数学归纳法及其应用--论文

数学归纳法及其应用--论文

自学考试本科毕业论文论文题目：数学归纳法及其运用

学校名称：桂林师范高等专科学校

专业名称：数学教育

准考证号： 030114300393

姓名：何东萍

指导教师：李政

目录

内容摘要

一、数学归纳法的由来

（一）数学归纳法的概念

（二）数学归纳法的命名

（三）归纳法的证明

二、数学归纳法的步骤

三、数学归纳法的几种形式

（一）第一数学归纳法

（二）第二数学归纳法

（三）倒推归纳法

（四）跳跃归纳法

（五）螺旋式归纳法

四、数学归纳法的应用

（一）数学归纳法在生物方面的应用（二）数学归纳法在初等数学方面的应用（三）数学归纳法在几何方面的应用

五、数学归纳法的变体

（一）从0以外的数字开始

（二）针对偶数与奇数

（三）递归归纳法

六、数学归纳法常见误区及注意

（一）易错例题

（二）数学归纳法需注意

文献参考

数学归纳法及其应用

班级:数学教育2班姓名:何东萍指导老师：李政

【内容摘要】本文讲述了数学归纳法的历史由来和理论原理，通过数学归纳法的基本形式的学习和理解，用相应实例进行解析说明数学归纳法在各方面的具体应用。最后总结了数学归纳法的常见误区和应用技巧，并对未来发展的场景作出了预测。在中学数学的过程中，有一种很常见并且很基本的数学方法

——数学归纳法。对于数学归纳法，人们常常有这样的疑问:数学归纳法的原理是什么？数学归纳法的证明过程为什么要用这样的规定格式？数学归纳法的应用前景会如何？

【关键词】数学归纳法；归纳法的分类；归纳法的应用；

一、数学归纳法的由来

在最早的使用数学归纳法的证明出现于Francesco Maurolico的Arithmeticorum libri duo（1575年）。Maurolico利用递推关系证明出前n个奇数的总和是n^2，数学归纳法之谜便由此解开。

（一）数学归纳法的概念

数学归纳法有这么一个典型的例子：如果你有一排很长的直立着的多米诺骨牌那么第一张骨牌将倒下，其中某一个骨牌倒了，与其相邻的下一个骨牌也会倒，所以我们可以由此推断出所有的的骨牌都将要倒。也就能确定出这么一种递推关系，只要能够满足这两个条件就会导致所有骨牌全都倒下，用数学的方式可以简述为:

（1）第一块骨牌倒下；

（2）任意两块相邻骨牌，只要前一块倒下，后一块必定倒下。这样，无论有多少骨牌,只要保证（1）（2）成立，就会全都倒下。

关于数学归纳法，新教材是这样描述的:“从特殊的事例推出一般原理的推理方法叫做归纳法”。

数学归纳法，是用来证明某些与自然数有关的命题的一种推理方法。其既具有演绎法的特征，又具有归纳的特征，它是一种归纳公理综合运用归纳、演绎推理的一种特殊的数学证明法。

（二）数学归纳法的命名

从表面上来看，数学归纳法似乎是属于归纳推理，事实上却不是。因为:数学归纳法的证明过程，可以得出它总体上是由两个部分所组成的，第一是得出P （1）为真，且P（k）到P（k+1）；第二是k=1，2，3，…，由其一得出对所有自然数n，P（n）都是成立的。这两个部分完成了用有限步来证明对无限多个数

值都有命题P（n）为真的结论。证明之所以成立是因为阿皮诺公理中的归纳原理。由此可见，数学归纳法是属于演绎。

数学归纳法是演绎推理，这岂不是与其名称中有“归纳”二字想矛盾吗？一个方面，从证明中涉及自然数n的角度看，证明第（1）步是针对n=1进行的，这里的1是特殊的数，所以这一步是对特殊对象进行讨论的；第（2）步是以“n=k 时命题成立”为出发点，以此来推导出“n=k+1时命题也成立”，k是代表从“n=k 到n=k+1”的一般性递推。证明中对n的讨论顺序是“先特殊，后一般”，符合“由易到难，由简到繁”的证明思路，同时也反映了人们发现规律的一般过程。另一个方面，人们经历了无数次特殊的、具体的验证性实践后，总结出正整数集合的元素具有无穷次递推的后继关系，并概括了这种规律，得出了正整数的公理。当然，实验中的“验证——发现——想象”对数学归纳法原理的产生是功不可没的，如果没有验证性的探索和归纳，就没有对后继数及其间包含递归关系的一般性认识，也就没有数学归纳法原理的产生。数学归纳法所完成的认识过程中经历了两千多年的坎坷发展，直到十九世纪才获得“数学归纳法”这一美称。

（三）归纳法的证明

既然数学归纳法（mathematical induction）是一种重要的数学证明方法，我们利用它证明某些命题对于一切正整数的成立。正整数是人类最早认识的数，它看似是最简单的数，但是由于其具有无限性的特征，在数学中严格地描述正整数集合并不简单。大家都知道的，正整数1，2，3，…有无穷多个，数学归纳法用两个步骤是怎么完成对于这无穷多个情况的的证明呢？如果一个数、一个数地去研究关于正整数的问题，那么解决问题是非常困难的，探究如何对正整数集合进行整体性描述。在这方面德国数学家康托尔（G. Cantor，1845-1918）和意大利数学家皮亚诺（G. Peano,1858-1932）分别从基数和序数的角度作出重要贡献。皮亚诺是研究数理逻辑和数学基础的先驱，1891年他对正整数的有序性给出了严格刻画，也就是现在的皮亚诺公理。用现代的数学语言和符号可以把这些公理的意义简述如下：

①1是一个正整数。

②每个正整数a都有一个后继数(a+1)也是正整数。

③1不是任何正整数的后继数。

④若a与b的后继数相等，则a与b相等。

⑤设S是正整数集合N*的子集，若

（1）1属于S；

（2）当k属于S时，k的后继数（k+1）一定有也属于S，则S= N*。

这几条公理反映了正整数集合有序性的本质特征，我们主要注重公理⑤，公理⑤也称为数学归纳法原理，它给出了证明一个集合是正整数集合的方法，是数学归纳法的理论基础。简单的说数学归纳法，其实是数学上证明与自然数N 有关的命题的一种特殊方法，是主要用来研究与正整数有关的数学问题，在中学数学中常用来证明等式成立和数列通项公式成立。

二、数学归纳法的步骤

一般地，数学归纳法证明“命题P对于全体正整数成立”的步骤为：（1）证明P对于1成立；（2）证明“若P对于k成立，则P对于k+1成立”。当完成（1）(2)之后，即可推出：P对于全体正整数都成立。

数学归纳法的一般步骤为:假设有一个与正整数有关的命题P（n）。（1）当n=1时，命题成立。（2）假设n=k时，命题成立。借用n=k命题成立，推出n=k+1，该命题也成立。即这个命题对于一切正整数n都成立。

三、数学归纳法的几种形式

（一）第一数学归纳法

在教学书中讲的数学归纳法，我们一般称为第一数学归纳法。其步骤为:假设有一个与正整数有关的命题P（n）。（1）当n=1时，命题成立。（2）假设n=k 时，命题成立。借用n=k命题成立，推出n=k+1，该命题也成立。即这个命题对于一切正整数n都成立。

这种方法的原理在于论证第一步是证明命题在n=1成立，这是递推的基础；