古明地戀的數(shù)學(xué)科普——向前—向后數(shù)學(xué)歸納法
前言:本文適合學(xué)習(xí)過基本不等式并且掌握較為熟練的讀者.
一、什么是向前—向后(Forward and Backward)數(shù)學(xué)歸納法
考慮到部分讀者并不熟悉數(shù)學(xué)歸納法(因為目前的中學(xué)教材已經(jīng)淡化這部分內(nèi)容),所以在此給出數(shù)學(xué)歸納法的最基本形式:
當(dāng)一個關(guān)于正整數(shù)n的命題滿足以下條件時:
1.時命題成立;
2.時命題成立可推得
時命題成立.
可證得命題對任意正整數(shù)n成立.
上述形式也稱作第一數(shù)學(xué)歸納法.事實上,數(shù)學(xué)歸納法有多種變形形式.如當(dāng)替換為
時的第二數(shù)學(xué)歸納法.
此次所述的向前—向后數(shù)學(xué)歸納法也是數(shù)學(xué)歸納法的變形形式.其形式如下:
當(dāng)一個命題滿足如下條件時:
1.命題對無窮多個自然數(shù)成立;
2.時命題成立可推得
時命題成立.
可證得命題對任意正整數(shù)成立.
二、向前—向后數(shù)學(xué)歸納法的應(yīng)用實例(不等式的證明)
1.元算術(shù)—幾何平均值(AM—GM)不等式
,當(dāng)且僅當(dāng)
時等號成立.
證明如下:
時,即是讀者在中學(xué)階段學(xué)習(xí)過2元形式的均值不等式:
,當(dāng)且僅當(dāng)a=b時等號成立.
此處證明從略.
設(shè)命題對成立,則
時,
因為
所以命題對也成立.
假設(shè)命題對成立,則
時,
從而有
綜上所述,原不等式得證.
2.樊畿(Fan Ky)不等式
n=1時,顯然成立;n=2時,即證
也就是,而這是顯然的.
設(shè)結(jié)論對成立,即
也就是
時,
要證明上述式子成立,即證
也就是
即,由于
,此式顯然成立.
設(shè)結(jié)論對n=k+1成立,即
考慮,則
由于
所以
從而結(jié)論對n=k成立.
參考資料:
[1]謝惠民.數(shù)學(xué)分析習(xí)題課講義.(上冊)北京:高等教育出版社,2003.
[2]陳計.代數(shù)不等式.上海:上海科技教育出版社,2009.
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