数列与数学归纳法

专题39数列与数学归纳法【热点聚焦与扩展】数学归纳法是一种重要的数学方法，其应用主要体现在证明等式、证明不等式、证明整除性问题、归纳猜想证明等．本专题主要举例说明利用数学归纳法证明数列问题.1、数学归纳法适用的范围：关于正整数n的命题（例如数列，不等式，整除问题等），则可以考虑使用数学归纳法进行证明2、第一数学归纳法：通过假设nk成立，再结合其它条件去证1nk成立即可.证明的步骤如下：（1）归纳验证：验证0nn（0n是满足条件的最小整数）时，命题成立（2）归纳假设：假设0,nkknnN成立，证明当1nk时，命题也成立（3）归纳结论：得到结论：0,nnnN时，命题均成立3、第一归纳法要注意的地方：（1）数学归纳法所证命题不一定从1n开始成立，可从任意一个正整数0n开始，此时归纳验证从0nn开始（2）归纳假设中，要注意0kn，保证递推的连续性（3）归纳假设中的nk，命题成立，是证明1nk命题成立的重要条件.在证明的过程中要注意寻找1nk与nk的联系4、第二数学归纳法：在第一数学归纳法中有一个细节，就是在假设nk命题成立时，可用的条件只有nk，而不能默认其它nk的时依然成立.第二数学归纳法是对第一归纳法的补充，将归纳假设扩充为假设nk，命题均成立，然后证明1nk命题成立.可使用的条件要比第一归纳法多，证明的步骤如下：（1）归纳验证：验证0nn（0n是满足条件的最小整数）时，命题成立（2）归纳假设：假设0,nkknnN成立，证明当1nk时，命题也成立（3）归纳结论：得到结论：0,nnnN时，命题均成立.5.注意点：对于归纳猜想证明类问题，有三个易错点.一是归纳结论不正确；二是应用数学归纳法，确认n的初始值n0不准确；三是在第二步证明中，忽视应用归纳假设.【经典例题】例1.【2018届重庆市第一中学5月月考】已知为正项数列的前项和，，记数列的前项和为，则的最小值为______.【答案】【解析】分析：由题意首先求得，然后利用题意结合函数的性质确定最小值即可.详解：由题意结合，以下用数学归纳法进行证明：当时，结论是成立的，假设当时，数列的通项公式为：，则，由题意可知：，结合假设有：，解得：，综上可得数列的通项公式是正确的.据此可知：，，利用等差数列前n项和公式可得：，则，结合对勾函数的性质可知，当或时，取得最小值，当时，当时，由于，据此可知的最小值为.点睛：本题的关键在于合理利用归纳推理得到数列的通项公式.归纳推理是由部分到整体、由特殊到一般的推理，由归纳推理所得的结论不一定正确，通常归纳的个体数目越多，越具有代表性，那么推广的一般性命题也会越可靠，它是一种发现一般性规律的重要方法．例2.设Sn为数列{an}的前n项和，满足Sn＝2an－2(n∈N*)（1）求的值，并由此猜想数列{an}的通项公式an；（2）用数学归纳法证明（Ⅰ）中的猜想．【答案】（1）；（2）见解析.当n＝4时，a1＋a2＋a3＋a4＝S4＝2×a4－2，∴a4＝16.由此猜想：(n∈N*)．(2)证明：①当n＝1时，a1＝2，猜想成立．②假设n＝k(k≥1且k∈N*)时，猜想成立，即，那么n＝k＋1时，ak＋1＝Sk＋1－Sk＝2ak＋1－2ak∴ak＋1=2ak，这表明n＝k＋1时，猜想成立，由①②知猜想成立．点睛：数学归纳法被用来证明与自然数有关的命题：递推基础不可少，归纳假设要用到，结论写明莫忘掉.例3．已知数列满足：，.（Ⅰ）试求数列，，的值；（Ⅱ）请猜想的通项公式，并运用数学归纳法证明之.【答案】（Ⅰ），，.（Ⅱ），证明见解析.由此猜想.下面用数学归纳法证明之：当时，，结论成立；假设时，结论成立，即有，则对于时，∴当时，结论成立.综上，可得对，成立点睛：运用数学归纳法证明数学问题的步骤及其需要注意的问题：1、第一步：归纳奠基（即验证时成立）；第二步：归纳递推（即假设时成立，验证时成立）；3、两个条件缺一不可，在验证时成立时一定要用到归纳假设时的结论，最后得到的形式应与前面的完全一致.例4.【2018届浙江省温州市高三9月一模】已知数列中，，（）．（1）求证：；（2）求证：是等差数列；（3）设，记数列的前项和为，求证：．【答案】(1)证明见解析；（2）证明见解析；（3）证明见解析.【解析】试题分析：（1）利用数学归纳法可证明；（2）化简，由可得是等差数列；（3）由（2）可得，从而可得，先证明，利用放缩法及等比数列求和公式可证结论.（2）由，得，所以，即，即，所以，数列是等差数列．（3）由（2）知，，∴，因此，当时，，即时，，所以时，，显然，只需证明，即可．当时，．例5.已知函数2ln,10bfxaxxfx（1）若函数fx在1x处切线斜率为0，'21111nnafnan，已知14a，求证：22nan（2）在（1）的条件下，求证：1211121115naaa【答案】见解析下面用数学归纳法证明：22nan当1n时，1422an成立假设nkkN成立，则1nk时121kkkaaak22kak1222145212kakkk1nk时，不等式成立,22nnNan（2）212121nnnnnaanaaan由（1）可知22nan121nnaa11111121121nnnnaaaa2112111111111212121nnnnaaaa1211111111111122nnaaaa1112121211152512nna例6．【浙江省绍兴市2018届5月调测】已知数列中.（1）证明：；（2）设数列的前项和为，证明：．【答案】（1）见解析；（2）见解析详解：（1）数学归纳法：①当时，，，显然有.②假设当，结论成立，即，那么，，即，综上所述成立.（2）由（1）知：，，即，；点睛：解决数列与函数、不等式的综合问题的关键是从题设中提炼出数列的基本条件，综合函数与不等式的知识求解；数列是特殊的函数，以数列为背景的不等式证明问题及以函数为背景的数列的综合问题体现了在知识交汇点上命题的特点．例7．【福建省南平市2018届5月检查】己知函数.（Ⅰ）求函数的单调区间；（Ⅱ）若函数的最小值为-1，，数列满足，，记，表示不超过的最大整数．证明：．【答案】（Ⅰ）见解析;（Ⅱ）见解析.详解：（Ⅰ）函数的定义域为.1、当时，，即在上为增函数；2、当时，令得，即在上为增函数；同理可得在上为减函数.（Ⅱ）有最小值为-1，由（Ⅰ）知函数的最小值点为，即，则，令，当时，，故在上是减函数所以当时∵，∴.（未证明，直接得出不扣分）则.由得，从而.∵，∴.猜想当时，.下面用数学归纳法证明猜想正确.1、当时，猜想正确.2、假设时，猜想正确.即时，.当时，有，由（Ⅰ）知是上的增函数，则，即，例8.已知函数，在原点处切线的斜率为，数列满足为常数且，．（1）求的解析式；（2）计算，并由此猜想出数列的通项公式；（3）用数学归纳法证明你的猜想．【答案】（1）；（2）；（3）证明见解析．（2），则，，，由此猜想数列的通项公式应为．（3）①当时，猜想显然成立，②假设时，猜想成立，即，则当时，，即当时，猜想成立．由①②知，对一切正整数都成立．例9.已知数列是等差数列，.(1)求数列的通项公式；(2)设数列的通项(其中且)记是数列的前项和，试比较与的大小，并证明你的结论.【答案】（1）；（2）当时，,当时，，证明见解析.详解：(1)设数列{bn}的公差为d,由题意得,∴bn=3n－2.(2)证明：由bn=3n－2知Sn=loga(1+1)+loga(1+)+…+loga(1+)=loga［(1+1)(1+)…(1+)］而logabn+1=loga,于是，比较Sn与logabn+1的大小比较(1+1)(1+)…(1+)与的大小取n=1，有(1+1)=取n=2，有(1+1)(1+推测(1+1)(1+)…(1+)＞(*)①当n=1时，已验证(*)式成立②假设n=k(k≥1)时(*)式成立，即(1+1)(1+)…(1+)＞则当n=k+1时，,即当n=k+1时，(*)式成立由①②知，(*)式对任意正整数n都成立于是，当a＞1时，Sn＞logabn+1,当0＜a＜1时，Sn＜logabn+1.例10.【2018年浙江省高考模拟】已知数列nx满足：1111,11nnnxxxx.证明：当*nN时，（1）10nnxx；（2）11323nnnnxxxx；（3）122233nnnx.【答案】（1）见解析；（2）见解析；（3）见解析由数列的递推式，以及（2）的结论可得1113110323nnxx，根据等比数列的通项公式即可证明232nnx，再结合已知可得1113112nnnnxxxx，即可证明不等式成立.详解：（1）数学归纳法证明：0nx当1n时，110x成立假设nk时0kx，成立，那么1nk时，假设10kx，则11110kkkxxx，矛盾所以10kx，故0nx得证所以11111nnnnxxxx，故10nnxx（2）由1111nnnxxx得1196nnnnxxxx21116146nnnnxxxx设26146(0)fxxxxxx则6'21421xfxxxx2511491212481xxx（3）由（2）得1113110323nnxx，则113nx1211133322nnx所以232nnx又11102xxx，所以111112nnxx，所以1113112nnnnxxxx，故123nnxx所以123nnx，所以122233nnnx【精选精练】1．用数学归纳法证明“”时，由时等式成立推证时，左边应增加的项为__________.【答案】点睛：项数的变化规律，是利用数学归纳法解答问题的基础，也是易错点，要使问题顺利得到解决，关键是注意两点：一是首尾两项的变化规律；二是相邻两项之间的变化规律.2．用火柴棒摆“金鱼”，如图所示：按照上面的规律，第n个“金鱼”图需要火柴棒的根数为______________．【答案】【解析】试题分析：由题意得：“金鱼”图需要火柴棒的根数依次构成一个等差数列，首项为8，公差为6，因此第n项为x+kw3．已知数列中，且.（1）求，，；（2）根据（1）的结果猜想出的一个通项公式，并用数学归纳法进行证明；（3）若，且，求.【答案】（1）；（2），证明见解析；（3）.（2）由此猜想.下面用数学归纳法加以证明：①当时，由（1）知成立；②假设，结论成立，即成立.则当时，有，即即时，结论也成立；由①②可知，的通项公式为.（3）由（2）知，.4．已知数列的前项和为，且满足，.（1）计算，，，根据计算结果，猜想的表达式；（2）用数学归纳法证明你猜想的结论.【答案】(1)答案见解析；(2)证明见解析.【解析】分析：（1）计算，，，根据计算结果，猜想.（2）用数学归纳法证明猜想的结论.由此猜想，（2）下面用数学归纳法证明，①当时，显然成立，②假设当时猜想成立，即，由题意得，∴，∴，∴当时猜想也成立，由①和②，可知猜想成立，即.点睛：（1）在利用数学归纳法证明数学问题时，一定要注意利用前面的时的假设，否则就是伪数学归纳法，是错误的.（2）看到或，要注意联想到项和公