高中数学4.4* 数学归纳法教学设计

课程目标

学科素养

A.了解数学归纳法的原理.

B.能用数学归纳法证明一些简单的数学命题.

1.数学抽象：数学归纳法的原理

2.逻辑推理：运用数学归纳法证明数学命题

3.数学建模：运用多米诺骨牌建立数学归纳法概念

教学过程

教学设计意图

核心素养目标

一、    知识回顾

在数列的学习过程中，我们已经用归纳的方法得出了一些结论，例如等差数列{}的通项公式 等，但并没有给出严格的数学证明，那么，对于这类与正整数有关的问题，我们怎样证明它对每一个正整数都成立呢？本节我们就来介绍一种重要的证明方法-----数学归纳法

探究1. 已知数列{}满足， =

计算， ， ，猜想其通项公式，并证明你的猜想.

分析：计算可得 ， ， ，再结合 ，由此猜想： 如何证明这个猜想呢？

思路1.我们可以从开始一个个往下验证。一般来说，与正整数有关的命题，当比较小时可以逐个验证，但当较大时，验证起来会很麻烦。特别当取所有正整数都成立的命题时，逐一验证是不可能的。因此，我们需要另辟蹊径，寻求一种方法。

问题1：多米诺骨牌都倒下的关键点是什么？

      我们先从多米诺骨牌游戏说起，码放骨牌时，要保证任意相邻的两块骨牌，若前一块骨牌倒下，则一定导致后一块骨牌倒下。这样，只要推到第1块骨牌，就可导致第2块骨牌倒下；而第2块骨牌倒下，就可导致第3块骨牌倒下；……，总之，不论有多少块骨牌，都能全部倒下。

问题1：多米诺骨牌都倒下的关键点是什么？

（1）第一块骨牌倒下；

（2）任意相邻的两块骨牌，前一块倒下一定导致后一块倒下.

问题2：你认为条件（2）的作用是什么？如何用数学语言来描述它？

可以看出，条件（2）给出一个递推根据（关系），当第k块倒下，

相邻的第k+1块也倒下。

探究2. 你认为证明前面的猜想“数列的通项公式是 ”与上述多米诺骨牌游戏有相似性吗？你能类比多米诺骨牌游戏解决这个问题吗？

（1）第一块骨牌倒下；

（2）若第K块骨牌倒下时，则使相邻的第K+1块骨牌也倒下

根据（1）和 （2），可知不论有多少块骨牌，都能全部倒下。

（1）当n=1时猜想成立；

（2）若n=k时猜想成立, 即 ,

则当n=k+1时, = =1,猜想也成立，

根据（1）和（2），可知对任意的正整数n，猜想都成立.

所以，对于任意，猜想都成立，即数列{}的通项公式是 .

  数学归纳法的定义

    一般地,证明一个与正整数n有关的命题,可按下列步骤进行:

归纳奠基→证明当n取第一个值n0(n0∈N*)时命题成立

归纳递推→以当“n=k(k≥n0,k∈N*)时命题成立”为条件,

推出“当n=k+1时命题也成立”

只要完成这两个步骤,就可以断定命题对从n0开始的所有正整数n都成立.这种证明方法叫做数学归纳法.

二、典例解析

例1.用数学归纳法证明：如果{}是一个公差为的等差数列，那么，

 =           ①

对任何都成立.

分析：因为等差数列的通项公式涉及全体正整数，所以用数学归纳法证明的第一步应证明时命题成立。第二步要明确证明目标，即要证明一个新命题：如果时, ①式正确的，那么时①式也是正确的.

证明：（1）当时，左边，右边= ,①式成立.

（2）假设当()时， ①式成立，即

=

根据等差数列的定义，有

于是

即当时， ①式也成立

由（1）（2）可知， ①式对任何都成立

           用数学归纳法证明恒等式时,应关注以下三点:

(1)弄清n取第一个值n0时等式两端项的情况;

(2)弄清从n=k到n=k+1等式两端增加了哪些项,减少了哪些项;

(3)证明n=k+1时结论也成立,要设法将待证式与归纳假设建立联系,并朝n=k+1证明目标的表达式变形.

跟踪训练1求证:1-+…++…+(n∈N*).

证明:①当n=1时,左边=1-,右边=,所以等式成立.

②假设n=k(k∈N*)时,1-+…++…+成立.

那么当n=k+1时,

1-+…++…+

=+…++[]

=+…+,所以n=k+1时,等式也成立.

综上所述,对于任何n∈N*,等式都成立.

例2已知数列,…,,…,计算S1,S2,S3,S4,根据

计算结果,猜想Sn的表达式,并用数学归纳法进行证明.

解:S1=;

S2=;

S3=;

S4=.

可以看出,上面表示四个结果的分数中,分子与项数n一致,

分母可用项数n表示为3n+1.

于是可以猜想Sn=.

下面我们用数学归纳法证明这个猜想.

(1)当n=1时,左边=S1=,

右边=,

猜想成立.

(2)假设当n=k(k∈N*)时猜想成立,

即+…+,当n=k+1时,+…+

,

所以,当n=k+1时猜想也成立.

根据(1)和(2),可知猜想对任何n∈N*都成立.

(1)“归纳—猜想—证明”的一般环节

(2)“归纳—猜想—证明”的主要题型

①已知数列的递推公式,求通项或前n项和.

②由一些恒等式、不等式改编的一些探究性问题,求使命题成立的参数值是否存在.

③给出一些简单的命题(n=1,2,3,…),猜想并证明对任意正整数n都成立的一般性命题.

跟踪训练2数列{an}满足Sn=2n-an(Sn为数列{an}的前n项和),先计算数列的前4项,再猜想an,并证明.

解:由a1=2-a1,得a1=1;

由a1+a2=2×2-a2,得a2=;

由a1+a2+a3=2×3-a3,得a3=;

由a1+a2+a3+a4=2×4-a4,得a4=.

猜想an=.

下面证明猜想正确:

(1)当n=1时,由上面的计算可知猜想成立.

(2)假设当n=k时猜想成立,

则有ak=,

当n=k+1时,Sk+ak+1=2(k+1)-ak+1,∴ak+1=[2(k+1)-Sk]

=k+1-,

所以,当n=k+1时,等式也成立.

由(1)和(2)可知,an=对任意正整数n都成立.

通等差数列通项公式的获得，引出问题。发展学生数学抽象、逻辑推理、数学建模的核心素养。

类比多米诺骨牌，经历观察、分析、比较、抽象出数学归纳法的原理。发展学生数学抽象、逻辑推理、数学建模的核心素养。

通过典型例题，帮助学生掌握数学归纳法在证明关于正整数有关的命题。发展学生数学抽象、数学运算、数学建模的核心素养。

三、达标检测

1.用数学归纳法证明1+a+a2+…+an+1=(a≠1,n∈N*),在验证n=1成立时,左边计算所得的项是(　　)

A.1              B.1+a

C.1+a+a2               D.1+a+a2+a3

解析:当n=1时,左边=1+a+a1+1=1+a+a2,故C正确.

答案:C

2.用数学归纳法证明1+2+3+…+(2n+1)=(n+1)(2n+1)时,从“n=k”到“n=k+1”,左边需增添的代数式是(　　)

A.(2k+1)+(2k+2)                     B.(2k-1)+(2k+1)

C.(2k+2)+(2k+3)                      D.(2k+2)+(2k+4)

解析:当n=k时,左边是共有2k+1个连续自然数相加,即1+2+3+…+(2k+1),

所以当n=k+1时,左边共有2k+3个连续自然数相加,即1+2+3+…+(2k+1)+(2k+2)+(2k+3).所以左边需增添的代数式是(2k+2)+(2k+3).故选C.

答案:C

3.已知f(n)=1++…+(n∈N*),计算得

f(2)=,f(4)>2,f(8)>,f(16)>3,f(32)>,由此推测,当n>2时,有　　　　　. 

答案:f(2n)>

4.用数学归纳法证明:+…+.假设n=k时,不等式成立,则当n=k+1时,应推证的目标不等式是　　　　　. 

解析:从不等式结构看,左边n=k+1时,最后一项为,前面的分母的底数是连续的整数,右边n=k+1时,式子为,即目标不等式为+…+.

答案:+…+

5.用数学归纳法证明:当n≥2,n∈N*时,(1-)…(1-)=.

证明:(1)当n=2时,左边=1-,右边=,∴n=2时等式成立.

(2)假设当n=k(k≥2,k∈N*)时等式成立,

即(1-)(1-)(1-)…(1-)=,

那么当n=k+1时, (1-)(1-)(1-)…(1-)[1-]

=·[1-]=.

∴当n=k+1时,等式也成立.

根据(1)和(2)知,对任意n≥2,n∈N*,等式都成立.

通过练习巩固本节所学知识，通过学生解决问题，发展学生的数学运算、逻辑推理、直观想象、数学建模的核心素养。

四、小结

五、课时练

通过总结，让学生进一步巩固本节所学内容，提高概括能力。