Phương pháp quy nạp toán học và dãy số

Kỳ thi ĐGTD ĐH Bách Khoa

Đổi lựa chọn

Bài viết trình bày nội dung phương pháp quy nạp toán học và cách áp dụng nó trong một số bài toán chứng minh.

I. Phương pháp quy nạp toán học

1. Kiến thức cần nhớ

Bài toán:

Gọi \(P\left( n \right)\) là một mệnh đề chứa biến \(n\left( {n \in {N^*}} \right)\). Chứng minh \(P\left( n \right)\) đúng với mọi số tự nhiên \(n \in {N^*}\).

Phương pháp quy nạp toán học:

- Bước 1: Chứng minh \(P\left( n \right)\) đúng với \(n = 1\).

- Bước 2: Với \(k\) là một số nguyên dương tùy ý, giả sử \(P\left( n \right)\) đúng với \(n = k \ge 1\), chứng minh \(P\left( n \right)\) cũng đúng khi \(n = k + 1\).

Đối với bài toán chứng minh \(P\left( n \right)\) đúng với mọi \(n \ge p\) với \(p\) là số tự nhiên cho trước thì:

- Bước 1: Chứng minh \(P\left( n \right)\) đúng với \(n = p\).

- Bước 2: Với \(k \ge p\) là một số nguyên dương tùy ý, giả sử \(P\left( n \right)\) đúng với \(n = k\), chứng minh \(P\left( n \right)\) cũng đúng khi \(n = k + 1\).

Ví dụ: Chứng minh \({n^7} - n\) chia hết cho \(7\) với mọi \(n \in {N^*}\).

Giải:

Đặt \(P\left( n \right) = {n^7} - n\).

- Với \(n = 1\) thì \(P\left( 1 \right) = {1^7} - 1 = 0 \vdots 7\) nên \(P\left( 1 \right)\) đúng.

- Giả sử mệnh đề đúng với \(n = k \in {N^*}\), tức là \(P\left( k \right) = \left( {{k^7} - k} \right) \vdots 7\).

Ta phải chứng minh mệnh đề đúng với \(n = k + 1\), tức là: \(P\left( {k + 1} \right) = {\left( {k + 1} \right)^7} - \left( {k + 1} \right) \vdots 7\)

Ta có:

\(\begin{array}{l}{\left( {k + 1} \right)^7} - \left( {k + 1} \right) = C_7^0.{k^7} + C_7^1.{k^6} + C_7^2.{k^5} + C_7^3.{k^4} + C_7^4.{k^3} + C_7^5.{k^2} + C_7^6.k + C_7^7 - \left( {k + 1} \right)\\ = {k^7} + 7{k^6} + 21{k^5} + 35{k^4} + 35{k^3} + 21{k^2} + 7k + 1 - k - 1 = \left( {{k^7} - k} \right) + 7\left( {{k^6} + 3{k^5} + 5{k^4} + 5{k^3} + 3{k^2} + k} \right)\end{array}\)

Do \({k^7} - k \vdots 7\) và \(7\left( {{k^6} + 3{k^5} + 5{k^4} + 5{k^3} + 3{k^2} + k} \right) \vdots 7\) nên \(P\left( {k + 1} \right) = {\left( {k + 1} \right)^7} - \left( {k + 1} \right) \vdots 7\).

Vậy mệnh đề đã cho đúng.

2. Một số dạng toán thường gặp

Dạng 1: Chứng minh mệnh đề.

Phương pháp:

Sử dụng phương pháp quy nạp toán học đã nêu ở trên.

Dạng 2: Tìm công thức tổng quát cho tổng dãy số.

Phương pháp:

- Bước 1: Dự đoán công thức tổng quát cho tổng dãy số.

- Bước 2: Sử dụng phương pháp quy nạp toán học để chứng minh công thức vừa dự đoán.

II. Định nghĩa dãy số

- Hàm số \(u\) xác định trên tập hợp các số nguyên dương \({N^*}\) được gọi là một dãy số (dãy số vô hạn).

- Dãy số xác định trên tập hợp gồm \(m\) số nguyên dương đầu tiên ta cũng gọi là dãy số (dãy số hữu hạn).

Các số hạng trong dãy: \({u_1} = u\left( 1 \right),{u_2} = u\left( 2 \right),...,{u_n} = u\left( n \right),...\)

$u_1$ là số hạng thứ nhất (số hạng đầu)

$u_2$ là số hạng thứ hai.

...

$u_n$ là số hạng thứ n.

Với dãy số hữu hạn có $m$ số hạng thì $u_m$ còn được gọi là số hạng cuối.

Kí hiệu: Người ta thường kí hiệu dãy số \(u = u\left( n \right)\) bởi \(\left( {{u_n}} \right)\) và gọi \({u_n}\) là số hạng tổng quát của dãy số đó.

Ví dụ:

a) Hàm số $u(n)=\dfrac{1}{n}$ xác định trên tập $\mathbb{N^*}$ là một dãy số vô hạn.

Các số hạng là: $u_1=1,u_2=\dfrac{1}{2},u_3=\dfrac{1}{3},...$

b) Hàm số $u(n)=n^2$ xác định trên tập $X=\left\{1;2;3;4;5 \right\}$ là một dãy số hữu hạn. 

Các số hạng là: $ u_1=1,u_2=2^2=4,u_3=3^2=9,$$u_4=4^2=16,u_5=5^2=25$.

1 là số hạng đầu, 25 là số hạng cuối.

III. Các cách cho một dãy số

- Cách 1: Cho dãy số bởi công thức của số hạng tổng quát.

Ví dụ: Cho dãy số \(\left( {{u_n}} \right)\) với \({u_n} = \dfrac{1}{{n + 2}}\).

- Cách 2: Cho dãy số bởi hệ thức truy hồi (hay còn nói Cho dãy số bằng quy nạp).

Ví dụ: Cho dãy số \(\left( {{u_n}} \right)\) với \({u_n} = 2.{u_{n - 1}}\).

- Cách 3: Diễn đạt bằng lời cách xác định mỗi số hạng của dãy số.

Ví dụ: Cho dãy số \(\left( {{u_n}} \right)\) với \({u_n}\) là diện tích của hình vuông cạnh $n (cm)$.

IV. Dãy số tăng, dãy số giảm

Định nghĩa:

- Dãy số \(\left( {{u_n}} \right)\) được gọi là dãy số tăng nếu ta có \({u_{n + 1}} > {u_n}\) với mọi \(n \in {\mathbb{N}^*}\)

- Dãy số \(\left( {{u_n}} \right)\) được gọi là dãy số giảm nếu ta có \({u_{n + 1}} < {u_n}\) với mọi \(n \in {\mathbb{N}^*}\)

Không phải mọi dãy số đều chỉ tăng hoặc giảm.

Có những dãy số không tăng cũng không giảm như \({u_n} = {\left( { - 3} \right)^n}\) tức là \( - 3;9; - 27;81;...\)

V. Dãy số bị chặn

Dãy số \(\left( {{u_n}} \right)\) được gọi là bị chặn trên nếu tồn tại một số \(M\) sao cho

\({u_n} \le M,\forall n \in {N^*}\)

Dãy số \(\left( {{u_n}} \right)\) được gọi là bị chặn dưới nếu tồn tại một số \(m\) sao cho

\({u_n} \ge m,\forall n \in {N^*}\)

Dãy số \(\left( {{u_n}} \right)\) được gọi là bị chặn nếu nó vừa bị chặn trên vừa bị chặn dưới, tức là tồn tại các số \(M,m\) sao cho

\(m \le {u_n} \le M,\forall n \in {N^*}\)