17.?dāng)?shù)學(xué)問(wèn)題:計(jì)算$\frac{1}{m}$+$\frac{1}{{m}^{2}}$+$\frac{1}{{m}^{3}}$+…+$\frac{1}{{m}^{n}}$(其中m,n都是正整數(shù),且m≥2,n≥1)
探究問(wèn)題:為解決上面的數(shù)學(xué)問(wèn)題,我們運(yùn)用數(shù)形結(jié)合的思想方法,通過(guò)不斷地分割一個(gè)面積為1的正方形,把數(shù)量關(guān)系和幾何圖形巧妙地結(jié)合起來(lái),并采取一般問(wèn)題特殊化的策略來(lái)進(jìn)行探究.
探究一:計(jì)算探究一:計(jì)算$\frac{1}{2}$+$\frac{1}{{2}^{2}}$+$\frac{1}{{2}^{3}}$+…+$\frac{1}{{2}^{n}}$.
第1次分割,把正方形的面積二等分,其中陰影部分的面積為$\frac{1}{2}$
第2次分割,把上次分割圖中空白部分的面積繼續(xù)二等分,陰影部分的面積之和為 $\frac{1}{2}$+$\frac{1}{{2}^{2}}$;
第3次分割,把上次分割圖中空白部分的面積繼續(xù)二等分,…;
…
第n次分割,把上次分割圖中空白部分的面積最后二等分,所有陰影部分的面積之和為$\frac{1}{2}$+$\frac{1}{{2}^{2}}$+$\frac{1}{{2}^{3}}$+…+$\frac{1}{{2}^{n}}$最后空白部分的面積是 $\frac{1}{{2}^{n}}$.
探究二:計(jì)算$\frac{1}{3}$+$\frac{1}{{3}^{2}}$+$\frac{1}{{3}^{3}}$+…+$\frac{1}{{3}^{n}}$.
第1次分割,把正方形的面積三等分,其中陰影部分的面積為$\frac{2}{3}$;
第2次分割,把上次分割圖中空白部分的面積繼續(xù)三等分,陰影部分的面積之和為$\frac{2}{3}$+$\frac{2}{{3}^{2}}$;
第3次分割,把上次分割圖中空白部分的面積繼續(xù)三等分,…;
…
第n次分割,把上次分割圖中空白部分的面積最后三等分,所有陰影部分的面積之和為$\frac{2}{3}$+$\frac{2}{{3}^{2}}$+$\frac{2}{{3}^{3}}$+…+$\frac{2}{{3}^{n}}$,最后空白部分的面積是$\frac{1}{{3}^{n}}$.
根據(jù)第n次分割圖可得等式:$\frac{2}{3}$+$\frac{2}{{3}^{2}}$+$\frac{2}{{3}^{3}}$+…+$\frac{2}{{3}^{n}}$=1-$\frac{1}{{3}^{n}}$,
兩邊同除以2,得$\frac{1}{3}$+$\frac{1}{{3}^{2}}$+$\frac{1}{{3}^{3}}$+…+$\frac{1}{{3}^{n}}$=$\frac{1}{2}$-$\frac{1}{2×{3}^{n}}$.
探究三:計(jì)算$\frac{1}{4}$+$\frac{1}{{4}^{2}}$+$\frac{1}{{4}^{3}}$+…+$\frac{1}{{4}^{n}}$.
第1次分割,把正方形的面積四等分,其中陰影部分的面積為$\frac{3}{4}$;
第2次分割,把上次分割圖中空白部分的面積繼續(xù)四等分,陰影部分的面積之和為$\frac{3}{4}$+$\frac{3}{{4}^{2}}$;
第3次分割,把上次分割圖中空白部分的面積繼續(xù)四等分,…;
…
第n次分割,把上次分割圖中空白部分的面積最后四等分,所有陰影部分的面積之和為$\frac{3}{4}$+$\frac{3}{{4}^{2}}$+$\frac{3}{{4}^{3}}$+…+$\frac{3}{{4}^{n}}$,最后空白部分的面積是$\frac{1}{{4}^{n}}$
根據(jù)第n次分割圖可得等式:$\frac{3}{4}$+$\frac{3}{{4}^{2}}$+$\frac{3}{{4}^{3}}$+…+$\frac{3}{{4}^{n}}$=1-$\frac{1}{{4}^{n}}$.
兩邊同除以3,得$\frac{1}{4}$+$\frac{1}{{4}^{2}}$+$\frac{1}{{4}^{3}}$+…+$\frac{1}{{4}^{n}}$=$\frac{1}{3}$-$\frac{1}{3×{4}^{n}}$
探究四:計(jì)算$\frac{1}{5}$+$\frac{1}{{5}^{2}}$+$\frac{1}{{5}^{3}}$+…+$\frac{1}{{5}^{n}}$
(仿照上述方法,只畫出第n次分割圖,在圖上標(biāo)注陰影部分面積,并寫出探究過(guò)程)
解決問(wèn)題:計(jì)算$\frac{1}{m}$+$\frac{1}{{m}^{2}}$+$\frac{1}{{m}^{3}}$+…+$\frac{1}{{m}^{n}}$.
(只需畫出第n次分割圖,在圖上標(biāo)注陰影部分面積,并完成以下填空)
根據(jù)第n次分割圖可得等式:$\frac{m-1}{m}$+$\frac{m-1}{{m}^{2}}$+$\frac{m-1}{{m}^{3}}$+…+$\frac{m-1}{{m}^{n}}$=1-$\frac{1}{{m}^{n}}$,
所以,$\frac{1}{m}$+$\frac{1}{{m}^{2}}$+$\frac{1}{{m}^{3}}$+…+$\frac{1}{{m}^{n}}$=$\frac{1}{m-1}$-$\frac{1}{(m-1){m}^{n}}$.
拓廣應(yīng)用:計(jì)算$\frac{6-1}{6}$+$\frac{{6}^{2}-1}{{6}^{2}}$+$\frac{{6}^{3}-1}{{6}^{3}}$+…$\frac{{6}^{n}-1}{{6}^{n}}$.