浅谈数学归纳法讲解.doc

浅谈数学归纳法陈国良 井冈山大学数理学院 江西 吉安 邮编：343009指导老师：曹艳华 摘要 用数学归纳法证明数学问题时，要注意它的两个步骤缺一不可，第一步是命题递推的基础，第二步是命题递推的依据，也是证明的关键和难点，两个步骤各司其职，互相配合.数学归纳法经历无数数学的潜心研究与科学家们的利用，是数学归纳法得以发展和它为数学问题与科学问题的发现做出了极大的贡献。学好归纳法是科学问题研究的最基础的知识.关键词理论依据；数学归纳法；表现形式1 数学归纳法的萌芽和发展过程数学归纳法思想萌芽可以说长生于古希腊时代。欧几里德在证明素数有无穷多多个时，使用了反证法，通过反设“假设有有限多个”，使问题变成“有限”的命题，其中证明里隐含着：若有n个素数，就必然存在第n+1个素数，因而自然推出素数有无限多个，这是一种是图用有限处理无限的做法，是人们通过过有限和无限的最初尝试。 欧几里德之后直到16世纪，在意大利数学家莫洛克斯的算术一书中明确提出一个“递归推理”原则，并用它证明了1+2+3+（2n-1）=,对任何自然数n都成立。不过他并没有对这原则做出清晰的表述。 对数学归纳法首次作出明确而清晰阐述的是法国数学家和物理学家帕斯卡，他发现了一种被后来成为“帕斯卡三角形”的数表。他在研究证明有关这个“算术三角形”的一些命题时，最先准确而清晰的指出了证明过程且只需的两个步骤，称之为第一条引理和第二条引理：第一条引理 该命题对于第一底（即(n=1)成立，这是显然的。第二条引理 如果该命题对任意底（对任意n）成立，它必对其下一底（对n+1）也成立。由此可得，该命题对所有n值成立。因此，在数学史上，认为帕斯卡是数学归纳法的创建人，因其所提出的两个引理从本质上讲就是数学归纳法的两个步骤，在他的著作论算术三角形中对此作了详尽的论述。帕斯卡的思想论述十一例子来陈述归纳法的，而在他的时代还未建立表示一般自然数的符号。直至十七世纪，瑞士数学家J。伯努利提出表示任意自然熟的符号之后，在他的猜度术一书中，才给出并使用了现代形式的数学归纳法。由此，数学归纳法开始得到世人的承认并得到数学界日益广泛的应用。十九世纪，意大利数学家皮亚若建立自然数的公理体系时，提出归纳公理，为数学归纳法奠定了理论基础。即：对于正整数的子集M，如果满足：1M;若aM，则a+1M；则M=.2 数学归纳法的表现形式2.1 第一数学归纳法原理1：设是一个与正整数有关的命题，如果（1）当时，成立；（2）假设时命题成立,由此推得n=k+1时，也成立；那么，对一切正整数n ,成立。证明：反证法.假设该命题不是对于一切正整数都成立.令表示使该命题不成立的正整数作成的集合，那么，于是由最小数原理，中有最小数,因为命题对于时成立，所以1，从而是个正整数，又由于条件（3）当也成立.因此，导致矛盾，因此该命题对于一切正整数都成立，定理证毕.在应用数学归纳法时，有些命题不一定从开始的，这时在叙述上只要将换成即可，第一数学归纳法主要可概括为以下三步：归纳基础：证明时命题成立；归纳假设：假设时命题成立；归纳递推;由归纳假设推出时命题也成立.22第二数学归纳法原理2：设是一个与正整数有关的命题，如果（1）当时，成立；（2）假设时命题成立,由此推得n=k+1时，也成立；那么，对一切正整数n ,成立。则这个命题对于一切正整数都成立其证明方法与上述证明方法类似由此我们可以看出第二数学归纳法与第一数学归纳法是等价的，在有些情况下，由归纳法“假设时命题成立”还不够，而需要更强的假定.也就是说，对于命题，在证明成立，不仅依赖成立，而且依赖于前面各步成立.这时一般要选用第二数学归纳法.第二数学归纳法可概括为一下三步：归纳基础：证明时命题成立;归纳假设：假设时命题成立;归纳递推：由归纳假设推出时命题也成立.第二数学归纳法与第一数学归纳法基本形式的区别在于归纳假设.2.3.跳板数学归纳法原理原理3：设是一个与正整数有关的命题.如果：（1）当n=1，2，3，L时，都成立；（2）假设时，成立，由此能推得n=k+L时，也成立；那么，对一切正整数n1,成立.2.4.反向归纳法反向归纳法是数学家柯西最先使用的，原理：设是一个与正整数有关的命题.如果：（1）对于无限多个正整数成立-（2）假设对正整数k>1, 成立，则也成立；那么，对一切正整数，成立.3 归纳法的两种分类归纳法有完全归纳法和不完全归纳法（经验归纳法）之分3.1完全归纳法也叫完全推理。这是根据某类事物中的每一事物都具有某种性质P，推出该类中全部事物都具有该性质P的归纳推理。运用完全归纳法，前提必须包括某类事物中的一切对象，无一遗漏，而且作为前提的判断也必须是真实的。故完全归纳法得出的结论是真实的可靠的。3.2不完全归纳法是通过对一类事物的部分对象的考察，从中作出有关这一类事物的一般性的结论的猜想的方法。它的可靠性较弱些，但同时是一种创造性较强的方法。在数学发现和数学创造的活动中有十分的重要作用。具体可表示如下：从具体问题或具体素材出发实验归纳推广形成普遍命题证明3.2.1 用经验归纳法发现问题的结论 常见的有两种形式:一是由特殊事物直接猜测问题的结论；二是根据规律先猜测一个递推规律，然后凭借递推关系去发现结论。例1 设正项数列的前n项和为且= ，求该数列的通项公式。分析：在= 中，依此令n=1,2,可得：n=1时，,从而得1；n=2时, ,即.解之，得（负值舍去）.类似的，可得于是可猜想：=。结论的正确性可以通过数学归纳法进行证明。3.2.2 用经验归纳发现解决问题的途径。例2 证明正方形比可划分为n(nN且n )个小正方形。证明：当n=5,6,7,8.时，命题显然成立。假定当n=3k,n=3k+1(kN且k )时，命题也成立，己也可以划分，那么，当n=3(3k+1)+3,n=3(k+1)+1,n=3(k+1)+2时，亦即n=3k+3,n=(3k+2)+3时，只要将n=3k,n=3k+1,n=3k+2时各情形中的一个小正方形分成四个更小的正方形，即可使所划分出的正方形数目增加3个，所以n=3k+3,n=(3k+2)+3时，命题也成立。这样，命题便得到了证明。4 数学归纳法的形式步骤例3 对n,证明: 分析：这是一个典型的可用数学归纳法证明的命题，证明过程如下：（1）当n=1时，左=1，命题成立。（2）假设n=k时，成立，则当n=k+1时，即，命题也能成立。（3）综上所述，由数学归纳法原理知，对n,成立。在证明第二步“n=k+1时等式成立”时，除了形式上的变形外，其实质是运用了先前的假设“n=k时等式成立“。因此，第二步一开始的假设不是可有可无，它不是摆设，而是在以后的证明中起着已知条件的作用，不可或缺，也只有这样，才表明由n=k时命题成立到处n=k+1时命题成立的递推关系的真实存在，在用数学归纳法证明时，第一步很简单，第二步很关键，也是综合性较强的一步，其归纳过渡作用。数学归纳法是一种非常有效的证明与自然数序列有关的命题的数学方法。他绕开了证明过程中的很多障碍显得简洁有力。这种证明方法的本质特征用庞加莱的话来说：“把无穷的第二轮纳入唯一的公式中。”具体运用归纳法原理证明数学命题是分三步：验证n去第一个值时命题也正确性（奠基）；证明“由n=k”时命题正确可推得n=k+1时命题也正确”（递推依据）；由以上两个步骤确认结论（断言）。5 数学归纳法应用举例以及一些技巧数学归纳法形式上是三步，看似简单，其使用起来也有很多技巧，尤其是第二部归纳过度推证，有时会用许多数学变形技巧，例4：设是一个正数列，对一切n=0,1,2,.,都有，证明，对一切n=1,2,都有.分析：由不等式得知，由于知 再结合平均不等式，即得.知当n=1时，所证不等式成立.假设当n=k时，不等式成立，即有，要证n=k+1时不等式也成立.分两种情况讨论：（1）若，则；（2）若，显然有0 1- 1，所以；无论任何情况，所证不等式都对n=k+1成立。故根据数学归纳法原理，对一切正整数n，不等式均成立。在上述证明过程中，实施归纳过度是分成两种情况考虑，用意十分明显，因为我们要想从得出关于的上界估计，不仅需要关于“小于多少”的信息，而且需要关于“大于多少”的信息。然而这类信息既不能从归纳假设中得到，有无法从数列本身性质中得到，迫不得已只好先对假定有。而对另一种情形采用另一种估计的办法。6 数学归纳法的重要性如果所得的判断得到的证明或者检验，就变成了科学规律性的认识，因此归纳与猜想是科学发现过程中的重要步骤和思想方法。例如，牛顿，爱因斯坦的科学成果，在相当大的程度上是从特殊事实出发，经过归纳，得到大胆的猜想，提出更一般，广泛的全新的科学方法或者结论，推动了科学的发展。在数学解题中，往往需要从特殊，个体，简单，局部的事实出发，探究，概括一般的规律。因此，在观察基础上，掌握归纳方法，会概括数学猜想的思维方法，对学好数学非常重要。正如波利亚所说：”从各个方面来看，数学是学习归纳推理最合适的材料。例如，数学家从： 通过归纳思维方式得出：对从1的连续的n个正奇数的和等于。上述过程得出的结论，也是不完全的归纳推理。在猜想是怎样在某些事实的基础上，借助逻辑思维而逐步形式的呢？我们说，这主要在观察和比较的基础上通过归纳和类比。拉普拉斯说过：“甚至在数学里，发现真理的主要工具也是归纳和类比。”高斯也说过：“在数论中由于意外的幸运颇为经常，所以用归纳法可萌发出即漂亮的新的真理。”归纳推理是一种思维推理形式，归纳猜想则是里用归纳推理中的不完全归纳推理惊醒的一种猜想它是指在解决数学问题时，人们并没有根据通常归纳推理中具有的那种必须的依据。而是根据以往的经验。利用以往对数学问题解决的方法，对数学问题进行的一种主次渐进的试错与淘汰选择的猜想形式。当然，归纳思维所得的结果，可能正确，也可能不正确，归纳法推理是一种似真理推理例如：数学家费马对形如的数，当进行了验证：都是质数。由此费马得出猜测：对任意自然数，形如的数都是质数。费马是通过归纳猜测思维得到这个猜想的。事实上，这个猜想命题不真。后来由欧拉证明了当n=5时，是个合数，从而否定了费马这一猜想。7 数学归纳法学习的心理困难教学实践表明，学生学习数学归纳法，常常是掌握了数学归纳法的技巧，却不能真正理解它的含义。由菲施拜因等研究表明，学习数学归纳法，学生面临的心理问题是：命题（归纳假设）在证明过程中出现了两次，一是作为被证的命题，一是作伪命题成立的假设条件，理解的难点是：关键是第二步的证明过程整个建立在一个命题上，而他本身又未被预先证明，并且在推理过程中不加以证明。由于这种情况的影响，学生不能将归纳假设在归纳推理中看成一个命题，于是，他们就会产生以下的想法：（1）归纳假设的成立时没有保证的；（2）归纳假设的成立时不能证明的；（3）归纳假设的根据是有限的（在某种情况下，它可能不成立）。数学归纳法推理需要建立在自身之上的证明，我们要证明的蕴含关系pq对于其两部分p和q来说，他们的客观正确性在归纳推理这一过程中完全没有关系的。这个想法无法被学生直观的接受。这种情况被“前提p已经包含了要求求证的定理“弄复杂了。学生的想法是想验证前提是否成立，于是他们就弄不懂前提的承认要依赖于被证明的定理。我国的研究者也指出了学生同样也面临类似的心里困难。他们不知道如何用（甚至不使用）归纳假设，不能自觉寻找与递推关系。 数学归纳法内容抽象，思想新颖，结构复杂，加上学生原有的认知结构对于同化“数学归纳法“无论是数学知识还是逻辑只是都不够充分。所以他们不易领会和掌握，对于数学归纳法的实质 往往停留在”形式“上，如何解决这一问题呢？一种有效的解决办法是类比。例如，通过多米诺骨牌游戏思考问题。这样类比可以对数学归纳法的应用的前提和场合提供了形象化的参照物，对理解数学归纳做了感情上的垫铺，同时有利于帮助学生理解数学归纳法的两个步骤缺一不可。另外，学习数学归纳法的正确途径是，向学生提出一些必须用数学归纳法才能解决的问题，迫使他们只管得去使用这个方法，从而发现这个方法，在学生发现了和懂得了这个方法后，再去帮助他们用抽象的形式把它叙述出来。参考文献1邵光华.作为教育任务的数学思想与方法，上海教育出版社，2009.2徐利治.化归与归纳·类比·联想，大连理工大学出版社，2008.3钟志华.模式观与数学方法论，化学工业出版社，2011.4王亚辉.数学方法论-问题解决的理论，北京大学出版社，2007.5周春荔.数学思维概论，北京师范大学出版社，2012.6王宪昌.数学思维方法，人民教育出版社，20027张奠宙.数学教育研究导引，南京：江苏教育出版社，1994.Discussion On The Method Of Mathematical InductionGuoliang ChenCollege of Mathematics And Physics Of Jinggangshan University Jiangxi Ji'an zip code: 343009Guide Teacher:Yanhua CaoAbstract Induction to prove mathematical problems with mathematics, we should pay attention to two steps are indispensable to it, the first step is basic proposition recursive, the second step is the proposition of recursive basis, key and difficulty is also proved, two steps to carry out their duties, cooperate with each other. By using the mathematical induction through countless mathematics studying and scientists are mathematical induction method, made a great contribution to the development and its mathematical problems and scientific problems found. Learn the inductive method is scientific studies of the most basic knowledge.keyord Theory;Mathematical induction;Form