高一數(shù)學(xué)歸納法分析及解題步驟
高一數(shù)學(xué)歸納法分析及解題步驟
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高一數(shù)學(xué)歸納法
《2.3數(shù)學(xué)歸納法》教學(xué)設(shè)計(jì)
青海湟川中學(xué) 劉巖
一、【教材分析】
本節(jié)課選自《普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書數(shù)學(xué)選修2-2(人教A版)》第二章第三節(jié)《2.3數(shù)學(xué)歸納法》。在之前的學(xué)習(xí)中,我們已經(jīng)用不完全歸納法得出了許多結(jié)論,例如某些數(shù)列的通項(xiàng)公式,但它們的正確性還有待證明。因此,數(shù)學(xué)歸納法的學(xué)習(xí)是在合情推理的基礎(chǔ)上,對(duì)歸納出來的與正整數(shù)有關(guān)的命題進(jìn)行科學(xué)的證明,它將一個(gè)無(wú)窮的歸納過程轉(zhuǎn)化為有限步驟的演繹過程。通過把猜想和證明結(jié)合起來,讓學(xué)生認(rèn)識(shí)數(shù)學(xué)的本質(zhì),把握數(shù)學(xué)的思維。本節(jié)課是數(shù)學(xué)歸納法的第一課時(shí),主要讓學(xué)生了解數(shù)學(xué)歸納法的原理,并能夠用數(shù)學(xué)歸納法解決一些簡(jiǎn)單的與正整數(shù)有關(guān)的問題。
二、【學(xué)情分析】
我校的學(xué)生基礎(chǔ)較好,思維活躍。學(xué)生在學(xué)習(xí)本節(jié)課新知的過程中可能存在兩方面的困難:一是從“骨牌游戲原理”啟發(fā)得到“數(shù)學(xué)方法”的過程有困難;二是解題中如何正確使用數(shù)學(xué)歸納法,尤其是第二步中如何使用遞推關(guān)系,可能出現(xiàn)問題。
三、【策略分析】
本節(jié)課中教師引導(dǎo)學(xué)生形成積極主動(dòng),勇于探究的學(xué)習(xí)精神,以及合作探究的學(xué)習(xí)方式;注重提高學(xué)生的數(shù)學(xué)思維能力;體驗(yàn)從“實(shí)際生活—理論—實(shí)際應(yīng)用”的過程;采用“教師引導(dǎo)—學(xué)生探索”相結(jié)合的教學(xué)方法,在教與學(xué)的和諧統(tǒng)一中,體現(xiàn)數(shù)學(xué)的價(jià)值,注重信息技術(shù)與數(shù)學(xué)課程的合理整合。
四、【教學(xué)目標(biāo)】
(1)知識(shí)與技能目標(biāo):
①理解數(shù)學(xué)歸納法的原理與實(shí)質(zhì),掌握數(shù)學(xué)歸納法證題的兩個(gè)步驟;
②會(huì)用數(shù)學(xué)歸納法證明某些簡(jiǎn)單的與正整數(shù)有關(guān)的命題。
(2)過程與方法目標(biāo):
努力創(chuàng)設(shè)愉悅的課堂氣氛,使學(xué)生處于積極思考,大膽質(zhì)疑的氛圍中,提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和課堂效率,讓學(xué)生經(jīng)歷知識(shí)的構(gòu)建過程,體會(huì)歸納遞推的數(shù)學(xué)思想。
(3)情感態(tài)度與價(jià)值觀目標(biāo):
通過本節(jié)課的教學(xué),使學(xué)生領(lǐng)悟數(shù)學(xué)歸納法的思想,由生活實(shí)例,激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情,提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣,培養(yǎng)學(xué)生大膽猜想,小心求證,以及發(fā)現(xiàn)問題、提出問題,解決問題的數(shù)學(xué)能力。
五、【教學(xué)重難點(diǎn)】
教學(xué)重點(diǎn):借助具體實(shí)例了解數(shù)學(xué)歸納法的基本思想,掌握它的基本步驟,能熟練運(yùn)用它證明一些簡(jiǎn)單的與正整數(shù)n有關(guān)的數(shù)學(xué)命題;
教學(xué)難點(diǎn):數(shù)學(xué)歸納法中遞推關(guān)系的應(yīng)用。
六、【教學(xué)方法與工具】
教法指導(dǎo):本節(jié)課采用的教學(xué)方法是“啟、思、演、練、結(jié)”五字教學(xué)法,即:以具體的例子引入課題,啟發(fā)學(xué)生想去了解歸納法;通過提出問題、創(chuàng)設(shè)情景,引導(dǎo)學(xué)生積極思考;借助電腦的動(dòng)畫演示,提高直觀性與趣味性,延長(zhǎng)學(xué)生有意注意的時(shí)間;教學(xué)中,及時(shí)精選一些練習(xí)幫助學(xué)生鞏固與強(qiáng)化知識(shí),而“結(jié)”則包含兩方面的內(nèi)容(1)授課中教師的及時(shí)小結(jié)與點(diǎn)撥(2)聽課時(shí)學(xué)生的自我小結(jié)與鞏固。
學(xué)法指導(dǎo):(1)學(xué)習(xí)要求:①課前預(yù)習(xí)教材中有關(guān)內(nèi)容;②聽課時(shí)積極思考大膽質(zhì)疑;③課后及時(shí)完成課外作業(yè)。(2)指導(dǎo)措施:通過設(shè)置問題情景,激發(fā)學(xué)生大膽思考;由具體的事例吸引學(xué)生注意,通過直觀模型演示,化抽象為具體,突破教學(xué)難點(diǎn);借助電腦聲像效果,營(yíng)造愉悅課堂氛圍,提高學(xué)習(xí)興趣。
教學(xué)手段:多媒體輔助課堂教學(xué)。
一、教材內(nèi)容解析
由于正整數(shù)無(wú)法窮盡的特點(diǎn),有些關(guān)于正整數(shù)n的命題,難以對(duì)n進(jìn)行一一的驗(yàn)證,從而需要尋求一種新的推理方法,以便能通過有限的推理來證明無(wú)限的結(jié)論.這是數(shù)學(xué)歸納法產(chǎn)生的根源.
數(shù)學(xué)歸納法是一種證明與正整數(shù)n有關(guān)的命題的重要方法。它的獨(dú)到之處便是運(yùn)用有限個(gè)步驟就能證明無(wú)限多個(gè)對(duì)象,而實(shí)現(xiàn)這一目的的工具就是遞推思想。
設(shè)p(n)表示與正整數(shù)n有關(guān)的命題,證明主要有兩個(gè)步驟:(1)證明p(1)為真;(2)證明若p(k)為真,則p(k+1)為真;有了這兩步的保證,就可實(shí)現(xiàn)以下的無(wú)窮動(dòng)態(tài)的遞推過程:
P(1)真-> P(2)真-> P(3)真->… -> P(k)真-> P(k+1)真-> …
因此得到對(duì)于任何正整數(shù)n,命題p(n)都為真.
數(shù)學(xué)歸納法的兩個(gè)步驟中,第一步是證明的奠基,第二步是遞推的依據(jù),即驗(yàn)證由任意一個(gè)整數(shù)n過渡到下一個(gè)整數(shù)n+1時(shí)命題是否成立.這兩個(gè)步驟都非常重要,缺一不可.第一步確定了n=1時(shí)命題成立,n=1成為后面遞推的出發(fā)點(diǎn),沒有它遞推成了無(wú)源之水;第二步確認(rèn)了一種遞推關(guān)系,借助它,命題成立的范圍就能從1開始,向后面一個(gè)數(shù)一個(gè)數(shù)的無(wú)限傳遞到1以后的每一個(gè)正整數(shù),從而完成證明.因些遞推是實(shí)現(xiàn)從有限到無(wú)限飛躍的關(guān)鍵,沒有它我們就只能停留在對(duì)有限情況的把握上.
在應(yīng)用數(shù)學(xué)歸納法時(shí),第一步中的起點(diǎn)1可以恰當(dāng)偏移(如取k=n0),那么由第二步,就可證明命題對(duì)n=n0以后的每個(gè)正整數(shù)都成立;而第二步的遞推方式也可作靈活的變動(dòng),如跳躍式前進(jìn)等,但必須保證第一步中必須含有實(shí)現(xiàn)第二步遞推時(shí)的基礎(chǔ).
數(shù)學(xué)歸納法名為歸納法,實(shí)質(zhì)上與歸納法毫無(wú)邏輯聯(lián)系.按波利亞的說法“這個(gè)名字是隨便起的”.[1]歸納法是一種以特殊化和類比為工具的推理方法,是重要的探索發(fā)現(xiàn)的手段,是一種似真結(jié)構(gòu);而數(shù)學(xué)歸納法是一種嚴(yán)格的證明方法,一種演繹法,它的實(shí)質(zhì)是“把無(wú)窮的三段論納入唯一的公式中”(龐加萊),它得到的結(jié)論是真實(shí)可靠的.在皮亞諾提出“自然數(shù)公理”后,數(shù)學(xué)歸納法以歸納公理為理論基礎(chǔ),得到了廣泛的確認(rèn)和應(yīng)用.而自然數(shù)中的“最小數(shù)原理”,則從反面進(jìn)一步說明了數(shù)學(xué)歸納法證題的可靠性.
數(shù)學(xué)歸納法雖不是歸納法,但它與歸納法有著一定程度的關(guān)聯(lián).在數(shù)學(xué)結(jié)論的發(fā)現(xiàn)過程中,往往先通過對(duì)大量個(gè)別事實(shí)的觀察,通過歸納形成一般性的結(jié)論,最終利用數(shù)學(xué)歸納法的證明解決問題.因此可以說論斷是以試驗(yàn)性的方式發(fā)現(xiàn)的,而論證就像是對(duì)歸納的一個(gè)數(shù)學(xué)補(bǔ)充[1],即“觀察”+“歸納”+“證明”=“發(fā)現(xiàn)”.
二、教學(xué)目標(biāo)
1. 通過對(duì)具體問題的解決思路探尋,了解數(shù)學(xué)歸納法產(chǎn)生的根源及其無(wú)窮遞推的本質(zhì),在此基礎(chǔ)上歸納概括出數(shù)學(xué)歸納法證題的兩個(gè)步驟.
2. 體會(huì)數(shù)學(xué)歸納法的思想,會(huì)用數(shù)學(xué)歸納法證明一些簡(jiǎn)單的恒等式.
3. 了解通過“觀察”“歸納”“證明”來發(fā)現(xiàn)定理的基本思路.
三、教學(xué)問題診斷
認(rèn)知基礎(chǔ):
(1) 對(duì)正整數(shù)的特點(diǎn)的感性認(rèn)識(shí);
(2) 對(duì)“無(wú)窮”的概念有一定的認(rèn)識(shí)和興趣;
(3) 在數(shù)列的學(xué)習(xí)中對(duì)遞推思想有一定的體會(huì);
(4) 在生活經(jīng)驗(yàn)中接觸到一些具有遞推性質(zhì)的事實(shí);
(5) 在“算法”循環(huán)結(jié)構(gòu)的學(xué)習(xí)中有反復(fù)試用“循環(huán)體”的體會(huì),雖然算法實(shí)現(xiàn)的只能是有限步的循環(huán);(如下圖)
(6) 了解歸納法、演繹法等推理方法以及分析法、綜合法等證明方法,具有了一定的邏輯知識(shí)的基礎(chǔ).
難點(diǎn)或疑點(diǎn):
但數(shù)學(xué)歸納法作為一種證明的方法,且不論其方法的結(jié)構(gòu)形式,運(yùn)用技巧,就是對(duì)其自身的可靠性,學(xué)生都有一定的疑慮,具體可能會(huì)體現(xiàn)在以下一些方面:
1.數(shù)學(xué)歸納法所要解決的是無(wú)窮多個(gè)命題P(1),P(2),P(3),…,P(n),…恒為真的問題,由此造學(xué)生在理解上的兩點(diǎn)困難:(1)對(duì)“無(wú)窮”的模糊認(rèn)知和神秘感;(2)對(duì)于一個(gè)關(guān)于正整數(shù)n的命題P(n),會(huì)難以將其看作是一個(gè)隨自變量n變化的“命題值函數(shù)”.
2.為什么要引進(jìn)數(shù)學(xué)歸納法?驗(yàn)證為何不可行?
3.數(shù)學(xué)歸納法的兩步驟中,對(duì)第二步的認(rèn)識(shí)往往難以到位.將解決由P(k)到P(k+1)的傳遞性問題,誤解為證明P(k+1)的真實(shí)性.由此造成對(duì)證明中何以用“假設(shè)”的不理解.
4.數(shù)學(xué)歸納法的第二步中由k到k+1的遞推性應(yīng)保證k從第一個(gè)值時(shí)的任意一個(gè)整數(shù)都能成立,由此只要第一個(gè)值成立,就能確??梢砸恢边f推下去.
5.數(shù)學(xué)歸納法中的遞推是一種無(wú)窮盡的動(dòng)態(tài)過程,學(xué)生對(duì)于不斷反復(fù)地運(yùn)用步驟二來進(jìn)行推理的模式缺乏清晰的認(rèn)知.
數(shù)學(xué)歸納法運(yùn)用時(shí)對(duì)起點(diǎn)可作適當(dāng)?shù)钠?,?duì)第二步的證明有一定的技巧,這些都可以留置下一課進(jìn)行深入分析,本課側(cè)重解決對(duì)數(shù)學(xué)歸納法基本原理和兩步驟的初步理解.
突破的關(guān)鍵:
由于中學(xué)階段對(duì)數(shù)學(xué)歸納法的教學(xué)缺乏理論基礎(chǔ),因此學(xué)習(xí)的關(guān)鍵是通過對(duì)具體問題的解決,提煉出方法的一般模式。在經(jīng)歷問題的提出、思考的過程,通過具體的事例、直觀的模型中加以抽象概括,從而逐步加深對(duì)數(shù)學(xué)歸納法原理的理解。
(1) 借助遞推數(shù)列
遞推數(shù)列通過相鄰兩項(xiàng)的關(guān)系以及首項(xiàng)來確定數(shù)列,與數(shù)學(xué)歸納法的思想有著天然的聯(lián)系.
(2) 構(gòu)建直觀模型
上圖既有多米諾骨牌的形象又有數(shù)學(xué)的形式,加上命題式的推出符號(hào)更易理解若k則k+1的遞推語(yǔ)句,整體上又具有流程圖的程序結(jié)構(gòu),能較好地反映出數(shù)學(xué)歸納法的本質(zhì),可以使學(xué)生的思考有較形象直觀的載體.
(2)重視歸納概括
根據(jù)遞推思想,數(shù)學(xué)歸納法的證題過程可分解為以下無(wú)窮多個(gè)步驟:
第一步,P(1)真;
第二步,P(1)真->P(2)真;
第三步,P(2)真->P(3)真;
第四步,P(3)真->P(4)真;
用最少的步驟可概括為
第一步,P(1)真;
第二步以后各步都可歸納為一個(gè)命題的證明:P(k)真ÞP(k+1)真;即若P(k)真,則P(k+1)真.
同以上兩步,就可證得對(duì)任意的正整數(shù)n,都有P(n)為真.
對(duì)于這種抽象概括,學(xué)生在數(shù)列的學(xué)習(xí)以及算法的學(xué)習(xí)中是有經(jīng)驗(yàn)的和能力的.
四、教學(xué)支持條件
對(duì)于“無(wú)窮”與“遞推”的描述,僅靠語(yǔ)言及符號(hào)是蒼白的,借助于一些直觀形象的符號(hào)可以更有助于學(xué)生的想象與理解.
五、教學(xué)過程設(shè)計(jì)
(一)課前準(zhǔn)備
課前播放多米諾骨牌游戲的錄像,并將其類比遷移到對(duì)提問規(guī)則的制定:某個(gè)同學(xué)回答后,將話話筒傳遞給下一位同學(xué)回答問題.
設(shè)計(jì)意圖:一方面營(yíng)造輕松的氛圍,另一方面滲透遞推思想,讓學(xué)生有感悟思想的機(jī)會(huì).
(二) 方法的形成
問題:已知數(shù)列{an}:,求,.
師生活動(dòng):
學(xué)生進(jìn)行計(jì)算推理后,展示思考結(jié)果.
教師追問:
(1)根據(jù)遞推公式,可以由出發(fā),推出,再由推出,由推出,說說你又是如何求得呢?
預(yù)設(shè):由前四項(xiàng)歸納猜想.
(2)歸納猜想的結(jié)果并不可靠,你能否對(duì)給以嚴(yán)格的證明嗎?
設(shè)計(jì)意圖:學(xué)生通過對(duì)的求解,體會(huì)到只需知道某一項(xiàng),就可求出其下一項(xiàng)的值.通過直觀的框圖式結(jié)構(gòu),可以使學(xué)生的思考有較形象直觀的載體.針對(duì)學(xué)生的回答情況,教師可進(jìn)行追問:
問1 : 利用遞推公式,命題中的n由1可以推出2,由2可以推出3,由3可以推出4,。。。,由99可以推出100. 這樣要嚴(yán)格證明n=100結(jié)論成立,需要進(jìn)行多少個(gè)步驟的論證呢?
第一步,;
第二步:; (由推)
第三步,; (由推)
第四步, ; (由推)
……
第99步,; (由推)
第100步,. (由推)
問2: 你能否只用最少的步驟就能證明這個(gè)結(jié)論呢?
預(yù)設(shè):除了第一步論證之外,其余99個(gè)步驟的證明都可以概括成一個(gè)命題的證明,即轉(zhuǎn)化為對(duì)以下命題的證明:
若n取某一個(gè)值時(shí)結(jié)論成立,則n取其下一個(gè)值時(shí)結(jié)論也成立,即
若(),則. (*)
(.)
問3: 你能進(jìn)一步說明命題(*)的證明對(duì)原命題的證明起到什么作用嗎?
問4: 有了命題(*)的證明,你能肯定嗎?你能肯定嗎?你能肯定嗎?甚至你能肯定嗎?…
問5:給定及命題(*),你能推出什么結(jié)論呢?
預(yù)設(shè):通過步步遞推,可以證明對(duì)任意的正整數(shù)n,結(jié)論都成立.
問6:試寫出此命題的證明:
已知數(shù)列{an}:,求證:.
預(yù)設(shè):證明:
(1) 當(dāng)n=1時(shí),,所以結(jié)論成立.
(2) 假設(shè)當(dāng)n=k(kÎN*)時(shí),結(jié)論成立,即,
則當(dāng)n=k+1時(shí)
即當(dāng)n=k+1時(shí),結(jié)論也成立.
由(1)(2)可得,對(duì)任意的正整數(shù)n都有成立.
問7: 你能否總結(jié)出這一證明方法的一般模式?
預(yù)設(shè):
一般地,證明一個(gè)與正整數(shù)n有關(guān)的命題P(n),可按下列步驟進(jìn)行:
(1) 證明當(dāng)n=1時(shí)命題成立;
(2) 假設(shè)當(dāng)n=k()時(shí)命題成立,證明當(dāng)n=k+1時(shí)命題也成立.
則 P(1)真-> P(2)真-> P(3)真->P(4)真->P(5)真->……
那么,對(duì)任意的正整數(shù)n,命題P(n)都成立.
設(shè)計(jì)意圖:方法的提煉事實(shí)是對(duì)一種模式的提煉,通過對(duì)多米諾骨牌、課堂提問方式的滲透,以及對(duì)這一數(shù)學(xué)問題的解決過程的體驗(yàn),部分學(xué)生可能有能力對(duì)這一模式的特征進(jìn)行概括.
問8:這種解決問題的思想方法在生活中有應(yīng)用嗎?你能舉出一些例子說明嗎?
預(yù)設(shè):多米諾骨牌游戲,課堂提問,傳真話,長(zhǎng)城烽火臺(tái)的狼煙傳遞等等;
設(shè)計(jì)意圖:通過舉例子,讓學(xué)生進(jìn)一步理解數(shù)學(xué)歸納法的原理,體會(huì)數(shù)學(xué)與現(xiàn)實(shí)生活之間的聯(lián)系和類比.增進(jìn)對(duì)數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)的興趣.
問9:對(duì)方法中的兩個(gè)步驟,你是如何理解的?
預(yù)設(shè):一是歸納基礎(chǔ),二是歸納遞推.兩者缺一不可。
數(shù)學(xué)歸納法實(shí)質(zhì)上將對(duì)原問題的證明轉(zhuǎn)化為對(duì)兩個(gè)步驟的證明和判斷,由此可進(jìn)行無(wú)限的循環(huán),其結(jié)構(gòu)如下:
設(shè)計(jì)意圖:通過從不同的角度審視,更有利于學(xué)生全面地了解數(shù)學(xué)歸納法的本質(zhì).
(三)方法的應(yīng)用
例1 試一試,猜一猜 證一證
我們都知道1+2+3+…+n=(nÎN*),那么13+23+33+…+n3= ? .
預(yù)設(shè):
n=1 13 =1 =12
n=2 13+23 =9 =32
n=3 13+23+33 =25 =52
n=4 13+23+33+43 =100 =102
…….
猜想
13+23+33+…+n3=
證明: (由學(xué)生證明,略)
設(shè)計(jì)意圖:通過實(shí)例,讓學(xué)生經(jīng)歷歸納、猜想、證明的全過程,進(jìn)一步體會(huì)數(shù)學(xué)歸納法的思想和步驟.
(四) 鞏固與深化
例2 明辨是非
n=n+1?
證明:假設(shè)n=k()時(shí)結(jié)論成立,即
k=k+1,
在等式兩邊各加上1,得
k+1=(k+1)+1
即當(dāng)n=k+1時(shí),等式也成立.
所以n=n+1對(duì)任意的正整數(shù)n都成立.
設(shè)計(jì)意圖:從反面的實(shí)例中可進(jìn)一步加深對(duì)數(shù)學(xué)歸納法的兩個(gè)步驟的理解.
例3 (1)如果要證明命題P(n)成立,即證P(3),P(4),P(5),P(6),P(7),......都成立,根據(jù)數(shù)學(xué)歸納法的思想,你會(huì)如何證明?
(2)如果要證明命題P(n)(n是正偶數(shù))成立,即證明命題P(2),P(4),P(6), P(8), P(10),......都成立,根據(jù)數(shù)學(xué)歸納法的思想,你會(huì)如何證明?
設(shè)計(jì)意圖:方法是死的,思想是活的,通過這兩個(gè)問題,使學(xué)生對(duì)數(shù)學(xué)歸納法的思想有進(jìn)一步的認(rèn)識(shí).同時(shí)也可檢測(cè)學(xué)生對(duì)數(shù)學(xué)歸納法的遞推本質(zhì)的理解程度.
(五)小結(jié)與回顧
(1)數(shù)學(xué)歸納法能解決哪些問題?(與正整數(shù)有關(guān)的命題的證明)
(2)數(shù)學(xué)歸納法的證題步驟是什么?(兩步驟一結(jié)論)
(3)它的核心思想是什么?(無(wú)窮遞推)
(4)在學(xué)習(xí)與思考中你還有哪些疑惑?
(5)想飛的蝸牛怎樣才能扶著天梯登上云端呢?(生:登上第一級(jí);如果登上一級(jí)后,再努力一點(diǎn),就能登上下一級(jí).那么蝸牛就能想爬多高就能到多高.)