Sáng kiến kinh nghiệm Nguyên lý quy nạp Toán học

Nội dung text: Sáng kiến kinh nghiệm Nguyên lý quy nạp Toán học

1. Generated by Foxit PDF Creator â Foxit Software Nguyễn Minh Hải. THPT Lê Xoay - Vĩnh Tường - Vĩnh phúc For evaluation only. Lời nói đầu Một trong những phương pháp rất mạnh trong toán học dùng nghiên cứu và chứng minh các giả thiết là nguyên lý quy nạp toán học. Phương pháp quy nạp được áp dụng sâu rộng vào hầu hết các dạng toán: Số học, Dãy số, Hình học, BĐT, Tổ hợp, Trong báo cáo này tôi chỉ đề cập đến áp dụng của phương pháp quy nạp vào một số dạng toán về dãy số. Trong chương trình toán phổ thông thì toán về dãy số được phân phối thời lượng không nhiều, đặc biệt trong chương trình toán phân ban hiện nay đã lược bỏ nhiều định lý quan trọng.Trong phần lớn các kỳ thi thì dạng toán này hầu như không có. Toán về dãy số thường chỉ giành cho những học sinh khá giỏi trong các kỳ thi cấp Tỉnh và Quốc gia, do vậy nó càng ít được học sinh và cả giáo viên quan tâm đến. Phần vì dạng toán này cũng tương đối khó và trừu tượng đối với học sinh, học sinh gặp nhiều khó khăn và rất ngại khi gặp dạng toán này. Trong thời gian vừa qua tôi đã thu thập, tích lũy và hệ thống được một số dạng toán về dãy số nhằm phục vụ cho công tác giảng dạy, bồi dưỡng học sinh giỏi của mình. Với mục đích giúp học sinh tiếp cận một số dạng toán đặc trưng về dãy số do đó tôi lựa chọn đề tài này. Các bài toán được lựa chọn chủ yếu cho những học sinh khá, giỏi. Sự phân chia thành các dạng toán và những đánh giá của tôi là theo quan điểm chủ quan của mình, do đó không tránh khỏi những thiếu sót. Kính mong các thầy cô và các bạn đồng nghiệp đọc và cho ý kiến góp ý để tài liệu này được hoàn thiện hơn. Xin chân thành cám ơn ! Vĩnh Tường 5 . 2009 Tác giả: Nguyễn Minh Hải VT. 05 - 2009 1
2. Generated by Foxit PDF Creator â Foxit Software Nguyễn Minh Hải. THPT Lê Xoay - Vĩnh Tường - Vĩnh phúc For evaluation only. Mục lục TT Nội dung Trang Lời nói đầu 1 Phần 1 Một số vấn đề về lý thuyết I Phương pháp quy nạp toán học 3 II Một số vấn đề về dãy số 5 III Một số dạng toán về dãy số thường gặp 6 Phần 2 áp dụng giải toán I Chứng minh dãy số tăng, giảm và bị chặn 8 II Công thức tổng quát của dãy số 10 III Tìm giới hạn của dãy số 12 IV Một số dạng toán khác 18 Phần 3 Bài tập tổng hợp 21 Tài liệu tham khảo 23 VT. 05 - 2009 2
3. Generated by Foxit PDF Creator â Foxit Software Nguyễn Minh Hải. THPT Lê Xoay - Vĩnh Tường - Vĩnh phúc For evaluation only. Phần 1. Một số vấn đề về nguyên lý Quy nạp toán học và Dãy số. I.Phương pháp quy nạp toán học Sau đây là ba dạng của nguyên lí quy nạp toán học thường được dùng trong những bài toán ở THPT. 1. Định lí 1. Cho n0 là một số nguyên dương và P(n) là mệnh đề có nghĩa với mọi số tự nhiên n n0. 0 Nếu: 1 . P(n0) là mệnh đề đúng 0 2 . Nếu P(k) đúng thì P(k+1) cũng đúng với mỗi số tự nhiên k n0. Khi đó mệnh để P(n) đúng với mọi số tự nhiên n n0. 2 Ví dụ 1. Cho dãy số (un) xác đinh bởi: un = n . n( n 1)(2 n 1) CMR tồng của n phần tử đầu tiên của dãy được tính: S . n 6 Chứng minh. Với n = 1. Đẳng thức đúng. k( k 1)(2 k 1) Giả sử ĐT đúng với n = k ( k ≥ 1), tức là có: S . k 6 (k 1)( k 2)(2 k 3) Ta chứng minh ĐT đúng với n = k+1, tức CM: S . k 1 6 k( k 1)(2 k 1) ( k 1)( k 2)(2 k 3) Thật vậy. Ta có S S ( k 1)2 ( k 1) 2 . k 1 k 6 6 Vậy ĐT đúng với mọi số nguyên dương. 2. Định lí 2. Cho p là số nguyên dương và dãy các mệnh đề: P(1), P(2), , P(n), Nếu: 10. P(1), P(2), , P(p) là những mệnh đề đúng 20. Với mỗi số tự nhiên k p các mệnh đề P( k p 1), P ( k p 2), , P ( k ) đúng, suy ra mệnh đề P(k+1) cũng đúng. Khi đó mệnh để P(n) đúng với mọi số nguyên dương n. Ví dụ 2. Cho v0 2, v 1 3 và với mỗi số tự nhiên k có đẳng thức: vk 1 3 v k 2 v k 1 . n CMR: vn 2 1. Chứng minh. - Dễ thấy mệnh đề đúng với n = 0, 1. VT. 05 - 2009 3
4. Generated by Foxit PDF Creator â Foxit Software Nguyễn Minh Hải. THPT Lê Xoay - Vĩnh Tường - Vĩnh phúc For evaluation only. - Giả sử với mỗi số tự nhiên k 2 mđ đúng với n = k và n = k – 1. k k 1 Tức là có: vk 2 1, v k 1 2 1. -Ta chứng minh mđ đúng với n = k + 1. k k 1 k 1 TV. Theo CT truy hồi vk 1 3 v k 2 v k 1 3(2 1) 2(2 1) 2 1. ( dpcm ) Vậy bài toán được chứng minh. 3. Định lí 3. Cho dãy các mệnh đề: P(1), P(2), , P(n), Nếu: 10. P(1) là những mệnh đề đúng 20. Với mỗi số tự nhiên k 1 các mệnh đề P(1), P (2), , P ( k ) đúng, suy ra mệnh đề P(k+1) cũng đúng. Khi đó mệnh để P(n) đúng với mọi số nguyên dương n. Dạng quy nạp này mạnh hơn dạng thứ hai ở bước quy nạp. 1 Ví dụ 3. Cho dãy số (u ) xác đinh bởi: U xn ,,  n N x N U Z n n xn 1 CMR (un ) là dãy các số nguyên. Chứng minh Với n = 1 mệnh đề hiển nhiên đúng. Giả sử với mọi số tự nhiên từ 1 đến k, uk là số nguyên. Ta CM uk+1 cũng nguyên. 1 1 1 1 TV. u xk 1 ( x )( x k ) ( x k 1 ) u . u u Z k 1xk 1 x x k x k 1 1 k k 1 Vậy (un) là dãy các số nguyên. VT. 05 - 2009 4
5. Generated by Foxit PDF Creator â Foxit Software Nguyễn Minh Hải. THPT Lê Xoay - Vĩnh Tường - Vĩnh phúc For evaluation only. II. Một số vấn đề về dãy số. 2.1. Dãy số tăng, giảm (đơn điệu). * ĐN. Dãy số (un) được gọi là dãy tăng nếu với mọi n N ta có un un+1. Dãy số tăng và dãy giảm được gọi chung là dãy đơn điệu. 2.2. Dãy bị chặn. ĐN +) Dãy số (un) được gọi là dãy bị chặn trên, nếu tồn tại một số M sao cho * un M,.  n N +) Dãy số (un) được gọi là dãy bị chặn dưới, nếu tồn tại một số m sao cho * un m,.  n N +) Dãy số (un) được gọi là dãy bị chặn nếu nó vừa bị chặn trên vừa bị chặn dưới, * tức là tồn tại các số m, M sao cho m un M,.  n N * ( M 0 : un M ,  n N ) 2.3. Giới hạn dãy số. ĐN 1. Dãy số (un) có giới hạn 0 nếu với mỗi số dương nhỏ tuỳ ý cho trước, mọi số hạng của dãy số, kể từ một số hạng nào đó trở đi, đều có giá trị tuyệt đối nhỏ hơn số dương đó. Ta viết lim(un) = 0 hoặc limun = 0 hoặc un 0. Cách phát biểu mới này giúp học sinh hình dung được dãy số có giới hạn 0 một cách thuận lợi hơn, tuy nhiên định nghĩa này khó diễn đạt trong khi chứng minh một số định lý về giới hạn. Do vậy tôi xin trở lại định nghĩa trước đây: ĐN 2. Ta nói rằng dãy số (un) có giới hạn 0 nếu với mỗi số dương  bất kỳ, tồn tại * một số nguyên dương N sao cho n N ,n N | un |  . Ta viết lim(un) = 0 hoặc limun = 0 hoặc un 0. ĐN 3. Ta nói dãy số (un) có giới hạn là số thực L nếu lim(un – L) = 0. Ta viết lim(un) = L hoặc limun = L hoặc un L. ĐN 4. - Ta nói dãy số (un) có giới hạn + nếu với mỗi số dương tuỳ ý cho trước, mọi số hạng của dãy số, kể từ một số hạng nào đó trở đi, đều lớn hơn số dương đó. VT. 05 - 2009 5
6. Generated by Foxit PDF Creator â Foxit Software Nguyễn Minh Hải. THPT Lê Xoay - Vĩnh Tường - Vĩnh phúc For evaluation only. - Ta nói dãy số (un) có giới hạn - nếu với mỗi số âm tuỳ ý cho trước, mọi số hạng của dãy số, kể từ một số hạng nào đó trở đi, đều nhỏ hơn số dương đó. Định lí 1. Cho hai dãy số (un) và (vn). Nếu | un| vn với mọi n và limvn = 0 thì limun = 0. Định lí 2. Nếu | q| < 1 thì lim qn = 0. Định lí 3. Giả sử lim un = L. Khi đó: 3 3 a) lim | un| = | L | và lim un L. b) Nếu un 0 với mọi n thì L 0 và lim un L. Định lí 4. Giả sử lim un = L, lim vn = M và c là một hằng số. Khi đó: lim(un v n ) L M . lim(un . v n ) L . M un L lim(c.un ) c.L lim nếu M 0. vn M 1 Định lí 5. Nếu lim |un| = + thì lim 0. un Vận dụng các kết quả trên, ta có thể chúng minh được các định lý sau: Định lí 6.(Điều kiện cần) Một dãy số có giới hạn thì nó bị chặn. Định lí 7. (Duy nhất) Một dãy số có giới hạn thì giới hạn đó là duy nhất. Định lí 8. (Giới hạn kẹp) Cho ba dãy số (un), (vn), (wn) thỏa mãn: 0 * 1 .vn u n w n ,  n N . 0 2 . limvn lim w n A thì lim un = A. Ta thừa nhận định lí sau đây. Định lí 9. (Điều kiện đủ- Định lí Waiesstras) Một dãy tăng và bị chặn trên thì có giới hạn. Một dãy giảm và bị chặn dưới thì có giới hạn. Hiện nay bốn Định lý trên không được giới thiệu trong chương trình, tuy nhiên có thể chứng minh được Định lí 6, 7, 8 từ các định lý có sẵn. Trong báo cáo này tôi vẫn xin được sử dụng để các dạng toán được đa dạng hơn. VT. 05 - 2009 6
7. Generated by Foxit PDF Creator â Foxit Software Nguyễn Minh Hải. THPT Lê Xoay - Vĩnh Tường - Vĩnh phúc For evaluation only. 2.4. Cấp số cộng. Định nghĩa. Cấp số cộng là một dãy số, trong đó, kể từ số hạng thứ hai mỗi số hạng đều là tổng của số hạng liền trước với một số không đổi gọi là công sai. * Tính chất. Cho cấp số cộng ( un) công sai d, khi đó n N ta có: 0 1 .un 1 u n d ; u n u 1 ( n 1) d . u u 20 .u n n 2 . n 1 2 n n 30 .S u u u ( u u )  2 u ( n 1) d  . n1 2 n2 1 n 2 1 2.5. Cấp số nhân. Định nghĩa. Cấp số nhân là một dãy số, trong đó, kể từ số hạng thứ hai mỗi số hạng đều là tích của số hạng liền trước với một số không đổi gọi là công bội. Tính chất. Cho cấp số nhân ( un) công bội q, ta có: 0n 1 1 .un 1 u n . q ; u n u 1 . q . 0 2 .un 1 u n . u n 2 qn 1 30 .S u u u u . ; ( q 1) n1 2 n 1 q 1 Tổng của cấp số nhân vô hạn công bội q ( q <1) qn 1 u S lim S lim u . 1 . ( q 1) n 1 q 1 1 q III. Một số dạng toán về dãy số thường gặp. 1. Chứng minh dãy số tăng, giảm, bị chặn, dãy có giới hạn. 2. Chứng minh dãy số lập thành cấp số cộng, cấp số nhân, tính chất của cấp số. 3. Tìm công thức tổng quát của dãy số. 4. Chứng minh dãy số có giới hạn và tìm giới hạn dãy số. 5. Một số dạng khác: BĐT về dãy số, chứng minh tính chất chia hết, chứng minh dãy số nguyên VT. 05 - 2009 7
8. Generated by Foxit PDF Creator â Foxit Software Nguyễn Minh Hải. THPT Lê Xoay - Vĩnh Tường - Vĩnh phúc For evaluation only. Phần 2. áp dụng trong giải toán I. Chứng minh dãy số tăng, giảm và bị chặn. n u1 1, u 2 2. 5 * Bài 1.1 Cho dãy (un): CMR: un ,.  n N un 2 u n 1 u n 2 , n 3. 2 Giải ở bài toán này un cho bởi công thức truy hồi, được tính theo un-1 và un-2 do đó ta vận dụng nguyên lí quy nạp thứ hai để chứng minh. - Với n = 1, n = 2 mệnh đề đúng. n 1 n 5 5 - Giả sử mđ đúng với n = k – 1, và n = k ( k >1), tức là có: un 1 ,. u n 2 2 - Ta chứng minh mđ đúng với n = k + 1. n 1 n n 1 5 5 5 TV. Ta có: un 2 u n 1 u n 2 2. .(đpcm) 2 2 2 u 1. 1 Bài 1.2 Cho dãy (u ): n3( n 2) * n u u ,. n N n 1 n 2(n 1) 2( n 1) a). CM dãy số bị chặn trên. b). CM dãy số tăng. Giải Đây là bài toán không khó nếu dự đoán được dãy số bị chặn trên bởi số nào thích hợp nhất? Ta có thể xuất phát từ yêu cầu thứ hai của bài toán: (3 u )( n 2) Có: u u n 0 u 3. n 1 nn 1 n * a). Ta CM quy nạp theo nguyên lí thứ nhất: un 3,  n N . - Giả sử mđ đúng với n = k khi đó có: k3( k 2) 3 k 3( k 2) u u 3. k 1 2(k 1) k 2( k 1) 2( k 2) 2( k 1) - Vậy mđ đúng với n = k +1. (3 u )( n 2) b). Theo phần (a) có: u u n 0. n 1 n n 1 Vậy dãy (un) tăng và bị chặn trên. VT. 05 - 2009 8