例析数学归纳法在高中数学中的应用

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  数学归纳法是证明一些与正整数有关的数学命题的一种方法,即先证明当n取第一个值n0时命题成立,然后假设当n=kk∈N+,k≥n0时命题成立的前提下,证明当n=k+1时命题也成立,那么就证明了这个命题成立.下文主要介绍数学归纳法在解决高中数学问题中的应用.
  一、证明恒等式问题
  例1 对于n∈N*,用数学归纳法证明:
  1·n+2·(n-1)+3·(n-2)+…+(n-1)·2+n·1=16n(n+1)(n+2).
  证明 设f(n)=1·n+2·(n-1)+3·(n-2)+…+(n-1)·2+n·1.
  (1)当n=1时,左边=1,右边=1,等式成立;
  (2)设当n=k(k∈N*)时等式成立,即1·k+2·(k-1)+3·(k-2)+…+(k-1)·2+k·1=
  16k(k+1)(k+2),
  则当n=k+1时,
  f(k+1)=1·(k+1)+2[(k+1)-1]+3[(k+1)-2]+…+[(k+1)-2]·3+[(k+1)-1]·2+(k+1)·1
  =f(k)+1+2+3+…+k+(k+1)
  =16k(k+1)(k+2)+12(k+1)(k+1+1)
  =16(k+1)(k+2)(k+3).
  ∴由(1)(2)可知当n∈N*时等式都成立.
  二、证明不等式问题
  例2 已知n∈N*,
  求证:(1+2+3+…+n)·(1+12+13+…+1n)≥n2.
  证明 可结合不等关系:1+12+13+…+1n≥1+12(n>1)来证明,但注意要将奠基的起点后移,即在第一步证明中,不仅要证明n=1时原不等式成立,还要证明当n=2时,原不等式也成立.
  证明:(1)当n=1时,原不等式显然成立,
  当n=2时,不等式
  左边=(1+2)×(1+12)=92=412,
  右边=22=4,则左边>右边,
  ∴当n=2时,原不等式成立.
  (2)假设当n=k(k∈N*,k>1)时,(1+2+3+…+k)·(1+12+13+…+1k)≥k2成立,则n=k+1时,
  [1+2+3+…+k+(k+1)][1+12+13+…+1k+(1k+1)]
  =(1+2+3+…+k)(1+12+13+…+1k)+1+2+3+…+kk+1+(1+12+13+…+1k)(k+1)+1≥k2+k(k+1)2(k+1)+(1+12)(k+1)+1
  >k2+k2+32k+1=(k+1)2.
  所以当n=k+1时原不等式也成立.
  由(1)和(2),可知原不等式对任何n∈N*都成立.
  三、证明整除性问题
  例3 证明: an+1+a+12n-1能被a2+a+1整除n∈N*.
  证明 (1)当n=1时,命题显然成立.
  (2)假设n=k时,命题成立,即ak+1+a+12k-1k∈N*能被a2+a+1整除.则当n=k+1时,
  ak+2+a+12k+1=ak+1a+a+12k-1a+12 =aak+1+a+12k-1+a+12k-1a+12-aa+12k-1
  =aak+1+a+12k-1+a+12k-1a+12-a
  =aak+1+a+12k-1+a+12k-1a2+a+1
  由于ak+1+a+12k-1能被a2+a+1整除,
  所以aak+1+a+12k-1+a+12k-1a2+a+1能被a2+a+1整除
  即当n=k+1时,命题也成立.
  根据(1)和(2),可知命题对任何n∈N*都成立.
  四、证明几何问题
  例4 证明:任何一个正方形都可以分割成5个以上的任意正方形.
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