1、直接证明与间接证明、数学归纳法直接证明与间接证明、数学归纳法 考试要求 1.了解直接证明的两种基本方法分析法和综合法; 了解分析 法和综合法的思考过程和特点. 2.了解间接证明的一种基本方法反证法;了解反证法的思考过程和特点. 3.了解数学归纳法的原理. 4.能用数学归纳法证明一些简单的数学命题 1直接证明 (1)综合法 定义:利用已知条件和某些数学定义、公理、定理等,经过一系列的推理论 证,最后推导出所要证明的结论成立的证明方法 (2)分析法 定义:从要证明的结论出发,逐步寻求使它成立的充分条件,直至最后,把 要证明的结论归结为判定一个明显成立的条件(已知条件、定理、定义、公理等) 为止的证
2、明方法 2间接证明反证法 一般地,假设原命题不成立(即在原命题的条件下,结论不成立),经过正确的 推理,最后得出矛盾,因此说明假设错误,从而证明了原命题成立,这样的证明 方法叫做反证法 3数学归纳法 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: (1)归纳奠基:证明当 n 取第一个值 n0(n0N*)时命题成立; (2)归纳递推:假设 nk(kn0,kN*)时命题成立,证明当 nk1 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 上 述证明方法叫做数学归纳法 一、易错易误辨析(正确的打“”,错误的打“”) (1)用数学归纳法证明问题
3、时,第一步是验证当 n1 时结论成立( ) (2)综合法是直接证明,分析法是间接证明 ( ) (3)分析法是从要证明的结论出发,逐步寻找使结论成立的充要条件( ) (4)用反证法证明结论“ab”时,应假设“aQ BPQ CPQ,只需 P2Q2,即 2a132a6a72a13 2 a8a5,只需 a213a42a213a40.因为 4240 成立,所以 PQ 成 立故选 A 4已知数列an满足 an1a 2 nnan1,nN*,且 a12,则 a2 , a3 ,a4 ,猜想 an . 3 4 5 n1 易得 a23,a34,a45,故猜想 ann1. 考点一 综合法的应用 掌握综合法证明问题的思
4、路 (1)综合法是“由因导果”的证明方法, 它是一种从已知到未知(从题设到结论) 的逻辑推理方法,即从题设中的已知条件或已证的真实判断(命题)出发,经过一系 列中间推理,最后导出所要求证结论的真实性 (2)综合法的逻辑依据是三段论式的演绎推理 典例 1 设 a,b,c 均为正数,且 abc1. 证明:(1)abbcac1 3; (2)a 2 b b 2 c c 2 a1. 证明 (1)由 a2b22ab,b2c22bc,c2a22ac, 得 a2b2c2abbcca, 由题设得(abc)21, 即 a2b2c22ab2bc2ca1, 所以 3(abbcca)1, 即 abbcca1 3. (2
5、)因为 a,b,c 均为正数, a2 b b2a,b 2 c c2b,c 2 aa2c, 故a 2 b b 2 c c 2 a(abc)2(abc), 即a 2 b b 2 c c 2 aabc, 所以a 2 b b 2 c c 2 a1. 母题变迁 本例的条件不变,证明 a2b2c21 3. 证明 因为 abc1, 所以 1(abc)2a2b2c22ab2bc2ac, 因为 2aba2b2,2bcb2c2,2aca2c2, 所以 2ab2bc2ac2(a2b2c2), 所以 1a2b2c22(a2b2c2), 即 a2b2c21 3. 点评:(1)不等式的证明常借助基本不等式,注意其使用的前
6、提条件“一正、 二定、三相等”;(2) 应用重要不等式 a2b22ab 放缩时要注意待证不等式的方 向性 跟进训练 在ABC 中,角 A,B,C 的对边分别为 a,b,c,已知 sin Asin Bsin Bsin C cos 2B1. (1)求证:a,b,c 成等差数列; (2)若 C2 3 ,求证:5a3b. 证明 (1)由已知得 sin Asin Bsin Bsin C2sin2B, 因为 sin B0,所以 sin Asin C2sin B, 由正弦定理,得 ac2b,即 a,b,c 成等差数列 (2)由 C2 3 ,c2ba 及余弦定理得 (2ba)2a2b2ab,即有 5ab3b2
7、0, 即 5a3b. 考点二 分析法的应用 分析法证明问题的思路及适用范围 利用分析法证明问题,先从结论入手,由此逐步推出保证此结论成立的充分 条件;当已知条件与结论之间的联系不够明显、直接,或证明过程中所需用的知 识不太明确、具体时,往往采用分析法,特别是含有根号、绝对值的等式或不等 式,常考虑用分析法 典例 2 已知ABC 的三个内角 A,B,C 成等差数列,A,B,C 的对边分 别为 a,b,c. 求证: 1 ab 1 bc 3 abc. 证明 要证 1 ab 1 bc 3 abc, 即证abc ab abc bc 3, 也就是 c ab a bc1, 只需证 c(bc)a(ab)(ab
8、)(bc), 需证 c2a2acb2, 又ABC 三内角 A,B,C 成等差数列,故 B60 , 由余弦定理,得 b2c2a22accos 60 , 即 b2c2a2ac,故 c2a2acb2成立 于是原等式成立 点评:(1)用分析法证明时,要注意书写格式的规范性,常常用“要证(欲 证)”“即证”“只需证”等,逐步分析,直到一个明显成立的结论 (2)证明较复杂的问题时,可以采用两头凑的办法,如本例中,通过分析法找 出与结论等价(或充分)的中间结论“c2a2acb2”,然后通过综合法证明这个 中间结论,从而使原命题得证 跟进训练 若 a,b(1,),证明 ab 1ab. 证明 要证 ab 1ab
9、, 只需证( ab)2( 1ab)2, 只需证 ab1ab0, 即证(a1)(1b)0. 因为 a1,b1,所以 a10,1b0, 即(a1)(1b)0 成立, 所以原不等式成立 考点三 反证法的应用 用反证法证明问题的步骤 典例 3 设 a0,b0,且 ab1 a 1 b. 证明:(1)ab2; (2)a2a2 与 b2b0,b0,得 ab1. (1)由基本不等式及 ab1, 有 ab2 ab2,即 ab2. (2)假设 a2a2 与 b2b2 同时成立,则由 a2a0,得 0a1; 同理,0b1,从而 ab1,这与 ab1 矛盾 故 a2a2 与 b2b2 不可能同时成立 点评:(1)当一
10、个命题的结论是以“至多”“至少”“唯一”或以否定形式出 现时,宜用反证法来证 (2)在使用反证法证明数学命题时,反设必须恰当,如“都是”的否定是“不 都是”“至少一个”的否定是“不存在”等 跟进训练 等差数列an的前 n 项和为 Sn,a11 2,S393 2. (1)求数列an的通项公式 an与前 n 项和 Sn; (2)设 bnSn n (nN*),求证:数列bn中任意不同的三项都不可能成为等比数 列 解 (1)设等差数列an的公差为 d. 由已知得 a1 21, 3a13d93 2, 所以 d2,故 an2n1 2,Snn(n 2)(nN*) (2)证明:由(1)得 bnSn n n 2
11、, 假设数列bn中存在三项 bp,bq,br(p,q,rN*,且互不相等)成等比数列, 则 b 2 qbpbr. 即(q 2)2(p 2)(r 2), 所以(q2pr) 2(2qpr)0, 因为 p,q,rN*,所以 q2pr0, 2qpr0, 所以 pr 2 2 pr,(pr)20, 所以 pr,与 pr 矛盾, 所以数列bn中任意不同的三项都不可能成等比数列 考点四 数学归纳法的应用 1应用数学归纳法证明不等式应注意的问题 (1)当遇到与正整数 n 有关的不等式证明时,应用其他办法不容易证,则可考 虑应用数学归纳法 (2)用数学归纳法证明不等式的关键是由 nk 成立,推证 nk1 时也成立
12、, 证明时用上归纳假设后,可采用分析法、综合法、求差(求商)比较法、放缩法、构 造函数法等证明方法 2利用数学归纳法可以探索与正整数 n 有关的未知问题、存在性问题,其基 本模式是“归纳猜想证明”,即先由合情推理发现结论,然后经逻辑推理论 证结论的正确性 典例 4 (2019 浙江高考)设等差数列an的前 n 项和为 Sn,a34,a4S3.数 列bn满足:对每个 nN*,Snbn,Sn1bn,Sn2bn成等比数列 (1)求数列an,bn的通项公式; (2)记 cn an 2bn,nN *,证明:c1c2cn2 n,nN*. 解 (1)设数列an的公差为 d, 由题意得 a12d4, a13d
13、3a13d, 解得 a10,d2, an2n2,nN*. Snn2n,nN*. 数列bn满足:对每个 nN*,Snbn,Sn1bn,Sn2bn成等比数列, (Sn1bn)2(Snbn)(Sn2bn), 解得 bn1 d(S 2 n1SnSn2), 即 bnn2n,nN*. (2)证明:cn an 2bn 2n2 2nn1 n1 nn1,nN *, 用数学归纳法证明: 当 n1 时,c102,不等式成立; 假设当 nk(kN*)时不等式成立, 即 c1c2ck2 k, 则当 nk1 时, c1c2ckck12k k k1k2 2k 1 k1 2k 2 k1 k2 k2( k1 k)2 k1, 即
14、 nk1 时,不等式也成立 由得 c1c2cn2 n,nN*. 点评:用数学归纳法证明与 n 有关的不等式,在归纳假设使用后可运用比较 法、综合法、分析法、放缩法等来加以证明,充分应用均值不等式、不等式的性 质等放缩技巧,使问题得以简化 跟进训练 已知 f (n)1 1 23 1 33 1 43 1 n3,g(n) 3 2 1 2n2,nN *. (1)当 n1,2,3 时,试比较 f (n)与 g(n)的大小关系; (2)猜想 f (n)与 g(n)的大小关系,并给出证明 解 (1)当 n1 时,f (1)1,g(1)1, 所以 f (1)g(1); 当 n2 时,f (2)9 8,g(2)
15、 11 8 ,所以 f (2)g(2); 当 n3 时,f (3)251 216,g(3) 312 216, 所以 f (3)g(3) (2)由(1)猜想,f (n)g(n),用数学归纳法证明 当 n1,2,3 时,不等式显然成立 假设当 nk(k3,kN*)时不等式成立, 即 1 1 23 1 33 1 43 1 k3 3 2 1 2k2, 则当 nk1 时, f (k1)f (k) 1 k13 3 2 1 2k2 1 k13. 因为 1 2k12 1 2k2 1 k13 k3 2k13 1 2k2 3k1 2k13k20, 所以 f (k1)3 2 1 2k12g(k1) 由可知,对一切 nN*,都有 f (n)g(n)成立