數列型不等式放縮技巧無敵

2022-09-04 20:39:04 字數 4571 閱讀 3334

證明數列型不等式,因其思維跨度大、構造性強,需要有較高的放縮技巧而充滿思考性和挑戰性,能全面而綜合地考查學生的潛能與後繼學習能力,因而成為高考壓軸題及各級各類競賽試題命題的極好素材。這類問題的求解策略往往是:通過多角度觀察所給數列通項的結構,深入剖析其特徵,抓住其規律進行恰當地放縮;其放縮技巧主要有以下九種:

一利用重要不等式放縮

1. 均值不等式法

例1 設求證

解析此數列的通項為,,即

注:應注意把握放縮的「度」:上述不等式右邊放縮用的是均值不等式,若放成則得,就放過「度」了!

根據所證不等式的結構特徵來選取所需要的重要不等式,這裡

其中,等的各式及其變式公式均可供選用。

例2 已知函式,若,且在[0,1]上的最小值為,求證:(02年全國聯賽山東預賽題)

簡析例3 求證.

簡析不等式左邊

=,故原結論成立.

2.利用有用結論

例4 求證

簡析本題可以利用的有用結論主要有:

法1 利用假分數的乙個性質可得 即

法2 利用貝努利不等式的乙個特例(此處)得

注:例4是2023年上海高考試題,以此題為主幹添「枝」加「葉」而編擬成2023年全國高考文科試題;進行公升維處理並加引數而成理科姊妹題。如理科題的主幹是:

證明(可考慮用貝努利不等式的特例)

例5 已知函式

求證:對任意且恆成立。(90年全國卷壓軸題)

簡析本題可用數學歸納法證明,詳參高考評分標準;這裡給出運用柯西()不等式的簡捷證法:

而由不等式得

(時取等號)

(),得證!

例6 已知用數學歸納法證明;對對都成立,證明(無理數)(05年遼寧卷第22題)

解析結合第問結論及所給題設條件()的結構特徵,可得放縮思路:

。於是,

即注:題目所給條件()為一有用結論,可以起到提醒思路與探索放縮方向的作用;當然,本題還可用結論來放縮:,即

例7 已知不等式表示不超過的最大整數。設正數數列滿足:

求證(05年湖北卷第(22)題)

簡析當時,即

於是當時有

注:本題涉及的和式為調和級數,是發散的,不能求和;但是可以利用所給題設結論來進行有效地放縮;

引入有用結論在解題中即時應用,是近年來高考創新型試題的乙個顯著特點,有利於培養學生的學習能力與創新意識。

例8 設,求證:數列單調遞增且

解析引入乙個結論:若則(證略)

整理上式得(),以代入()式得即單調遞增。

以代入()式得

此式對一切正整數都成立,即對一切偶數有,又因為數列單調遞增,所以對一切正整數有。

注:上述不等式可加強為簡證如下:

利用二項展開式進行部分放縮:

只取前兩項有對通項作如下放縮:

故有上述數列的極限存在,為無理數;同時是下述試題的背景:已知是正整數,且(1)證明;(2)證明(01年全國卷理科第20題)

簡析對第(2)問:用代替得數列是遞減數列;借鑑此結論可有如下簡捷證法:數列遞減,且故即。

當然,本題每小題的證明方法都有10多種,如使用上述例4所提供的假分數性質、貝努力不等式、甚至構造「分房問題」概率模型、建構函式等都可以給出非常漂亮的解決!詳見文[1]。

二部分放縮

例9 設求證:

解析又(只將其中乙個變成,進行部分放縮),,

於是例10 設數列滿足,當時證明對所有有;(02年全國高考題)

解析用數學歸納法:當時顯然成立,假設當時成立即,則當時,成立。

利用上述部分放縮的結論來放縮通項,可得

注:上述證明用到部分放縮,當然根據不等式的性質也可以整體放縮:;證明就直接使用了部分放縮的結論。

三添減項放縮

上述例4之法2就是利用二項展開式進行減項放縮的例子。

例11 設,求證.

簡析觀察的結構,注意到,展開得

,即,得證.

例12 設數列滿足(ⅰ)證明對一切正整數成立;(ⅱ)令,判定與的大小,並說明理由(04年重慶卷理科第(22)題)

簡析本題有多種放縮證明方法,這裡我們對(ⅰ)進行減項放縮,有

法1 用數學歸納法(只考慮第二步);

法2則四利用單調性放縮

1. 構造數列

如對上述例1,令則,

遞減,有,故

再如例4,令則,即遞增,有,得證!

注:由此可得例4的加強命題並可改造成為探索性問題:求對任意使恆成立的正整數的最大值;同理可得理科姊妹題的加強命題及其探索性結論,讀者不妨一試!

2.建構函式

例13 已知函式的最大值不大於,又當時(ⅰ)求的值;(ⅱ)設,證明(04年遼寧卷第21題)

解析 (ⅰ)=1 ;(ⅱ)由得且用數學歸納法(只看第二步):在是增函式,則得

例14 數列由下列條件確定:, .(i)證明:對總有;(ii)證明:對總有(02年北京卷第(19)題)

解析建構函式易知在是增函式。

當時在遞增,故

對(ii)有,建構函式它在上是增函式,故有,得證。

注:本題有著深厚的科學背景:是計算機開平方設計迭代程式的根據;同時有著高等數學背景—數列單調遞減有下界因而有極限:

是遞推數列的母函式,研究其單調性對此數列本質屬性的揭示往往具有重要的指導作用。類題有06年湖南卷理科第19題:

已知函式,數列{}滿足:

證明證略)

五換元放縮

例15 求證

簡析令,這裡則有

,從而有

注:通過換元化為冪的形式,為成功運用二項展開式進行部分放縮起到了關鍵性的作用。

例16 設,,求證.

簡析令,則,,應用二項式定理進行部分放縮有

,注意到,則(證明從略),因此

六遞推放縮

遞推放縮的典型例子,可參考上述例10中利用部分放縮所得結論進行遞推放縮來證明,同理例6中所得和、例7中、 例12(ⅰ)之法2所得都是進行遞推放縮的關鍵式。

七轉化為加強命題放縮

如上述例10第問所證不等式右邊為常數,難以直接使用數學歸納法,我們可以通過從特值入手進行歸納探索、或運用逆向思維探索轉化為證明其加強命題:再用數學歸納法證明此加強命題,就容易多了(略)。

例17 設,定義,求證:對一切正整數有

解析用數學歸納法推時的結論,僅用歸納假設及遞推式

是難以證出的,因為出現在分母上!可以逆向考慮:

故將原問題轉化為證明其加強命題:

對一切正整數有(證明從略)

例18 數列滿足證明(01年中國西部數學奧林匹克試題)

簡析將問題一般化:先證明其加強命題用數學歸納法,只考慮第二步:

因此對一切有

例19 已知數列{an}滿足:a1=,且an=(1)求數列{an}的通項公式;(2)證明:對一切正整數n有a1a2……an2n!(06年江西卷理科第22題)

解析:(1)將條件變為:1-=,因此{1-}為乙個等比數列,其首項為1-=,公比,從而1-=,據此得an=(n1)……1

(2)證:據1得,a1a2…an=,為證a1a2……an2n!,

只要證nn時有……2

顯然,左端每個因式都是正數,先證明乙個加強不等式:

對每個nn,有1-()……3

(用數學歸納法,證略)利用3得, 1-()=1-=1-。

故2式成立,從而結論成立。

八分項討論

例20 已知數列的前項和滿足

(ⅰ)寫出數列的前3項;(ⅱ)求數列的通項公式;(ⅲ)證明:對任意的整數,有(04年全國卷ⅲ)

簡析 (ⅰ)略,(ⅱ);

(ⅲ)由於通項中含有,很難直接放縮,考慮分項討論:

當且為奇數時

(減項放縮),於是

當且為偶數時

當且為奇數時(添項放縮)由知由得證。

九數學歸納法

例21(ⅰ)設函式,求的最小值;(ⅱ)設正數滿足,證明

(05年全國卷ⅰ第22題)

解析這道高考題內蘊豐富,有著深厚的科學背景:直接與高等數學的凸函式有關!更為深層的是資訊科學中有關熵的問題。(ⅰ)略,只證(ⅱ):

法1 由為下凸函式得

又,所以考慮試題的編擬初衷,是為了考查數學歸納法,於是借鑑詹森(jensen)不等式(若為上的下凸函式,則對任意,有特別地,若則有

若為上凸函式則改「」為「」)的證明思路與方法有:

法2 (用數學歸納法證明)(i)當n=1時,由(ⅰ)知命題成立.

(ii)假定當時命題成立,即若正數,

則當時,若正數(*)

為利用歸納假設,將(*)式左邊均分成前後兩段:

令則為正數,且

由歸納假定知

(1)同理,由得

(2)綜合(1)(2)兩式

即當時命題也成立. 根據(i)、(ii)可知對一切正整數n命題成立.

法3 建構函式

利用(ⅰ)知,

當對任意

. (式是比①式更強的結果)下面用數學歸納法證明結論.

(i)當n=1時,由(i)知命題成立.

(ii)設當n=k時命題成立,即若正數

對(*)式的連續兩項進行兩兩結合變成項後使用歸納假設,並充分利用式有

由歸納法假設

得即當時命題也成立. 所以對一切正整數n命題成立.

注:式也可以直接使用函式下凸用(ⅰ)中結論得到;

為利用歸納假設,也可對(*)式進行對應結合:而變成項;本題可作推廣:若正數滿足,則

(簡證:建構函式,易得故)

數列型不等式的放縮技巧答案

答案 1 設,求證 解 此數列的通項為,即 2 已知函式,若,且在 0,1 上的最小值為,求證 02年全國聯賽山東預賽題 解 3 求證.解 故原結論成立.4 求證 解法1 利用假分數的乙個性質可得 即 法2 在中令,得 5 已知函式 求證 對任意且恆成立。90年全國卷壓軸題 解 方法1 數學歸納法證...

證明數列不等式之放縮技巧

證明數列型不等式,其思維跨度大 構造性強,需要有較高的放縮技巧,充滿思考性和挑戰性。這類問題的求解策略往往是 通過多角度觀察所給數列通項的結構,深入剖析其特徵,抓住其規律進行恰當地放縮.一 利用數列的單調性 例1 證明 當時,證法一 令,則,所以當時,因此當時,於是當時,證法二 可用數學歸納法證.1...

證明數列不等式之放縮技巧

證明數列型不等式,其思維跨度大 構造性強,需要有較高的放縮技巧,充滿思考性和挑戰性。這類問題的求解策略往往是 通過多角度觀察所給數列通項的結構,深入剖析其特徵,抓住其規律進行恰當地放縮.一 利用數列的單調性 例1 證明 當時,證法一 令,則,所以當時,因此當時,於是當時,證法二 可用數學歸納法證.1...