• 观察归纳猜想验证


    前言

    素材备用

    函数中

    例1【倒序相加法】【函数性质的应用】定义在(R)上的函数满足(f(cfrac{1}{2}+x)+f(cfrac{1}{2}-x)=2)

    求值:(f(cfrac{1}{8})+f(cfrac{2}{8})+f(cfrac{3}{8})+cdots+f(cfrac{7}{8})=7)

    分析:由(f(cfrac{1}{2}+x)+f(cfrac{1}{2}-x)=2)可知,两个自变量之和为(1)时,其函数值之和为(2),故(f(cfrac{1}{8})+f(cfrac{1}{8})=2),等等,

    又由已知可知,(f(1-x)+f(x)=2),令(x=cfrac{1}{2}),可得(f(cfrac{1}{2})=f(cfrac{4}{8})=1)

    (f(cfrac{1}{8})+f(cfrac{2}{8})+f(cfrac{3}{8})+cdots+f(cfrac{7}{8})=7)

    引例1已知函数(f(x)=x+sinpi x-3),则(f(cfrac{1}{2017})+f(cfrac{2}{2017})+cdots) (+f(cfrac{4032}{2017})+f(cfrac{4033}{2017}))的值为______.

    【观察】:注意到(cfrac{1}{2017}+cfrac{4033}{2017}=cfrac{4034}{2017}=2)(cfrac{2}{2017}+cfrac{4032}{2017}=cfrac{4034}{2017}=2)(cdots)

    【归纳】:以上诸多表达式,我们一般不会一一验证,如果我们用(x)(2-x)来代表上述不同表达式中的自变量,则到两端等距离的两项的函数值的和就可以归纳为(f(x)+f(2-x))

    【猜想】:是否对任意(x),都满足(f(x)+f(2-x)=m)((m)为常数)?

    【验证】:(f(x)+f(2-x)=x+sinpi x-3+(2-x)+sinpi(2-x)-3)

    (=sinpi x+sin(2pi-pi x)-4=sinpi x-sinpi x-4=-4)

    结论:(f(x)+f(2-x)=-4)

    解析:故(f(cfrac{1}{2017})+f(cfrac{2}{2017})+cdots) (+f(cfrac{4032}{2017})+f(cfrac{4033}{2017}))

    (=[f(cfrac{1}{2017})+f(cfrac{4033}{2017})]+[f(cfrac{2}{2017})+f(cfrac{4032}{2017})]+cdots+[f(cfrac{2016}{2017})+f(cfrac{2018}{2017})]+f(cfrac{2017}{2017}))

    (=2016 imes(-4)+f(1)=-8064+1+0-3=-8066),故选(D)

    引例2【利用类对称性求值】【2017宝鸡中学第一次月考第15题】已知函数(f(x)=frac{x^2}{1+x^2}),则(2f(2)+)(2f(3)+)(cdots+2f(2017))(+f(frac{1}{2})+)(f(frac{1}{3}))(+cdots+f(frac{1}{2017}))(+frac{1}{2^2}f(2)+)(frac{1}{3^2}f(3)+cdots+)(frac{1}{2017^2}f(2017))的值为多少?

    分析:从研究函数的特殊性质入手,切入点是给定式子的结构;注意到自变量有(2)(cfrac{1}{2})

    所以先尝试探究(f(x)+f(frac{1}{x})),结果,(f(x)+f(frac{1}{x})=frac{x^2}{1+x^2}+cfrac{(frac{1}{x})^2}{1+(frac{1}{x})^2}=1)

    这样就可以将中的一部分求值,剩余其他部分里面的代表为(f(2)+cfrac{1}{2^2}f(2))

    故接下来探究(f(x)+cfrac{1}{x^2}f(x)=?),结果发现(f(x)+cfrac{1}{x^2}f(x)=cfrac{x^2}{1+x^2}+cfrac{1}{x^2}cdotcfrac{x^2}{1+x^2}=1)

    到此我们以及对整个题目的求解心中有数了,则整个题目的求解思路基本清晰了。

    解析:由(f(x)+f(cfrac{1}{x})=1)(f(x)+cfrac{1}{x^2}f(x)=1),可将所求式子变形得到:

    (2f(2)+2f(3)+cdots+2f(2017)+f(frac{1}{2})+f(frac{1}{3})+cdots+f(frac{1}{2017})+frac{1}{2^2}f(2)) (+frac{1}{3^2}f(3)+cdots+)(frac{1}{2017^2}f(2017))

    (={[f(2)+f(frac{1}{2})]+[f(3)+f(frac{1}{3})]+cdots+[f(2017)+f(frac{1}{2017})]}) (+{[f(2)+frac{1}{2^2}f(2)]+[f(3)+frac{1}{3^2}f(3)]+cdots++[f(2017)+frac{1}{2017^2}f(2017)]})

    (=2016+2016=4032).

    数列中的观察归纳,

    类比推理中

    二项式定理中

    数学归纳法中

    例4【数学归纳法的难点:增加的项数】

    数学归纳法证明:“(1+cfrac{1}{2}+cfrac{1}{3}+cdots+cfrac{1}{2^n-1}<n(nin N^*,n>1))”,由(n=k(k>1))不等式成立,推证(n=k+1)时,左边应增加的项数是____________。

    观察:左边的和式是一系列的分式之和,分子都是(1),分母从自然数(1)开始,逐项增加(1),末项为(2^n-1),由此得到,

    (n=k)时,左端的和式为(1+cfrac{1}{2}+cfrac{1}{3}+cdots+cfrac{1}{2^k-1})

    (n=k+1)时,左端的和式为(1+cfrac{1}{2}+cfrac{1}{3}+cdots+cfrac{1}{2^k-1}+cfrac{1}{2^k}+cfrac{1}{2^k+1}+cdots+cfrac{1}{2^(k+1)-1})

    增加的项数可以借助等差数列求项数的公式求解(n=cfrac{a_n-a_1}{d}+1)

    故增加的项数为(cfrac{2^{k+1}-1-2^k}{1}+1=2^{k+1}-2^k=2^k),即增加的项数为(2^k)项。

    例4-1【数学归纳法的难点:增加的项数】

    用数学归纳法证明(cfrac{1}{n+1}+cfrac{1}{n+2}+cfrac{1}{n+3}+cdots+cfrac{1}{2n}≥cfrac{11}{34})时,由(n=k)(n=k+1),不等式左边的变化是【】

    $A.$增加$cfrac{1}{2(k+1)}$项
    $B.$增加$cfrac{1}{2k+1}$和$cfrac{1}{2k+2}$两项
    $C.$增加$cfrac{1}{2k+1}$和$cfrac{1}{2k+2}$两项同时减少$cfrac{1}{k+1}$项
    $D.$以上都不对

    解析:当(n=k)时,左边=(cfrac{1}{k+1}+cfrac{1}{k+2}+cfrac{1}{k+3}+cdots+cfrac{1}{2k})

    (n=k+1)时,左边=(cfrac{1}{k+2}+cfrac{1}{k+3}+cfrac{1}{k+4}+cdots+cfrac{1}{2(k+1)})

    故由“(n=k)”变成“(n=k+1)”时,不等式左边的变化是(cfrac{1}{2k+1}+cfrac{1}{2k+2}-cfrac{1}{k+1}),故选(C)

    验证

    所举的函数例子虽说不是抽象函数,但对称性的验证同样适用。

    例1【2017全国卷1文科第9题高考真题】已知函数(f(x)=lnx+ln(2-x)),则【】

    $A.$在$(0,2)$上单调递增
    $B.$在$(0,2)$上单调递减
    $C.y=f(x)$的图像关于直线$x=1$对称
    $D.y=f(x)$的图像关于点$(1,0)$对称

    分析:由于函数(f(x))是复合函数,定义域要使(x>0,2-x>0),即定义域是((0,2))

    (f(x)=ln[x(2-x)]=ln[-(x-1)^2+1]),则由复合函数的单调性法则可知,

    ((0,1))上单增,在((1,2))上单减,故排除(A)(B)

    若函数(y=f(x))关于点((1,0))对称,则函数(f(x))必然满足关系:(f(x)+f(2-x)=0)

    若函数(y=f(x))关于直线(x=1)对称,则函数(f(x))必然满足关系:(f(x)=f(2-x))

    接下来我们用上述的结论来验证,由于(f(x)=lnx+ln(2-x))

    (f(2-x)=ln(2-x)+ln(2-(2-x))=ln(2-x)+lnx),即满足(f(x)=f(2-x)),故函数(y=f(x))的图像关于直线(x=1)对称,选(C)

    再来验证(D),发现(f(x)+f(2-x)=2[lnx+ln(2-x)] eq 0)(D)选项不满足。故选(C)

    例2【2018高三文科训练题】已知函数(f(x)=lg(4x-x^2)),则【】

    $A.f(x)$在$(0,4)$上单调递增
    $B.f(x)$在$(0,4)$上单调递减
    $C.y=f(x)$的图像关于直线$x=2$对称
    $D.y=f(x)$的图像关于点$(2,0)$对称

    分析:令内函数(g(x)=4x-x^2>0),得到定义域((0,4)),又(g(x)=-(x-2)^2+4),故内函数在((0,2])单减,在([2,4))单增,外函数只有单调递增,故复合函数(f(x))((0,2])单减,在([2,4))单增,故排除(A)(B)

    要验证(C)选项,只需要验证(f(x)=f(4-x))即可,这是(y=f(x))的图像关于直线(x=2)对称的充要条件;

    (f(4-x)=lg[4(4-x)-(4-x)^2]=lg(16-4x-16+8x-x^2)=lg(4x-x^2)=f(x)),故选(C)

    若要验证(D)选项,只需要利用(y=f(x))的图像关于点((2,0))对称的充要条件,即验证(f(x)+f(4-x)=0)即可。自行验证,不满足。

    故本题目选(C).

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