知a n+丄工0,因此——=a?. a n+ 1综上,近2= a?对所有n € N*成立,从而{a*}是首项为1,公比为a2的等比数列.a n证法二:用数学归纳法证明a n= a;-1, n€ N*.当n = 1 时,由S2= a2s1+ a1,得a1+ a2= a2a1+ a1,即卩a2= a2a1,再由a2^ 0,得a1= 1, 所以结论成立.假设n= k时,结论成立,即a k= a k「S那么当n= k+ 1时,a k+1 = S+1—S=(a2S k+ a1)- (a2S-1 + a1)= a2(S k—S-1)= a;a k= a2, 这就是说,当n= k+ 1时,结论也成立.综上可得,对任意n€ N , a n= a;1.因此{a n}是首项为1,公比为a2的等比数列.⑵当n = 1或2时,显然S n= n(a1+ a n),等号成立.设n>3, a2>—1且玄2工0,由(1)知a1 = 1, a n= a:-1,所以要证的不等式化为1 + a2+ a2+…+ a2 1 w ^(1 + a2 1 )(n > 3),即证:1 + a2 + a2+・・・ + a2w ——(1 + a2)( n > 2).当a2= 1时,上面不等式的等号成立.当一1 v a:v 1 时,a2 — 1 与a2 ' —1(r = 1,2,…,n —1)冋为负;[来源学科网当a2> 1 时,a2— 1 与a2 ' —1(r = 1,2,…,n —1)同为正.因此当a2>—1且a2丰1时,总有(a2 —1)(a2—r—1)>0,即即a2 + a;? r v 1 + a*r = 1,2,…,n — 1).上面不等式对r从1到n —1求和得2(a2+ a2 + …+ a2—)v (n—1)(1 + a2),由此可得 1 + a2+ a2+ …+ a;v —-(1 + a;).综上,当a2>—1且a2^ 0时,有S n w2(a1+ a n),当且仅当n= 1,2或a2= 1时等号成立.证法二:当n= 1或2时,显然2(a1+ a n),等号成立.当a2= 1时,S n = n=_(a1+ a n),等号也成立.1 n当a2工 1 时,由(1)知S n=二^, a n= a n—1, 下证:1 —a2n1 —a2 n n—1V;(1 + a2 )(n》3, a2>— 1 且玄2工1).1 —a2 2'当一1v a2v 1时,上面不等式化为(n —2)a n+ na2 —na n 1 v n —2(n》3).令f(a2)= (n—2)a n+ na:—na2 1.当一1v a2V 0 时,1—a2—2>0,故f(a2) = (n — 2)a2+ na2(1 —£ —2) v (n — 2)|a2|n v n[来源学§科§网Z§ X §X§K]— 2,即所要证的不等式成立.当0va2v 1 时,对a2 求导得f'但2)= n[(n —2)a2 1—(n—1)a2 2+ 1] = ng®).其中g(a2)= (n —2)a2—1—(n —1)a2—2+ 1,贝V g' (a2)= (n —2)(n—1)(a2—1)a n —3v 0,即g(a2) 是(0,1)上的减函数,故g(a2)>g(1) = 0,从而f' @)= ng(a2)>0,进而f@)是(0,1)上的增函数,因此f(a2)vf(1) = n—2,所要证的不等式成立.1当a2> 1时,令b= 一,贝U 0 v bv 1,由已知的结论知a2两边同时乘以a 一1得所要证的不等式.综上,当a 2>— 1且玄2工0时,有S r)w 2(a i + a n ),当且仅当n = 1,2或a 2= 1时等号成立.22. B12、M3、M2 [2012 湖北卷](1)已知函数 f(x)= rx — x r + (1 — r)(x>0),其中 r 为有理数,且0<r<1.求f(x)的最小值;⑵试用(1)的结果证明如下命题:设 a 1》0, a 2》0, b 1, b 2 为正有理数.若 S+ b 2= 1,贝U abnab 22^ a 1 b 1 + a 2b 2; (3) 请将(2)中的命题推广到一般形式,并用数学归纳法证明你所推广的命题. 注:当a 为正有理数时,有求导公式 (X)' = aX 1.I — 1r — 122. 解:(1)f ' (x)= r — rx = r(1 — x ),令 f (x)= 0,解得 x = 1. 当0 vxv 1时,f (x)< 0,所以f(x)在(0,1)内是减函数; 当x > 1时,f (x) > 0,所以f(x)在(1 ,+s)内是增函数. 故函数f(x)在 x = 1处取得最小值f(1) = 0.(2)由(1)知,当 x € (0 ,+s)时,有 f(x)》f(1) = 0,即 x r w rx + (1 — r). ① 若 a 1, a 2中有一个为 0,贝U ab“ab 22w8^1 + a ?b 2成立; 若a 1, a 2均不为0,又b 1+ b 2= 1,可得b 2= 1 — g ,于是在①中令x =詈,r = 6,可得 當b 1< b 詈+ (1 — b 1),即 abna1 — b 12 w a 1b 1 + a 2(1 — b 1),亦即 abnab 22^ a 1b 1 + a 2b 2.综上,对 a 1> 0, a 2> 0, b 1, b 2为正有理数且 b 1+ b 2= 1,总有 ab 11ab 22w a 1b 1+ a 2b 2.② ⑶(2)中命题的推广形式为:若a 1, a 2,…,a n 为非负实数,6, b ?,…,b n 为正有理数. 若 b 1 + b 1 + …+ b n = 1,贝V abnab 22…ab nn < 玄和十 a ?b 2+ …+ a n b n .③用数学归纳法证明如下:① 当n = 1时,b 1= 1,有a 1w a 1,③成立.② 假设当n = k 时,③成立,即若a 1, a 2,…,a k 为非负实数,6, b 2,…,b k 为正有理 数, 且 b 1 + b 2+ …+ b k = 1,则 abnab 22…ab kk < 玄命1+ a ?b 2 + …+ a k b k .当n = k + 1时,已知a 1, a 2,…,a k , a k +1为非负实数,b 1, b 2,…,b k , b k +1为正有理 数,且 b 1 + b 2+ …+ b k + b k +1 = 1,此时 0< b k +1 < 1,即卩 1 — b k +1 >0,于是abnab 22…abkk ab k +你+1= (abnab 22…abkk )ab k +1k +1, b 1b 2b k=(a1a2 …ak )1 — b k + 1ab k +1k +1.1 — b k + 1 1 — b k +1 1 — b k + 1因」1 + b2 +•••+」 =1,由归纳假设可得 1 — b k +1 1 — b k +1 1 — b k +1a 13+ a 2b 2+ …+ a^k1 — b k +1,a13+ a2b 2+…+ ak b k从而 abn ab 22 …abkk ab k +1k +1W1 — b k +1 ab k +1 k +1.<1 — b k +1丿又因(1 — b k +1)+ b k +1 = 1,由②得a 1b 1+ a2b 2+ …+ a k b k玄仙+ a 2b 2+ …+ a kb k1— b k + 1ab k +1k +1w■ ' (1 — b k +1)+ a k + 1b k +1 …Z *。