对一类非自然数变量问题的数学归纳法证明开远市一中 佘维平 661600(本文发表于北京《数理天地》2000·4)一 、变量为整数例1设X∈Z, 求证:( +1) 2k+1 –( –1)2K+1 能被2 k+1 整除,但不能被2 k+2 整除。证明:设f (x) = ( +1) 2k+1 –( –1)2k+1 ⅰ当X=0时 f(0)=( +1)–( –1)=2,命题成立; 当X=1时 f(1)=( +1)3 –( –1)3 =20=22 ·5, 2 2 ·5能被2 2整除,但不能被2 3整除,故命题成立;ⅱ设当X=k–1、k(k∈N)时,命题成立,即 f(k–1)=( +1)2k–1 –( –1)2k–1 =2k ·M , f(K)=( +1)2k+1 –( –1)2k+1 =2k+1 ·N其中M、N均为正奇数, 则当X=k+1时 f(k+1)= ( +1) 2k+3 –( –1)2K+3 =[( +1) k +( –1)2][ ( +1) 2k+1 –( –1)2K+1]– [( –1)2 ·( +1) 2k+1 –( –1)2K+1 ·( +1) 2 ]=8·f(k)–( +1)2 ·( –1)2 [( +1)2k–1 –( –1)2k–1]=8·f(k)–4·f(k–1)=2k+4 N–2k+2 ·M=2k+2(4N–M) ∵ 4N–M是奇数,∴ f(k+1)能被2 ( k+1)+1 整除,但不能被2 ( k+1)+2 整除, 即n=k+1时命题也成立。 ⅲ 假设当X=k+1、k(k∈Z且k≤0) 时命题成立,即 f(k+1)= ( +1) 2k+3 –( –1)2K+3 =2 k+2 ·P f(K)=( +1)2k+1 –( –1)2k+1 =2k+1 ·Q,其中P、Q均为负奇数, 则当X=k–1时 f(k–1)=( +1)2k–1 –( –1)2k–1 =[( +1) –2 +( –1)–2][ ( +1) 2k+1 –( –1)2K+1]– [( –1)–2 ·( +1) 2k+1 +( –1)2K+1 ·( +1) –2 ] =2·f(k)–( –1)–2 ·( +1)–2 [( +1)2k+3 –( –1)2k+3] =2·f(k)–2–2·f(k+1) =2k+4·Q–2k ·p =2k ·(2Q–P)∵ 2Q–P是奇数,∴ 2 k (2Q–P)能被2 ( k–1)+1 整除,但不能被2 ( k–1)+2 除, ∴ n=k–1时命题也成立。 由ⅰ、ⅲ知,对任意负整数,命题成立, 综合ⅰ、ⅱ、ⅲ知,对任意整数,命题成立。评注:此题证明中步骤 ⅲ 使用了倒推归纳法,在用数学归纳法证明整数变量的问题时,这无疑可用于解决变量为负整数的情形。但对一些较为简单的问题,也可考虑其他方法,如例2中第二步的证明,就是通过对变量符号的巧妙转换而完成的。 二、变量为有理数例2、一个定义在有理数集合Q上的函数f(X)对一切x、y∈Q都有f(X)=f(X)+f(Y),求证:对任意X∈Q,f(X)=X·f(1). 分析:直接证明较难,由于当m、n (n≠0)为互质整数时, ∈Q,故考虑把X分为n(n≠0)、0与-n、 (m∈N)及 几类,这样可用数学归纳法解决第一类情形,其他几类情形便可迎刃而解.证明:第一步,证明结论对X∈N 成立. ⅰ 当X=1时 f(1)=1·f(1),结论成立; ⅱ 设X=k(k∈N)时结论成立,即f(k)=k·f(k), 则当X=k+1时,f(k+1)=f(k)+f(1)=(k+1)·f(1) 结论也成立。 由ⅰ、ⅱ知,对X∈N,命题成立。 第二步,证明结论对零与负整数成立。 ∵ f(0)=f(0+0)=f(0)+f(0) ∴ f(0)=0=0·f(1) 又∵ f(n)+f(-n)=f[n+(-n)]=f(0)=0,(n∈N) ∴ f(-n)=-f(n)=-n·f(1) 即对零与负整数,结论成立。 第三步,证明当X= (m∈Z,m≠0)时结论成立。 设n∈N,则f(1)=f( + +……+ )=f( )+f( )+……+ f( )=n·f( ) n 个 n 个 ∴f( )= ·f(1) 同时,由f( )+f(- )=f(0)=0有f(- )=- ·f(1) ∴ 结论成立。 第四步,证明结论对一切有理数成立。 设m∈N、n∈Z,且n≠0 ∵ f( )= f( + +……+ )=m·f( )= ·f(1) n 个 ∴ 对一切有理数X= ,f(X)=X·f(1)成立。评注:此题由于合理巧妙地划分变量而使数学归纳法得以应用其中,并较简便地使问题求得解决。这对今后解决类似问题时无疑是有借鉴作用的,此外,问题的求解过程体现了分散难点、各个击破的分类思想,充满了数学的策略和美。.(本文字符数:1941)