Đề tài Khai thác bất đẳng thức Côsi trong việc ra các bài toán nâng cao lớp 9

 Tên : Trương Quang An
 Giáo viên Trường THCS Nghĩa Thắng 
 Địa chỉ : Xã Nghĩa Thắng ,Huyện Tư Nghĩa ,Tỉnh Quảng Ngãi
 Điện thoại : 01208127776
Khai thác bất đẳng thức Côsi trong việc ra các bài toán nâng cao lớp 9”,
Các bài toán về bất đẳng thức và cực trị hình học thuộc loại những bài toán khó, làm cho học sinh phổ thông, nhất là trung học cơ sở, kể cả học sinh giỏi lúng túng khi gặp dạng toán này. Thực sự đây là một phần rất quan trọng của hình học, và những kiến thức về bất đẳng thức trong hình học cũng làm phong phú hơn phạm vi ứng dụng của Toán học.
So với các bất đẳng thức đại số, các bất đẳng thức hình học chưa được quan tâm nhiều. Một trong những nguyên nhân khó giải quyết vấn đề này là vì phương pháp tiếp cận không phải là các phương pháp thông thường hay được áp dụng trong hình học, và cũng không phải chỉ là phương pháp đại số thuần tuý. Để giải một bài toán về bất đẳng thức hình học cần thiết phải biết vận dụng các kiến thức hình học và đại số một cách thích hợp và nhạy bén.
Qua thực tế những năm trực tiếp giảng dạy và tham gia bồi dưỡng học sinh giỏi Toán 9, tôi nhận thấy việc khai thác bất đẳng thức Côsi trong quá trình giải các bài toán bất đẳng thức và cực trị hình học là một hướng tiếp cận hiệu quả, không chỉ bởi lẽ đối tượng của hình học (diện tích, độ dài đoạn thẳng, số đo góc, ) và đối tượng để áp dụng BĐT Côsi là tương đồng (đại lượng không âm), mà còn bởi tính đa dạng của BĐT Côsi trong vận dụng. Sự khéo léo, linh hoạt trong việc khai thác BĐT Côsi là một yêu cầu đối với học sinh giỏi Toán. Mức độ khó, dễ của bài toán cũng có thể được điều chỉnh tuỳ theo chủ ý của người ra đề. Với những suy nghĩ đó, tôi mạnh dạn nghiên cứu đề tài “ Khai thác bất đẳng thức Côsi trong việc ra các bài toán nâng cao lớp 9”, mà cụ thể là các bài toán bất đẳng thức và cực trị hình học. Nội dung đề tài tạm chia làm ba phần. Phần một gồm một số bài toán điển hình và những nhận xét của tác giả. Phần hai là một vài suy nghĩ và những trao đổi xung quanh việc khai thác một bài toán gốc của đại số để cho ra những bài toán với những mức độ khác nhau của hình học, thông qua những ví dụ cụ thể minh hoạ. Và phần ba là một số bài tập đề xuất.
Mong muốn đây là một tài liệu tham khảo hữu ích với các em học sinh giỏi Toán lớp 9, và các thầy cô tham gia bồi dưỡng học sinh giỏi Toán THCS cùng các độc giả yêu thích Toán học. 
 A - NỘI DUNG
Ta bắt đầu bằng việc nhắc lại Bất đẳng thức Côsi:
	 Cho a1, a2, , an là các số không âm. Ta luôn có: 
 ³ 
 Dấu bằng xảy ra khi a1 = a2 =  = an.
* Cách phát biểu khác cho BĐT Côsi là : Với các số không âm, trung bình cộng không nhỏ hơn trung bình nhân. Trung bình cộng và trung bình nhân bằng nhau khi và chỉ khi các số đó bằng nhau.
* Ý nghĩa của BĐT Côsi: 
	+ n số không âm có tổng không đổi, tích của chúng đạt giá trị lớn nhất khi các số đó bằng nhau. 
 + n số dương có tích không đổi, tổng của chúng đạt giá trị nhỏ nhất khi các số đó bằng nhau.
I. Một số bài toán điển hình
Bài 1 : (Một kết quả đẹp và thú vị về tứ giác nội tiếp)
	Cho tứ giác ABCD nội tiếp trong một đường tròn. Hai đường chéo AC và BD cắt nhau tại I. Chứng minh rằng :
 + + + £ + + + 
Chứng minh : (Hình 1)
 	Dễ thấy ABI ∽ DCI (g.g) 
 Þ = = Þ = (1)
Theo bất đẳng thức Côsi, ta có: 
 £ ( + ) (2)
 Dấu bằng trong (2) xảy ra Û = 
 Từ (1) và (2) Þ £ ( + ) (3)
	Hình 1
 Hoàn toàn tương tự, ta cũng có:
 	 £ ( + ) (4)
 £ ( + ) (5)
 £ ( + ) (6)
 	Dấu bằng trong (4), (5), (6) xảy ra tương ứng khi = , = , = .
	Cộng từng vế của (3),(4), (5), (6) ta được điều phải chứng minh. Dấu bằng xảy ra khi IA = IB = IC = ID Û ABCD là hình chữ nhật.
Nhận xét: Trong bài toán trên, mặc dù dấu của bất đẳng thức cần chứng minh là £, trong khi cả hai vế của bất đẳng thức đều ở dạng tổng của các hạng tử. Chìa khoá để giải quyết bài toán ở đây chính là việc chuyển đổi mỗi hạng tử của vế trái thành dạng căn bậc hai của một tích ( = , ), từ đó áp dụng bất đẳng thức Côsi chứng minh được mỗi hạng tử đó của vế trái 
£ một nửa tổng hai hạng tử của vế phải. Vì vậy, việc linh hoạt biến đổi bài toán để áp dụng được bất đẳng thức Côsi trong những trường hợp cụ thể là rất cần thiết, đòi hỏi ở người làm toán sự tư duy, tìm tòi và sáng tạo.
Bài 2: Cho tam giác nhọn ABC. Vẽ ba chiều cao AA1, BB1, CC1; ba trung tuyến AA2, BB2, CC2. Giả sử AA2 Ç BB1=P, BB2 Ç CC1=Q, CC2 Ç AA1=R. Chứng minh rằng: + + ³ 6 
Chứng minh: 
Áp dụng định lý Menelauyt trong tam giác AA2C với đường thẳng BRB1, ta có:
 . . = 1 
 Suy ra: = . (1)
 Do AA2 là trung tuyến nên BC = 2.A2B,
 và vì BB1 ^ AC nên = = 
	 Hình 2
 Vậy từ (1) Þ = 2..
Hoàn toàn tương tự, ta có:
 = 2. , = 2. 
Từ đó: + + = 2.( + + )
Mặt khác, theo bất đẳng thức Côsi, thì: 
 + + ³ 3. = 3
Vậy: + + ³ 6. Dấu bằng xảy ra khi và chỉ khi = = , tức là tam giác ABC đều.
Bài 3: Cho điểm M nằm trên đoạn thẳng AB. Vẽ về một phía của AB các tia Ax, By vuông góc với AB. Qua M có hai đường thẳng thay đổi luôn vuông góc với nhau và cắt Ax, By theo thứ tự ở C, D. Xác định vị trí của các điểm C, D sao cho tam giác MCD có diện tích nhỏ nhất.
Lời giải: (Hình 3)
Ta có: SMCD = MC.MD
Đặt : MA = a, MB = b, = = α
 Khi đó MC = , MD = 
 Nên: SMCD = . 
 Do a, b là hằng số nên SMCD nhỏ nhất Û 2sinαcosα lớn nhất. 
Hình 3
Theo bất đẳng thức Côsi: 2sinαcosα £ sin2α + cos2α = 1
 Nên SMCD ³ ab. Dấu bằng xảy ra khi sinα = cosα Û α = 450
 Như vậy Min SMCD = ab. Điểm C, D được xác định thứ tự trên các tia Ax, By sao cho AC = AM, BD = BM.
Nhận xét: Điểm sáng tạo trong cách giải trên là ta đã chọn biến là các tỉ số lượng giác sinα, cosα. Giữa sinα, cosα , sin2α + cos2α có liên hệ bởi BĐT Côsi: x2 + y2 ³ 2xy.
Bài 4: Cho tam giác ABC, điểm M di chuyển trên cạnh BC. Qua M kẻ các đường thẳng song song với AC và AB, chúng cắt AB và AC theo thứ tự ở D, E. Xác định vị trí của điểm M sao cho hình bình hành ADME có diện tích lớn nhất.
Lời giải:
 Cách 1 : 
 Ta thấy SADME lớn nhất Û lớn nhất.
 Kẻ BK ^ AC, cắt MD ở H. 
 SADME = MD.HK, SABC = AC.BK
 Suy ra: = 2. . 
 Đặt MB = x, MC = y, ta có:
 = = , = = 
 Do đó : = (*)
Hình 4
 Theo bất dẳng thức Côsi: x + y ³ 2 Û (x + y)2 ³ 4xy Û £ (**)
 Từ (*) và (**), ta được: £ . Dấu bằng xảy ra khi và chỉ khi x = y.
 Như vậy max SADME = SABC, khi đó M là trung điểm của BC.
 Cách 2: Ký hiệu SABC = S, SDBM = S1, SEMC = S2. 
 Rõ ràng SADME lớn nhất Û S1 + S2 nhỏ nhất Û nhỏ nhất.
 Vì các tam giác DBM và EMC cùng đồng dạng với tam giác ABC nên:
 = ( )2, = ( )2 
 Suy ra: = = ³ . Như vậy S1 + S2 ³ S nên SADME £ S. Xảy ra dấu bằng Û x = y.
Kết luận: max SADME = SABC, khi đó M là trung điểm của BC.
Nhận xét: Ở cách 1, ta đã xét một biểu thức trung gian, đó là tỉ số giữa diện tích hình bình hành ADME và diện tích tam giác ABC, bất đẳng thức Côsi dạng £ . Còn ở cách 2, ta cũng xét biểu thức trung gian đó là tỉ số giữa tổng diện tích của các tam giác DBM, EMC và diện tích tam giác ABC, vì vậy lại áp dụng bất đẳng thức Côsi dạng ³ . Qua đây cho thấy, cùng một bài toán, nhưng với cách khai thác khác nhau thì việc vận dụng bất đẳng thức Côsi sẽ ở những dạng khác nhau. Vấn đề là đòi hỏi ở người làm toán khả năng vận dụng linh hoạt, hợp lý để đạt được mục đích cụ thể.
	Dưới đây là hai bài toán, vẫn là bài toán cực trị hình học nhưng ta lại vận dụng bất đẳng thức Côsi ở khía cạnh khác. Với hai số dương x, y có tổng x + y không đổi, thì tích xy đạt giá trị lớn nhất khi và chỉ khi x = y. Ngược lại nếu tích xy không đổi thì tổng x + y đạt giá trị nhỏ nhất khi và chỉ khi x = y.
Bài 5: Cho tam giác ABC vuông cân có cạnh huyền BC = a. Gọi D là trung điểm của AB. Điểm E di chuyển trên cạnh AC. Gọi H, K theo thứ tự là chân các đường vuông góc kẻ từ D, E đến BC. Tính diện tích lớn nhất của hình thang DEKH. Khi đó hình thang trở thành hình gì?
Lời giải (Hình 5)
Ta có: 2SDEKH = (DH+EK).HK =(BH+KC).HK
Ta thấy tổng (BH+KC) + HK không đổi (bằng BC = a cho trước) nên tích (BH+KC).HK lớn nhất khi và chỉ khi BH+KC = HK = .
 Do đó: max S = . . = 
 Khi đó hình thang DEKH có đường cao HK= và nếu kẻ AM ^ BC thì do tam giác ABC vuông cân tại A nên MB = MC = , nên HB = HM = 
 Hình 5
 Vậy KC = BC - BH - HK = a - - = 
 Khi đó DH = HB = , EK = KC = . Hình thang DEKH là hình chữ nhật, E là trung điểm của AC.
 Bài 6: Hai anh em chia tài sản là một mảnh đất hình tam giác ABC. Họ muốn chia mảnh đất đó thành 2 miếng đất có diện tích bằng nhau bởi một bờ rào thẳng ngắn nhất. Tính độ dài m của bờ rào này theo diện tích S và góc nhỏ nhất α của tam giác.
Lời giải: (Hình 6)
 Bờ rào phải cắt 2 cạnh của tam giác. Giả sử góc tại đỉnh A là nhỏ nhất, BAC = α, độ dài bờ rào IK = m .
Gọi khoảng cách từ đỉnh A tới hai đầu bờ rào là x, y . 
 Ta có: IK2 = x2 + y2 - 2xy.cosA (*)
 Đặt SABC = S , SAIK = S’ thì S’ = không đổi.
 Mặt khác, S’ = xy.sinA, mà S’ và A không đổi nên xy không đổi. Từ (*) ta thấy: 
 IK nhỏ nhất Û x2 + y2 nhỏ nhất. 
 Theo bất đẳng thức Côsi: x2 + y2 ³ 2xy (hằng số)
 Vậy x2 + y2 nhỏ nhất Û x = y. 
 Hình 6
 Như vậy, xét bờ rào chắn góc A thì bờ rào ngắn nhất khi và chỉ khi tam giác AIK cân tại A. (**) Bây giờ ta tính độ dài bờ rào IK theo S và α.
Hình 6.1
 Kẻ đường cao AH của tam giác cân AIK (hình 6.1)
 Khi đó: IH = AH.tg suy ra IK = m = 2AH.tg 
 Mặt khác 2S’ = IK.AH = m.AH nên 2.AH = 
 Vậy m = .tg Û m2 = 4S’.tg Û m = 2 
 Thay S’ = thì m = . 
 Kết luận: Bờ rào có độ dài ngắn nhất m = với α = min ( , , ).
Nhận xét: Một tình huống của thực tế đã được giải quyết thuyết phục bằng Toán học. Nếu chỉ để chia mảnh đất hình tam giác đó thành 2 mảnh có diện tích bằng nhau thì quá đơn giản (chỉ cần bờ rào là một trong ba trung tuyến của tam giác là đủ), ở đây mục đích đặt ra là vừa phải chia đôi diện tích, vừa đảm bảo độ dài bờ rào thẳng là ngắn nhất. Trong cách giải ở trên, ta đã sử dụng công thức: IK2 = x2 + y2 - 2xy.cosA để từ đó khẳng định tích xy không đổi, và sử dụng bất đẳng thức Côsi để tìm giá trị nhỏ nhất của IK. 
	Bài toán thực tế trên có thể được khai thác trong việc chọn lọc, ra đề thi chọn học sinh giỏi Toán 9 khá hay và phù hợp với việc kết hợp câu hỏi phụ “ Chứng minh trong tam giác ABC, với độ dài AB = c, BC = a, AC = b, thì a2 = b2 + c2 - 2bc.cosA”.
Hoặc kết luận (**) trong lời giải trên cũng cho ta một bài toán “ Chứng minh rằng trong tam giác AIK có diện tích và số đo góc A không đổi, tam giác cân tại A có độ dài IK nhỏ nhất”
 	Dưới đây là một ví dụ khác về việc khai thác bài toán gốc để cho ra những bài toán khác, tuỳ theo mục đích hỏi và đối tượng làm bài.
Bài 7: Cho đường tròn (O; r) nội tiếp tam giác ABC. Kẻ đường thẳng qua O cắt hai cạnh CA, CB của tam giác theo thứ tự ở M và N. Đường thẳng ở vị trí nào thì tam giác CMN có diện tích nhỏ nhất?
 Lời giải:
Gọi S là diện tích CMN, ta có :
 S = SOCM + SOCN = (CM + CN).r
 Do đó: = (CM + CN) (1)
Theo bất đẳng thức Côsi:
 (CM + CN) ³ (2)
Mặt khác: CM.CN ³ 2S (3) 
	Hình 7
Kết hợp (1), (2), (3) suy ra: = (CM + CN)³ ³ 
 hay S³ .r Û S2 ³ 2S.r2 Û S ³ 2r2. Vậy S nhỏ nhất bẳng 2r2 khi CM = CN.
 Tam giác CMN cân đỉnh C có CO là phân giác nên CO ^ MN. 
 Kết luận: Đường thẳng MN ^ CO tại O thì CMN có diện tích nhỏ nhất.
Nhận xét: Có thể diễn đạt kết quả bài toán trên dưới dạng sau: Cho điểm O thuộc tia phân giác của góc C, một đường thẳng bất kì đi qua O cắt hai cạnh của góc C tại M và N. Tam giác CMN có diện tích nhỏ nhất khi và chỉ khi CO là đường cao của tam giác.
	Cách khác: Cho điểm O thuộc tia phân giác của góc C, một đường thẳng bất kì đi qua O cắt hai cạnh của góc C tại M và N. Tam giác CMN có diện tích nhỏ nhất khi và chỉ khi CO là trung tuyến của tam giác.
	Ta còn có kết quả mạnh hơn bằng cách bỏ điều kiện O thuộc tia phân giác góc C: Cho điểm O nằm trong góc C, một đường thẳng bất kì đi qua O cắt hai cạnh của góc C tại M và N. Tam giác CMN có diện tích nhỏ nhất khi và chỉ khi CO là trung tuyến của tam giác. Dưói đây là hai cách giải bài toán này:
Cách 1 : Xét CMN nhận CO là trung tuyến và CDE có DE đi qua O nhưng OD < OE (như hình vẽ 7.1). Lấy I trên đoạn OE sao cho OI = OD.
Ta có: ODM = OIN (c.g.c)
 => SODM = SOIN Û SCMN < SCDE.
Cách 2: Qua O kẻ các đường thẳng song song với các cạnh của góc C, tạo thành hình bình hành OHCK (như hình vẽ 7.2).
 Hình 7.1
 Theo kết quả Bài 4, ta có:
 SOHCK £ SCMN 
SCMN ³ 2SOHCK.
Do góc C và điểm O cố định nên SOHCK không đổi. 
Vì vậy minSCMN = 2SOHCK, khi O là trung điểm của MN.
Để dựng điểm M, ta chỉ cần lấy M sao cho H là trung điểm của CM
 Hình 7.2
 Nhận xét: Qua những bài toán điển hình tôi đã lựa chọn ở trên, một số bài toán sẽ còn có những cách giải khác. Tuy nhiên, với việc khai thác linh hoạt và hợp lý vai trò của bất dẳng thức Côsi, cùng những kết quả khác của hình học, lời giải qua các ví dụ đó đã ngắn gọn và đẹp hơn. Đối với người học ( đối tượng là HS giỏi Toán 9), thì có thể coi đây là những gợi ý, định hướng suy nghĩ và tìm tòi lời giải cho một số bài toán cực trị hình học. Còn đối với người dạy (GV), đây cũng có thể coi như những ý kiến tham khảo, trao đổi về việc khai thác bất đẳng thức Côsi trong việc đưa ra các bài toán cực trị hình học hay những bài toán giải quyết những vấn đề có ý nghĩa thực tiễn cuộc sống.
III. Một số bài tập đề xuất
Bài 9: M là một điểm di động trên đoạn thẳng AB cố định. Vẽ các hình vuông AMCD, BMEF. Xác định vị trí của M để tổng các diện tích hai hình vuông đạt giá trị nhỏ nhất.
Bài 10: Cho tam giác nhọn ABC coá các cạnh tương ứng a, b, c; đường cao AH = h. Hãy nội tiếp trong tam giác đó hình chữ nhật MNPQ có diện tích lớn nhất, với M thuộc AB, N thuộc AC, P và Q thuộc BC.
Bài 11: Cho góc nhọn xOy và một điểm A cố định nằm trong góc đó. M, N thứ tự là hai điểm trên các tia Ox, Oy sao cho 2.OM = ON. Tìm vị trí của M, N trên các tia đó sao cho 2.AM + AN đạt giá trị nhỏ nhất.
Bài 12: Cho tam giác ABC vuông tại A. Từ một điểm I nằm trong tam giác kẻ IM ^ BC, IN ^ AC, IK ^ AB. Xác định vị trí của điểm I sao cho IM2 + IN2 + IK2 nhỏ nhất.
 Bài 13: Cho hai đường tròn (O) và (O’) tiếp xúc ngoài tại A. Qua A vẽ hai tia vuông góc với nhau, cắt (O) và (O’) thứ tự tại B, C. Xác định vị trí của hai tia để diện tích tam giác ABC lớn nhất.
Bài 14: Cho tam giác ABC nội tiếp đường tròn (O). G là trọng tâm của tam giác. Các trung tuyến xuất phát từ A, B, C lần lượt cắt (O) tại A1, B1, C1. Xác định dạng của tam giác ABC để tổng + + lớn nhất.
Bài 15: Cho đoạn thẳng AB = a và điểm M di động trên đoạn thẳng đó. Dựng về một phía của AB hai hình vuông AMCE và BMKQ.
	a. Chứng minh AK, BC, QE đồng quy tại một điểm I
 b. Xác định M trên đoạn AB để AIB có chu vi lớn nhất? Diện tích lớn nhất?
Bài 16: Cho đoạn thẳng AB song song với đường thẳng d. M là một điểm thuộc nửa mặt phẳng bờ AB không chứa d (M không thuộc đoạn AB). Gọi C, D thứ tự là giao điểm của tia MA, MB với d. Tìm tập hợp các điểm M sao cho tam giác MCD có diện tích nhỏ nhất.
Bài 17: Độ dài cạnh lớn nhất của một hình thang cân bằng 13cm, chu vi bằng 28 cm.
	a. Tính các cạnh của hình thang biết diện tích bằng 27 cm2.
	b. Có tồn tại hay không một hình thang cân có các tính chất trên mà diện tích của nó bằng 27,001 cm2?
Bài 18: Đường tròn (O, r) nội tiếp tam giác ABC chia mỗi cạnh của tam giác thành hai đoạn. Gọi x, y, z theo thứ tự là độ dài các đoạn tiếp tuyến xuất phát từ A, B, C. Gọi ra, rb, rc thứ tự là bán kính các đường tròn bàng tiếp trong góc A, B, C. Gọi S là diện tích tam giác ABC.
	a. Chứng minh: r.ra = yz
 	b. Chứng minh: S = 
 	c. Chứng minh: = (x+y+z)( + + )
 	d. Trong các tam giác ngoại tiếp (O, r), tam giác nào có tổng các bán kính ba đường tròn bàng tiếp nhỏ nhất ? 
Bài 19 : Một đường tròn tiếp xúc ngoài với một nửa đường tròn tại điểm chính giữa của cung nửa đường tròn đó. Biết tổng của đường kính đường tròn và bán kính nửa đường tròn bằng 1. Tính tích lớn nhất có thể đạt được của diện tích hình tròn và nửa hình tròn nói trên.