Bất đẳng thức - ducduyspt 1 CÁC PHƯƠNG PHÁP CHỨNG MINH BẤT ĐẲNG THỨC Bất đẳng thức - ducduyspt 2 PHƯƠNG PHÁP 1: Sử dụng định nghĩa và biến đổi tương đương. 1.Cơ sở lí thuyết: Ta sử dụng một số biến đổi sơ cấp để đưa bất đẳng thức cần phải chứng minh về một bất đẳng thức mới mà bất đẳng thức mới luôn đúng hoặc có thể chứng minh được đúng. 2.Một số ví dụ minh họa Ta có thể biến đổi tương đương trực tiếp hoặc đặt ẩn phụ rồi biến đổi tương đương A.Biến đổi tương đương trực tiếp VD1: Cho a,b,c>0.Cmr: 22 2 22 2 22 2 ba c ac b cb a ba c ac b cb a (1) Giải (1) 0)()()( 22 2 22 2 22 2 ba c ba c ac b ac b cb a cb a 0 ))(())(())(( 22 2222 22 2222 22 2222 baba cbcabcac acac babcabcb cbcb acabcaba 0 ))(( )()( ))(( )()( ))(( )()( 222222 baba bccbacca acac ababcbbc cbcb caacbaab ))(( 1 ))(( 1 )( ))(( 1 ))(( 1 )( 22222222 babaacac cbbc acaccbcb baab 0 ))(( 1 ))(( 1 )( 2222 cbcbbaba acca (2) Do a,b,c>0 nên nếu ba thì: 0 ))(( 1 ))(( 1 0 2222 acaccbcb ba 0 ))(( 1 ))(( 1 )( 2222 acaccbcb baab Nếu ba thì: 0 ))(( 1 ))(( 1 0 2222 acaccbcb ba 0 ))(( 1 ))(( 1 )( 2222 acaccbcb baab Như vậy ta luôn có: 0 ))(( 1 ))(( 1 )( 2222 acaccbcb baab Bất đẳng thức - ducduyspt 3 Tương tự: 0 ))(( 1 ))(( 1 )( 2222 babaacac cbbc 0 ))(( 1 ))(( 1 )( 2222 cbcbbaba acca Cộng vế với vế của các bất đẳng thức trên (2) luôn đúng với a,b,c>0 đpcm. VD2: Cho 1;0,, cba .Cmr: 1)1)(1)(1( 111 cba ba c ac b cb a Giải: Do vai trò của a,b,c như nhau nên có thể giả sử: 1,,0 cba Đặt 1 cbaS cS a aS a cb a 1 (1) cS b bS b ac b 1 (2) Ta cm cho: 1 1 )1)(1)(1( ba c cba (3) 0 1 1 )1)(1()1( ba bac 0 1 1)1)(1( )1( ba baabba c 0 1 11 )1( 2222 ba ababbabbabaababa c 0 1 )1( 2222 ba abbaabba c 0 1 ))(1( )1( ba baab c .Điều này luôn đúng vì 1;0,, cba . Từ (1),(2),(3) 1 1 )1)(1)(1( 111 cS c cS c cS b cS a cba ba c ac b cb a đpcm. VD3: Cho nn nn axaxaxaxp 1 1 10 ...)( có n nghiệm phân biệt, nn ,2 . Chứng tỏ: 20 2 1 2)1( nnan (1) Giải (1) 0 2 2 0 1 2)1( n n a a n (2) Bất đẳng thức - ducduyspt 4 Do đa thức p(x) có n nghiệm phân biệt nên theo định lí Viet ta có: 0 1 21 ...: a a xxxA n và 0 2 13221 ...: a a xxxxxxB nn Ta có: BxxxxxA n i i n ji ji ji n i i n i i 2 1 2 1,1 2 2 1 2 (2) nBAn 2)1( 2 nBBxn n i i 2)2)(1( 1 2 n i i Bxn 1 2 2)1( n i n i ii ABxxn 1 1 222 2 n i n i ii xxn 1 2 1 2 .Điều này luôn đúng theo bđt Bunhiacopski với 2 bộ số ),...,,( 21 nxxx và )1,...,1,1( .Dấu bằng không xảy ra vì: 1 ... 11 21 nxxx (các nghiệm của p(x) phân biệt). (1) luôn đúng đpcm. B.Đặt ẩn phụ sau đó biến đổi tương đương VD1: CMR: cba ,, ta có 333333444666666 )(23 cbacbacbaaccbba (1) Giải (1) )(23 222 4 22 4 22 4 22 ab c ca b bc a b ac a cb c ba (2) Đặt ca b z bc a y ab c x 222 ,, .Ta có: xyz=1 Khi đó (2) trở thành: )(23111 222 zyx zyx 0)1()1)(1(2)11( 22 xyyx yx (3) Vì xyz=1 nên tồn tại 2 số nhỏ hơn hay bằng 1 hoặc 2 số lớn hơn hay bằng 1 0)1)(1( yx (3) luôn đúng Vậy bất đẳng thức đã cho đã được chứng minh. VD2: CMR: CBACBA coscoscos)cos1)(cos1)(cos1( (1) Giải Ta luôn có: 1cos,cos,cos CBA 0)cos1)(cos1)(cos1( CBA Nếu ABC vuông hoặc tù thì 0coscoscos CBA .Khi đó (1) luôn đúng. Nếu ABC nhọn 0coscoscos CBA Khi đó (1) 1 cos cos1 cos cos1 cos cos1 C C B B A A (2) Bất đẳng thức - ducduyspt 5 Đặt 2 tan, 2 tan, 2 tan C z B y A x Ta có (1) 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 z z z z y y y y x x x x 1 1 2 1 2 1 2 2 2 2 2 2 2 z z y y x x xyzz z y y x x 1 1 2 1 2 1 2 222 2 tan 2 tan 2 tan 1 tantantan CBA CBA 2 cot 2 cot 2 cottantantan CBA CBA (3) Mặt khác: ABC luôn có: CBACBA tantantantantantan 2 cot 2 cot 2 cot 2 cot 2 cot 2 cot CBACBA Từ đó (3) 2 cot 2 cot 2 cottantantan CBA CBA 2 tan 2 tan 2 tantantantan CBA CBA (4) Ta có bổ đề sau: 2 ,0:, yxyx 2 tan2tantan yx yx ABC nhọn 2 ,,0 CBA . Áp dụng bổ đề: 2 cot2 2 tan2tantan CBA BA 2 cot2 2 tan2tantan ACB CB 2 cot2 2 tan2tantan BAC AC Cộng vế với vế ta có: ) 2 tan 2 tan 2 (tan2)tantan(tan2 CBA CBA 2 tan 2 tan 2 tantantantan CBA CBA (đpcm) Vậy bất đẳng thức đã cho được chứng minh. 3.Bài tập áp dụng Bài 1: Với mọi a,b cùng dấu và m,n là các số tự nhiên cùng chẵn hoặc cùng lẻ. CMR: 222 nmnmnnmm bababa (1) HD: Bất đẳng thức - ducduyspt 6 (1) 0))(( mmnn baba luôn đúng do a,b cùng dấu và m,n là các số tự nhiên cùng chẵn hoặc cùng lẻ. Bài 2: Cho a,b,c là các số thực thỏa mãn: 1,,0 cba .Cmr: accbbacba 222222 1 (1) HD: (1) 1)1()1()1( 222 accbba Mà )1()1()1()1()1()1( 222 accbbaaccbba cabcabcba 11)1)(1)(1( abccba (do 1,,0 cba ) Bài 3: Cho a,b >0.Cm: )(4))()(( 663322 babababa (1) HD: (1) ))(1(4))(1)()(1)(1( 632 a b a b a b a b Đặt a b t khi đó )1(4)1)(1)(1( 632 tttt Bài 4: Cho cab ab ab ab cab ab ab ab 22 Cmr: cba cbaf 1 , 1 , 1 max4),,( Bài 5: Cho a,b,c>0.Cm bất đẳng thức: )(2 222222 cba c ba b ac a cb HD: áp dụng vd1.A PHƯƠNG PHÁP 2:Sử dụng tam thức bậc hai 1.Cơ sở lí thuyết: Xét )0()( 2 acbxaxxf , : acb 42 Xuất phát từ đồng nhất thức 2 2 4 ) 2 ()( aa b xaxf ta có các kết quả sau: Định lí 1: 0 0 0)( a xxf Định lí 2: 0 0 0)( a xxf Định lí 3: 0 0 0)( a xxf Bất đẳng thức - ducduyspt 7 Định lí 4: 0 0 0)( a xxf Định lí 5: 0)( xf có nghiệm 021 xx Khi đó ))(()( 21 xxxxaxf và a c xx a b xx 21 21 Để chứng minh BA ta viết biểu thức BA thành tam thức bậc hai theo một biến số nào đó .Sau đó dựa vào các định lí về dấu của tam thức bậc hai suy ra điều phải chứng minh. 2.Các ví dụ minh họa VD1: Cho a,b,c là các số thực thỏa mãn: 363 a và 1abc Cmr: cabcabcba 22 2 3 (1) Giải (1) 0 3 3)()( 2 2 a bccbacb (2) Từ 1abc a bc 1 . Thế vào (2) ta có: 0 3 1 3)()( 2 2 a a cbacb (3) 0 3 12 3 412 222 a a a a a (do 363 a ). Theo định về dấu tam thức bạc hai (3) luôn đúng. (1) luôn đúng. đpcm. VD2: Giả sử CBA ,, là 3 góc của một tam giác không cân tai C.Biết rằng phương trình : 0sinsin)sin(sin)sin(sin 2 CBxACxBA (1) Có đúng một nghiệm thực.Cmr: 060B Giải Vì ABC không cân tại C nên BA BA sinsin .Vậy (1) là pt bậc hai. Mặt khác 0sinsinsinsinsinsin ACCBBA nên (1) có 1 nghiệm 11 x nghiệm kia là: BA CB a c x sinsin sinsin 2 Vì (1) có đúng một nghiệm thực nên 21 xx 1 sinsin sinsin BA CB BCA sin2sinsin 2 cos 2 sin4 2 cos 2 sin2 BBCACA 2 sin2 2 cos BCA 1 2 sin20 B 2 1 2 sin0 B 030 2 B 060B đpcm. VD3: Cho ABC có độ dài 3 cạnh là a,b,c và diện tích S.Khi đó ta có: Bất đẳng thức - ducduyspt 8 0,34)12()12( 222 xScb x ax (1) Giải: (1) 0,3422 222222 xSxxcxbbxaxa 02)34(2 222222 bxScbaxa 0x (2) Có 22222 )4()34( abScba )434)(434( 222222 abScbaabScba Theo định lí côsin: Cabbac cos2222 Cabcba cos2222 Xét SCabScba 34cos234222 CabSCab sin 2 1 34cos2 )sin3(cos2 CCab áp dụng Bunhiacopski ta có: 4)sin3(cos 2 CC 2sin3cos2 CC abCCabab 4)sin3(cos24 Nên 0)434)(434( 222222 abScbaabScba 0 Theo định lí về dấu của tam thức bậc hai (2) luôn đúng (1) được cm. Dấu ‘=’ xảy ra 3 sin 1 cos CC 3tan C 0120C VD4: Cho ABC có độ dài 3 cạnh là a,b,c.Cmr: )(12)(15)(2012152050 222222333 bacacbcbacbaabc (1) Giải: Theo định lí hàm số cos ta có: Abcacb cos2222 Bacbac cos2222 Cabcba cos2222 (1) CabcBabcAababc cos24cos30cos4050 CBA cos24cos30cos4050 025cos245)cos6cos8(25 CBA 025cos245)cos6cos8(52 CBA (2) Coi 5 là ẩn có: 100)cos(96cos36coscos9664 22 BABBAAsos 100sinsin96coscos96cos36coscos96cos64 22 BABABBAA 100sinsin96sin36sin64100 22 BABA 0)sin6sin8( 2 BA (2) luôn đúng. (1) được cm. Dấu bằng xảy ra khi 0 4 3 sin sin B A Bất đẳng thức - ducduyspt 9 VD5: Cho a,b,c thỏa mãn 022 ba và x,y thay đổi thỏa mãn cbyax (1) CMR: 22 2 22 ba c yx Giải Từ giả thiết 022 ba 0 0 b a Không mất tính tổng quát ta giả sử: 0b Từ (1) b axc y .Do đó 2 222 b axc xyx 2222 2 2)( 1 cacxxba b Đặt 2222 2)()( cacxxbaxf Có 022 ba 22 22 22 )()( ba cb ba ac fxf 22 2 22 22 2 22 1 ba c ba cb b yx đpcm. VD6: Cho 122 ba và 3 dc với cba ,, CMR: 4 269 cdbdac Giải Đặt cdbdacS Từ 3 dc cd 3 .Nên )3()3( cccbacS bcbac 3)3(2 (*) Xét tam thức CBxAxxf 2)( Nếu 0A thì A BAC A B fxf 4 4 ) 2 ()( 2 (*) 4 )3(12 2 bab S 4 11)(6)( 2 baba S Đặt bat 2)(2)( 2222 babat 22 t Trên 2;2 hàm 116)( 2 tttf tăng 269)2()( ftf Do đó 4 269 S đpcm. 3.Bài tập áp dụng: Bài 1: Với n là số nguyên dương cho 2n số bất kì: nn bbbaaa ,...,,,,...,, 2121 . Cmr: n i ii n i i n i i baba 1 2 1 2 1 2 )())(( .Dấu bằng xảy ra khi nào? (Bất đẳng thức Bunhiacopski) Bất đẳng thức - ducduyspt 10 HD: Xét xbxaxf n i ii 0)()( 1 2 Viết lại: xbxbaxaxf n i i n i ii n i i 0)(2)()( 1 2 1 2 1 2 Theo định lí về dấu của tam thức bậc hai 0 . đpcm. Bài 2: Cho ABC .Cmr x ta đều có: )cos(coscos 2 1 2 CBxA x (1) HD: (1) xAxCBx 0)cos1(2)cos(cos22 Cm: 0 2 sin4 2 cos 2 cos4 222' ACBCB Bài 3: Cmr nếu b,c,d là 3 số thực thỏa mãn bcd ,thì với mọi số thực a ta có bất đẳng thức: )(8)( 2 bdacdcba (1) HD Đưa (1) về bất đẳng thức bậc 2 ẩn a và chứng minh cho 0' Bài 4: Cho a,b,c là 3 số dương thỏa mãn: )( 2 1 444222222 cbaaccbba Cmr có thể dựng được một tam giác có độ dài 3 cạnh là a,b,c. Bài 5: Cho x,y,z là 3 nghiệm của hệ: 4 4 zxyzxy zyx (1) Cmr: 3 8 ,,0 zyx HD: (1) )(4 4 zyxyz xzy 44 4 2 xxyz xzy y,z là hai nghiệm của phương trình: )2(044)4( 22 xxXxX Do x,y,z tồn tại nên (2) có nghiệm 0 Bài 6: Cmr : xyz zyx C z B y A x 2 cos 1 cos 1 cos 1 222 (1) với 0,, zyx HD: Đưa (1) về bất phương trình bậc hai với ẩn là x và chứng minh cho 0 Bài 7: Cho a,b,c là độ dài 3 cạnh của 1 tam giác.Cmr nếu 0 czbyax thì 0 cxybzxayz Bài 8: Cho ABC với 3 cạnh a,b,c và 3 đường cao cba hhh ,, với 2 cba p ta có: cba cba hc bac hb acb ha cba ba hcc ac hbb cb haap 2 )( 2 )( 2 )()2()2()2( 2 )21( 22 Bất đẳng thức - ducduyspt 11 PHƯƠNG PHÁP 3: Sử dụng các bất đẳng thức cổ điển A.Bất đẳng thức Cauchy 1.Cơ sở lí thuyết: Với n số không âm naaa ,...,, 21 ta luôn có: n aaa aaa nn n ... ... 2121 .Dấu bất đẳng thức xảy ra khi naaa ...21 2.Các ví dụ minh họa VD1. Cho a,b,c>0 và 4 3 cba .CMR: a, 3333 333 accbbaT b, 3333 23777 accbbaS Giải a, Áp dụng bất đẳng thức côsi cho các số dương a+3b,1,1: Ta có: 3 113 33 ba ba Tương tự: 3 113 33 cb cb 3 113 33 ac ac Cộng các vế bất đẳng thức trên ta được: 3 3 6)(4 333 333 cba accbbaT vì 4 3 cba theo giả thiết. Dấu bằng xảy ra 4 1 cba b, Áp dụng bất đẳng thức côsi cho các số dương a+7b,2,2 Ta có: 3 227 47 33 ba ba Tương tự: 3 227 47 33 cb cb 3 227 47 33 ac ac Cộng các vế bất đẳng thức trên ta được: 6 3 12)(8 4)777( 3333 cba accbba (vì 4 3 cba ) 3 3 333 23 4 6 777 accbbaS .Dấu bằng xảy ra 4 1 cba VD2: Cho a,b,c là 3 số dương.Cmr 2 3 ba c ac b cb a Giải Đặt ba c ac b cb a S Ta có: 1113 ba c ac b cb a S Bất đẳng thức - ducduyspt 12 ba cba ac cba cb cba S 3 ) 111 )((3 baaccb cbaS (1) Áp dụng bất đẳng thức Cauchy Cho 3 số dương: a+b,b+c,c+a có: 3 ))()((3 accbbaaccbba Cho 3 số dương accbba 1 , 1 , 1 có: 3 ))()(( 1 3 111 accbbaaccbba Nhân 2 vế bất đẳng thức trên ta có: ))()(( 1 3))()((3) 111 )(()3(2 33 accbba accbba accbba accbbaS 2 9 3 S 2 3 S đpcm. Dấu bằng xảy ra cba . VD3: Tìm giá trị nhỏ nhất của hàm số: 3 2 2)( x xxf trên khoảng ;0 Giải: Với 0x ta có: 5 5 2 3 32 33 222 27 5 ) 2 () 3 1 (5 11 333 )( x x xx xxx xf Dấu “=” xảy ra 3 2 1 3 x x 5 3x Vậy ;0 )(min xf = 5 27 5 khi 5 3x VD4: cho a,b,c>0.Cmr: 33 1))()(( abcb a c a c b c b a (1) Giải: (1) 33 )1())()(( abcb a c a c b c b a (2) Ta có VT(1)= ))(( 2 b a c cab b a c a abccb a bc a b ac c ab 2221 Áp dụng bđt cauchy cho 0,0,0 a bc b ac c ab và 0,0,0 222 cba 33 abc a bc b ac c ab và 3 222222 3 cbacba abcabcabcVT 3 23 )(331 33 )1( abcVT .đpcm Dấu bằng xảy ra khi a=b=c. VD5: Cho 0,, cba , 3 cba . CMR: cbac c b b a a 1 1 1 1 1 1 111 222 (1) Bất đẳng thức - ducduyspt 13 Giải (1) ) 111 (111 111 222 c c b b a a c c b b a a 3 111111 222 c c b b a a c c b b a a (2) Xét 4 1 2 1 1 1. 1 1 11 2 a a a a a a a a a Tương tự 4 1 2 1 11 2 b b b b b , 4 1 2 1 11 2 c c c c c Vậy 44 3 2 3 111111 222 cba c c b b a a c c b b a a 3 4 3 4 3 2 3 111111 222 c c b b a a c c b b a a (do a+b+c=3) Dấu bằng xảy ra khi a=b=c=1 VD6: Cho a,b,c>0. Cmr: 1 888 222 abc c acb b bca a T Giải Ta có: ))(()()( 3 4 3 4 3 4 3 4 3 4 3 4 3 4 3 4 23 4 23 4 3 4 3 4 acbaacbaacba bcacbacba 3 2 3 4 3 4 3 4 3 4 3 4 3 4 8))(( 23 4 3 2 23 4 3 4 3 4 )(8)( abcacba )()( 23 2 23 4 3 4 3 4 abcacba 3 4 3 4 3 4 3 4 2 8 cba a bca a Tương tự: 3 4 3 4 3 4 3 4 2 8 cba b acb b 3 4 3 4 3 4 3 4 2 8 cba c abc c Vậy 1 888 222 abc c acb b bca a T . Dấu bằng xảy ra khi a=b=c VD7: Cho n số dương naaa ,...,, 21 . Cmr: nn aaa n aaa ... 1 ... 11 21 2 21 Giải Áp dụng bất đẳng thức cauchy cho n số dương Ta có: 0...... 2121 n nn aaanaaa Bất đẳng thức - ducduyspt 14 0 ... 1 ... 11 2121 n nn aaa n aaa 2 21 21 ) 1 ... 11 )(...( n aaa aaa n n nn aaa n aaa ... 1 ... 11 21 2 21 . Dấu bằng xảy ra khi naaa ...21 VD8: Cho x,y,z>0.Cmr: 3 xyz zyx x z z y y x Giải Áp dụng cauchy cho 3 số dương có: 3 3 3 3 xyz x x z y x y x x z y x y x 3 3 3 3 zzx y x z z y z y x z z y z y 3 3 3 3 xxy z y x x z x z y x x z x z 3 )(3 )(3 xyz zyx x z z y y x Nhận xét: Ta có thể thêm bớt điều kiện bài tóan trên để có bài toán mới Bài toán 1: Cho x,y,z>0 và xyz=1.Cmr: zyx x z z y y x Bài toán 2: Cho x,y,z>0 và x+y+z=1.Cmr: 3 1 xyzx z z y y x Bài toán 3: Chứng minh 0,, zyx có: 3 2)1)(1)(1( xyz zyx x z z y y x 3.Kĩ thuật Cauchy ngược dấu: Đây là một trong những kĩ thuật khéo léo,mới mẻ và ấn tượng nhất của bất đẳng thức cauchy.Ta hãy xét các ví dụ sau: VD1: Cho x,y,z>0 và x+y+z=3.Cmr: 2 3 1 1 1 1 1 1 222 zyx Giải Ta không thể sử dụng trực tiếp bất đẳng thức cauchy vì dấu đổi chiều: zyxzyx 2 1 2 1 2 1 1 1 1 1 1 1 222 Mà 2 3 2 1 2 1 2 1 zyx Tuy nhiên ta có thể sử dụng bất đẳng thức cauchy theo cách sau: 2 2 2 1 1 1 1 x x x Bất đẳng thức - ducduyspt 15 Vì xx 21 2 221 2 2 2 x x x x x 2 1 1 1 2 2 x x x .Vậy 2 1 1 1 2 x x Tương tự ta được: 2 3 2 3 3) 222 (3 1 1 1 1 1 1 222 zyx zyx Dấu “=” xảy ra khi x=y=z=1. VD2: Cmr mọi số dương có tổng bằng 4 thì 4 1 1 1 1 1 1 1 1 2222 d d c c bb a S Giải Làm tương tự ví dụ trên: 2 1 2 )1( 1 1 )1( 1 1 1 2 2 2 2 bab a b ab a b ba a b a Tương tự suy ra: 2 1 2 1 2 1 2 1 dda d dcd c cbc b bab aS 2 4)( dcbadacdbcab dcbaS 2 )( 4 dcbadacdbcab S 4 2 )( 4 dacdbcabdcba S Dấu bằng xảy ra khi a=b=c=d=1. 4.Bài tập đề nghị: Bài 1:Cho 0, ba .Cmr: )(4)( 333 baba Bài 2:Cmr cbazyx ,,,,, ta có: ))(( 2 3 ))(( 222222 zyxcbazyxcbaczbyax Bài3: Cho a,b,c dương thỏa mãn: abccba 3)(4 Cmr: 8 3111 333 cba HD: Từ giả thiết 4 3111 cabcab Áp dụng b đt cauchy cho 3 số dương: abba
Tài liệu đính kèm: