淺談高中數(shù)學歸納法的應(yīng)用

卓為杰

【摘要】數(shù)學歸納法是數(shù)學上證明與正整數(shù)有關(guān)的命題，實際上就是關(guān)于正整數(shù)的無窮性命題。對數(shù)學歸納法的原理的理解是掌握種證明方法的關(guān)鍵，要熟練的掌握與應(yīng)用數(shù)學歸納法，必須準確的理解其意義及掌握解題步驟，在解題步驟中運用歸納假設(shè)尤為重要，運用歸納假設(shè)推出結(jié)論最為關(guān)鍵。在高中數(shù)學上數(shù)學歸納法是一種直接的證明方法，應(yīng)用十分廣泛，一般來說，與正整數(shù)有關(guān)的一些恒等式、不等式、整除性、數(shù)列的通項及前 項和等問題。

【關(guān)鍵詞】數(shù)學歸納法 歸納 應(yīng)用

引言：在數(shù)學問題中，有一類問題是與自然數(shù) 有關(guān)的命題。當 表示一個命題，當 又表示一個命題，如此循環(huán)，無窮無盡，因此，一個與自然數(shù) 有關(guān)的命題實際上包含了無窮個命題。自然數(shù)有無限多個，不可能就所有的自然數(shù)一一加以驗證，所以用完全歸納法是不可能的。但就部分自然數(shù)進行驗證即用不完全歸納法得到的結(jié)論，又是不可靠的，為了證明這一類與自然數(shù) 有關(guān)的命題，一種切實可行又滿足邏輯嚴謹性的證明方法出現(xiàn)了，它就是——數(shù)學歸納法。本文就高中數(shù)學第一歸納法的解題技巧與應(yīng)用，舉一些典型案例。

1.數(shù)學歸納法的概念

數(shù)學歸納法是數(shù)學上證明與自然數(shù) 有關(guān)的命題的一種特殊方法，主要研究與正整數(shù) 有關(guān)的數(shù)學問題。

2.數(shù)學歸納法的解題步驟

證明與正整數(shù) 有關(guān)的命題，可按下列步驟進行：

（1）（歸納奠基）證明當 取第一個值 時命題成立；

（2）（歸納遞推）假設(shè) 時命題成立，證明當 時命題也成立。

只要完成這兩個步驟，就可以斷定命題對于從 開始的所有正整數(shù) 都成立。這種證明方法叫做數(shù)學歸納法。

運用數(shù)學歸納法進行證明時，“歸納奠基”和“歸納遞推”兩個步驟缺一不可。其中第一步是命題遞推的基礎(chǔ)，第二步是命題遞推的根據(jù)。有第一步?jīng)]有第二步，屬于不完全歸納法，有第二步?jīng)]有第一步，則第二步的假設(shè)就失去了基礎(chǔ)。只有兩個步驟都完成了，才能斷定命題對于從 開始的所有正整數(shù) 都成立。證明命題時的難點和關(guān)鍵都在第二步，主要在于如何合理運用歸納假設(shè)，即以“ 命題成立”為條件，結(jié)合其他數(shù)學知識，證明“當 時命題成立”。

3.數(shù)學歸納法的應(yīng)用

3.1數(shù)學歸納法證明恒等式

例1、用數(shù)學歸納法證明 。

證明：（1）當 時，左邊 ，右邊 ，等式成立。

（2）假設(shè) 時，等式成立，即

。

當 時，

所以 時，等式也成立。

綜上（1），（2）可知，等式對任意的 都成立。

點評：用數(shù)學歸納法證明恒等式：（1）第一步是驗證 取第一個值時等式是否成立，是奠基。第二步在假設(shè) 時，一定要寫出對應(yīng)的表達式，證明 時，一定要用到歸納假設(shè)。（2）第二步證明的關(guān)鍵要看左右兩邊的項和證明的目標，合理利用“一‘湊假設(shè)，二‘湊結(jié)論”的證明技巧。

3.2用數(shù)學歸納法證明整除問題

例2、用數(shù)學歸納法證明： 對任意的 都能被17整除。

證明：（1）當 時， ，能被17整除，所以命題成立。

（2）假設(shè) 時， 能被17整除。

當 時，

=

所以 時，命題也成立。

綜上（1），（2）可知， 對任意的 都能被17整除。

3.3用數(shù)學歸納法證明幾何問題

例3、證明凸 邊形的對角線條數(shù)為 。

證明：1）當 時， ，四邊形有兩條對角線，命題成立。

（2）假設(shè) 時，命題成立，即凸 邊形的對角線條數(shù)為 。當 時，凸 邊形是在凸 邊形的基礎(chǔ)上增加了一條邊，增加了一個頂點，這個頂點與它不相鄰的 頂點構(gòu)成 條對角線，再加與它相鄰的兩個頂點構(gòu)成的一條對角線，所以凸 邊形的對角線條數(shù)為

，

所以 時，命題也成立。

綜上（1），（2）可知， 對任意的 命題成立。

3.4用數(shù)學歸納法證明不等式

例4、證明貝努利不等式：（人教版選修4-5，不等式選講第51頁）

如果 為大于1的自然數(shù)，那么有 。（證明略）

例5、用數(shù)學歸納法證明：對任意的 ，不等式 都成立。

證明：（1）當 時， ，命題成立。

（2）假設(shè) 時命題成，即 。

當 時，

。

所以 時，命題也成立。

綜上（1），（2）可知，對任意的 ， 成立。

點評：用數(shù)學歸納法證明不等式時，對 時是整個證明的難點和關(guān)鍵，證明時要分離出該命題中可以使用歸納假設(shè)的部分。放縮法作為不等式證明的特有技巧，在用數(shù)學歸納法證明不等式時，常被使用。

3.5用數(shù)學歸納法解決數(shù)列問題

例6、（2012.北京海淀模擬）數(shù)列 滿足 。

1） 計算 的值，并由此猜想通項公式 ；

2）用數(shù)學歸納法證明（1）中的猜想。

解： （1） ， 。

（2）用數(shù)學歸納法證明猜想。

證明：1）當 時， ，結(jié)論成立。

2）假設(shè) ，結(jié)論成立，即 。

當 時，

所以 ，即

，

即 時，結(jié)論也成立。

由1），2）知猜想 成立。

點評：先計算出數(shù)列的前幾項，用不完全歸納法得到通項公式的猜想，再用數(shù)學歸納法給出證明，這是解決數(shù)列問題的一般思路，即“觀察——歸納猜想——證明”?！跋炔潞笞C”解與正整數(shù)有關(guān)的問題時，有時候如果最初的兩三個初始時不能發(fā)現(xiàn)規(guī)律，要多舉幾項顯示其規(guī)律，要敢于猜想、善于猜想，做出科學的猜想和判斷。

數(shù)學歸納法是專門證明與正整數(shù)有關(guān)的的命題的一種方法，它是一種完全歸納法，證明分兩步，第一步是命題成立的基礎(chǔ)，稱為“歸納奠基”，第二步解決的是延續(xù)性問題，稱為“歸納遞推”，兩個步驟缺一不可。運用數(shù)學歸納法可以證明許多數(shù)學問題，既可以開闊眼界，又可以受到推理訓練，數(shù)學歸納法的出現(xiàn)，使人們的認識“從有限到無限的飛躍”（華羅庚語）。當然，并不是所有與正整數(shù)有關(guān)的命題都可以用數(shù)學歸納法來證明，應(yīng)該具體問題具體分析。

【參考文獻】

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[2]朱麗，尖子生學案-高中數(shù)學2-2，長春，吉林人民出版社，2009.4

[3]薛金星，中學教材全解-高中數(shù)學4-5，西安，陜西人民教育出版社，2010.3

[4]數(shù)學歸納法及應(yīng)用，百度文庫，2013.7（引用）

[5]數(shù)學歸納法經(jīng)典例題，百度文科，2013.7（引用）