Bất đẳng thức lượng giác - Chương 1: Các bước đầu cơ sở

Trường THPT chuyên Lý Tự Trọng – Cần Thơ Bất ñẳng thức lượng giác Chương 1 Các bước ñầu cơ sở The Inequalities Trigonometry 3 Chương 1 : CÁC BƯỚC ðẦU CƠ SỞ ðể bắt ñầu một cuộc hành trình, ta không thể không chuẩn bị hành trang ñể lên ñường. Toán học cũng vậy. Muốn khám phá ñược cái hay và cái ñẹp của bất ñẳng thức lượng giác, ta cần có những “vật dụng” chắc chắn và hữu dụng, ñó chính là chương 1: “Các bước ñầu cơ sở”. Chương này tổng quát những kiến thức cơ bản cần có ñể chứng minh bất ñẳng thức lượng giác. Theo kinh nghiệm cá nhân của mình, tác giả cho rằng những kiến thức này là ñầy ñủ cho một cuộc “hành trình”. Trước hết là các bất ñẳng thức ñại số cơ bản ( AM – GM, BCS, Jensen, Chebyshev ) Tiếp theo là các ñẳng thức, bất ñẳng thức liên quan cơ bản trong tam giác. Cuối cùng là một số ñịnh lý khác là công cụ ñắc lực trong việc chứng minh bất ñẳng thức (ñịnh lý Largare, ñịnh lý về dấu của tam thức bậc hai, ñịnh lý về hàm tuyến tính ) Mục lục : 1.1. Các bất ñẳng thức ñại số cơ bản 4 1.1.1. Bất ñẳng thức AM – GM............................................... 4 1.1.2. Bất ñẳng thức BCS.. 8 1.1.3. Bất ñẳng thức Jensen.... 13 1.1.4. Bất ñẳng thức Chebyshev..... 16 1.2. Các ñẳng thức, bất ñẳng thức trong tam giác.. 19 1.2.1. ðẳng thức... 19 1.2.2. Bất ñẳng thức..... 21 1.3. Một số ñịnh lý khác. 22 1.3.1. ðịnh lý Largare ... 22 1.3.2. ðịnh lý về dấu của tam thức bậc hai.. 25 1.3.3. ðịnh lý về hàm tuyến tính.. 28 1.4. Bài tập.. 29 Trường THPT chuyên Lý Tự Trọng – Cần Thơ Bất ñẳng thức lượng giác Chương 1 Các bước ñầu cơ sở The Inequalities Trigonometry 4 1.1. Các bất ñẳng thức ñại số cơ bản : 1.1.1. Bất ñẳng thức AM – GM : Với mọi số thực không âm naaa ,...,, 21 ta luôn có n n n aaa n aaa ... ... 21 21 ≥ +++ Bất ñẳng thức AM – GM (Arithmetic Means – Geometric Means) là một bất ñẳng thức quen thuộc và có ứng dụng rất rộng rãi. ðây là bất ñẳng thức mà bạn ñọc cần ghi nhớ rõ ràng nhất, nó sẽ là công cụ hoàn hảo cho việc chứng minh các bất ñẳng thức. Sau ñây là hai cách chứng minh bất ñẳng thức này mà theo ý kiến chủ quan của mình, tác giả cho rằng là ngắn gọn và hay nhất. Chứng minh : Cách 1 : Quy nạp kiểu Cauchy Với 1=n bất ñẳng thức hiển nhiên ñúng. Khi 2=n bất ñẳng thức trở thành ( ) 0 2 2 2121 21 ≥−⇔≥ + aaaa aa (ñúng!) Giả sử bất ñẳng thức ñúng ñến kn = tức là : k k k aaa k aaa ... ... 21 21 ≥ +++ Ta sẽ chứng minh nó ñúng với kn 2= . Thật vậy ta có : ( ) ( ) ( )( ) ( )( ) k kkk k kkk k k kkkkkkkk aaaaa k aaakaaak k aaaaaa k aaaaaa 2 2121 22121 2212122121 ...... ...... ...... 2 ...... + ++ ++++ = ≥ ++++++ ≥ +++++++ Tiếp theo ta sẽ chứng minh với 1−= kn . Khi ñó : ( ) 1 121121 1 121 1 121121 1 121121 ...1... ... ............ − −− − − − −− − =− −≥+++⇒ = ≥++++ k kk k k k k kk k kk aaakaaa aaak aaaaaakaaaaaa Như vậy bất ñẳng thức ñược chứng minh hoàn toàn. ðẳng thức xảy ra naaa ===⇔ ...21 Cách 2 : ( lời giải của Polya ) Trường THPT chuyên Lý Tự Trọng – Cần Thơ Bất ñẳng thức lượng giác Chương 1 Các bước ñầu cơ sở The Inequalities Trigonometry 5 Gọi n aaa A n +++ = ...21 Khi ñó bất ñẳng thức cần chứng minh tương ñương với n n Aaaa ≤...21 (*) Rõ ràng nếu Aaaa n ==== ...21 thì (*) có dấu ñẳng thức. Giả sử chúng không bằng nhau. Như vậy phải có ít nhất một số, giả sử là Aa 2 tức là 21 aAa << . Trong tích naaaP ...21= ta hãy thay 1a bởi Aa =1' và thay 2a bởi Aaaa −+= 212' . Như vậy 2121 '' aaaa +=+ mà ( ) ( )( ) 0'' 2121212221 >−−=−−+=− AaAaaaAaaAaaaa 2121 '' aaaa >⇒ nn aaaaaaaa ...''... 321321 <⇒ Trong tích naaaaP ...''' 321= có thêm thừa số bằng A . Nếu trong 'P còn thừa số khác A thì ta tiếp tục biến ñổi ñể có thêm một thừa số nữa bằng A . Tiếp tục như vậy tối ña 1−n lần biến ñổi ta ñã thay mọi thừa số P bằng A và ñược tích nA . Vì trong quá trình biến ñổi tích các thừa số tăng dần. nAP <⇒ .⇒ ñpcm. Ví dụ 1.1.1.1. Cho A,B,C là ba góc của một tam giác nhọn. CMR : 33tantantan ≥++ CBA Lời giải : Vì ( ) C BA BACBA tan tantan1 tantan tantan −= − + ⇔−=+ CBACBA tantantantantantan =++⇒ Tam giác ABC nhọn nên tanA,tanB,tanC dương. Theo AM – GM ta có : ( ) ( ) 33tantantan tantantan27tantantan tantantan3tantantan3tantantan 2 33 ≥++⇒ ++≥++⇒ ++=≥++ CBA CBACBA CBACBACBA ðẳng thức xảy ra ⇔==⇔ CBA ∆ABC ñều. Ví dụ 1.1.1.2. Cho ∆ABC nhọn. CMR : 3cotcotcot ≥++ CBA Trường THPT chuyên Lý Tự Trọng – Cần Thơ Bất ñẳng thức lượng giác Chương 1 Các bước ñầu cơ sở The Inequalities Trigonometry 6 Lời giải : Ta luôn có : ( ) CBA cotcot −=+ 1cotcotcotcotcotcot cot cotcot 1cotcot =++⇔ −= + − ⇔ ACCBBA C BA BA Khi ñó : ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 3cotcotcot 3cotcotcotcotcotcot3cotcotcot 0cotcotcotcotcotcot 2 222 ≥++⇒ =++≥++⇔ ≥−+−+− CBA ACCBBACBA ACCBBA Dấu bằng xảy ra khi và chỉ khi ∆ABC ñều. Ví dụ 1.1.1.3. CMR với mọi ∆ABC nhọn và *Nn ∈ ta luôn có : 2 1 3 tantantan tantantan −≥ ++ ++ nnnn CBA CBA Lời giải : Theo AM – GM ta có : ( ) ( ) ( ) ( ) 213 33 3 33 3333tantantan3 tantantan tantantan tantantan3tantantan3tantantan − − − =≥++≥ ++ ++ ⇒ ++=≥++ n nn nnn nnnnn CBA CBA CBA CBACBACBA ⇒ñpcm. Ví dụ 1.1.1.4. Cho a,b là hai số thực thỏa : 0coscoscoscos ≥++ baba CMR : 0coscos ≥+ ba Lời giải : Ta có : ( )( ) 1cos1cos1 0coscoscoscos ≥++⇔ ≥++ ba baba Theo AM – GM thì : Trường THPT chuyên Lý Tự Trọng – Cần Thơ Bất ñẳng thức lượng giác Chương 1 Các bước ñầu cơ sở The Inequalities Trigonometry 7 ( ) ( ) ( )( ) 0coscos 1cos1cos1 2 cos1cos1 ≥+⇒ ≥++≥+++ ba baba Ví dụ 1.1.1.5. Chứng minh rằng với mọi ABC∆ nhọn ta có : 2 3 2 sin 2 sin 2 sin 2 sin 2 sin 2 sin 3 2 2 cos 2 cos coscos 2 cos 2 cos coscos 2 cos 2 cos coscos +      ++≤++ ACCBBA AC AC CB CB BA BA Lời giải : Ta có             = = BABA BA BA AA A A cotcot 4 3 2 sin 2 sin 2 cos 2 cos4 coscos 4 3 2 cot 2 sin 2 cos2 cos Theo AM – GM thì :       +≤⇒             + ≤ BABA BA BA BABA BA BA cotcot 4 3 2 sin 2 sin 3 2 2 cos 2 cos coscos 2 cotcot 4 3 2 sin 2 sin 2 cos 2 cos4 coscos 4 3 2 Tương tự ta có :       +≤       +≤ ACAC AC AC CBCBCB CB cotcot 4 3 2 sin 2 sin 3 2 2 cos 2 cos coscos cotcot 4 3 2 sin 2 sin 3 2 2 cos 2 cos coscos Cộng vế theo vế các bất ñẳng thức trên ta ñược : Trường THPT chuyên Lý Tự Trọng – Cần Thơ Bất ñẳng thức lượng giác Chương 1 Các bước ñầu cơ sở The Inequalities Trigonometry 8 ( )ACCBBAACCBBA AC AC CB CB BA BA cotcotcotcotcotcot 2 3 2 sin 2 sin 2 sin 2 sin 2 sin 2 sin 3 2 2 cos 2 cos coscos 2 cos 2 cos coscos 2 cos 2 cos coscos +++      ++≤ ++ 2 3 2 sin 2 sin 2 sin 2 sin 2 sin 2 sin 3 2 +      ++= ACCBBA ⇒ñpcm. Bước ñầu ta mới chỉ có bất ñẳng thức AM – GM cùng các ñẳng thức lượng giác nên sức ảnh hưởng ñến các bất ñẳng thức còn hạn chế. Khi ta kết hợp AM – GM cùng BCS, Jensen hay Chebyshev thì nó thực sự là một vũ khí ñáng gờm cho các bất ñẳng thức lượng giác. 1.1.2. Bất ñẳng thức BCS : Với hai bộ số ( )naaa ,...,, 21 và ( )nbbb ,...,, 21 ta luôn có : ( ) ( )( )222212222122211 ......... nnnn bbbaaabababa ++++++≤+++ Nếu như AM – GM là “cánh chim ñầu ñàn” trong việc chứng minh bất ñẳng thức thì BCS (Bouniakovski – Cauchy – Schwartz) lại là “cánh tay phải” hết sức ñắc lực. Với AM – GM ta luôn phải chú ý ñiều kiện các biến là không âm, nhưng ñối với BCS các biến không bị ràng buộc bởi ñiều kiện ñó, chỉ cần là số thực cũng ñúng. Chứng minh bất ñẳng thức này cũng rất ñơn giản. Chứng minh : Cách 1 : Xét tam thức : ( ) ( ) ( )2222211 ...)( nn bxabxabxaxf −++−+−= Sau khi khai triển ta có : ( ) ( ) ( )222212211222221 ......2...)( nnnn bbbxbababaxaaaxf +++++++−+++= Mặt khác vì Rxxf ∈∀≥ 0)( nên : ( ) ( )( ) ⇒++++++≤+++⇔≤∆ 222212222122211 .........0 nnnnf bbbaaabababa ñpcm. ðẳng thức xảy ra n n b a b a b a ===⇔ ... 2 2 1 1 (quy ước nếu 0=ib thì 0=ia ) Cách 2 : Trường THPT chuyên Lý Tự Trọng – Cần Thơ Bất ñẳng thức lượng giác Chương 1 Các bước ñầu cơ sở The Inequalities Trigonometry 9 Sử dụng bất ñẳng thức AM – GM ta có : ( )( )222212222122221 2 22 2 2 1 2 ...... 2 ...... nn ii n i n i bbbaaa ba bbb b aaa a ++++++ ≥ +++ + +++ Cho i chạy từ 1 ñến n rồi cộng vế cả n bất ñẳng thức lại ta có ñpcm. ðây cũng là cách chứng minh hết sức ngắn gọn mà bạn ñọc nên ghi nhớ! Bây giờ với sự tiếp sức của BCS, AM – GM như ñược tiếp thêm nguồn sức mạnh, như hổ mọc thêm cánh, như rồng mọc thêm vây, phát huy hiệu quả tầm ảnh hưởng của mình. Hai bất ñẳng thức này bù ñắp bổ sung hỗ trợ cho nhau trong việc chứng minh bất ñẳng thức. Chúng ñã “lưỡng long nhất thể”, “song kiếm hợp bích” công phá thành công nhiều bài toán khó. “Trăm nghe không bằng một thấy”, ta hãy xét các ví dụ ñể thấy rõ ñiều này. Ví dụ 1.1.2.1. CMR với mọi α,,ba ta có : ( )( ) 2 2 1cossincossin       + +≤++ baba αααα Lời giải : Ta có : ( )( ) ( ) ( ) ( ) ( )( ) ( )12cos12sin1 2 1 2 2cos12sin 22 2cos1 coscossinsincossincossin 22 αα α α α αααααααα −++++= + + + + − = +++=++ abbaab abba abbaba Theo BCS ta có : ( )2cossin 22 BAxBxA +≤+ Áp dụng ( )2 ta có : ( ) ( ) ( ) ( ) ( )( ) ( )31112cos12sin 2222 ++=−++≤−++ baabbaabba αα Thay ( )3 vào ( )1 ta ñược : ( )( ) ( )( )( ) ( )4111 2 1 cossincossin 22 ++++≤++ baabba αααα Ta sẽ chứng minh bất ñẳng thức sau ñây với mọi a, b : ( )( )( ) ( )5 2 1111 2 1 222       + +≤++++ babaab Trường THPT chuyên Lý Tự Trọng – Cần Thơ Bất ñẳng thức lượng giác Chương 1 Các bước ñầu cơ sở The Inequalities Trigonometry 10 Thật vậy : ( ) ( )( ) ( )( ) 2 211 24 111 2 1 22 15 22 22 22 22 ++≤++⇔ + + +≤++++⇔ baba abbabaab ( )( ) ( ) ( ) ( )6 2 1111 22 22 +++≤++⇔ baba Theo AM – GM thì ( )6 hiển nhiên ñúng ( )5⇒ ñúng. Từ ( )1 và ( )5 suy ra với mọi α,,ba ta có : ( )( ) 2 2 1cossincossin       + +≤++ baba αααα ðẳng thức xảy ra khi xảy ra ñồng thời dấu bằng ở ( )1 và ( )6 ( )     ∈+ − + = = ⇔      − + = = ⇔      − = + = ⇔ Zkk ab ba arctg ba ab ba tg ba abba ba 212 1 12cos 1 2sin 22 pi αα αα Ví dụ 1.1.2.2. Cho 0,, >cba và cybxa =+ cossin . CMR : 33 222 11sincos ba c bab y a x + −+≤+ Lời giải : Bất ñẳng thức cần chứng minh tương ñương với : ( )*cossin 11cos1sin1 33 222 33 222 ba c b y a x ba c bab y a x + ≥+⇔ + −+≤−+− Theo BCS thì : ( ) ( )( )2221222122211 bbaababa ++≤+ với      == == bbbaab b y a a x a 21 21 ; cos ; sin ( ) ( )23322 cossincossin ybxaba b y a x +≥+      +⇒ do 033 >+ ba và ( )*cossin ⇒=+ cybxa ñúng ⇒ ñpcm. Trường THPT chuyên Lý Tự Trọng – Cần Thơ Bất ñẳng thức lượng giác Chương 1 Các bước ñầu cơ sở The Inequalities Trigonometry 11 ha x y z N Q P A B C M ðẳng thức xảy ra 22 2 2 1 1 cossin b y a x b a b a =⇔=⇔       + = + = ⇔     =+ = ⇔ 33 2 33 2 22 cos sin cossin cossin ba cby ba ca x cybxa b y a x Ví dụ 1.1.2.3. CMR với mọi ABC∆ ta có : R cba zyx 2 222 ++≤++ với zyx ,, là khoảng cách từ ñiểm M bất kỳ nằm bên trong ABC∆ ñến ba cạnh ABCABC ,, . Lời giải : Ta có : ( )       ++++=++⇒ =++⇔ =++⇔ ++= cba cbacba abc ABC MCA ABC MBC ABC MAB MCAMBCMABABC h z h y h xhhhhhh h x h y h z S S S S S S SSSS 1 1 Theo BCS thì : ( ) cba cba cba c c b b a a hhhh z h y h xhhh h zh h y h h xhzyx ++=      ++++≤++=++ mà BahAchCbhCabahS cbaa sin,sin,sinsin2 1 2 1 ===⇒== ( ) R ca R bc R abAcCbBahhh cba 222 sinsinsin ++=++=++⇒ Từ ñó suy ra : ⇒ ++≤++≤++ R cba R cabcab zyx 22 222 ñpcm. Trường THPT chuyên Lý Tự Trọng – Cần Thơ Bất ñẳng thức lượng giác Chương 1 Các bước ñầu cơ sở The Inequalities Trigonometry 12 ðẳng thức xảy ra khi và chỉ khi ABC zyx cba ∆⇔    == == ñều và M là tâm nội tiếp ABC∆ . Ví dụ 1.1.2.4. Chứng minh rằng :       ∈∀≤+ 2 ;08sincos 4 pixxx Lời giải : Áp dụng bất ñẳng thức BCS liên tiếp 2 lần ta có : ( ) ( )( )( ) ( ) ( )( ) 4 2222222 2224 8sincos 8sincos1111 sincos11sincos ≤+⇒ =+++≤ ++≤+ xx xx xxxx ðẳng thức xảy ra khi và chỉ khi 4 pi =x . Ví dụ 1.1.2.5. Chứng minh rằng với mọi số thực a và x ta có ( ) 1 1 cos2sin1 2 2 ≤ + +− x axax Lời giải : Theo BCS ta có : ( )( ) ( ) ( )( )( ) ( )( ) ( ) ( ) 1 1 cos2sin1 1cos2sin1 21421 cossin21cos2sin1 2 2 2222 42242 2222222 ≤ + +− ⇔ +≤+−⇒ ++=++−= ++−≤+− x axaa xaxax xxxxx aaxxaxax ⇒ñpcm. Trường THPT chuyên Lý Tự Trọng – Cần Thơ Bất ñẳng thức lượng giác Chương 1 Các bước ñầu cơ sở The Inequalities Trigonometry 13 1.1.3. Bất ñẳng thức Jensen : Hàm số )(xfy = liên tục trên ñoạn [ ]ba, và n ñiểm nxxx ,...,, 21 tùy ý trên ñoạn [ ]ba, ta có : i) 0)('' >xf trong khoảng ( )ba, thì :       +++≥+++ n xxx nfxfxfxf nn ...)(...)()( 2121 ii) 0)('' <xf trong khoảng ( )ba, thì :       +++≥+++ n xxx nfxfxfxf nn ...)(...)()( 2121 Bất ñẳng thức AM – GM và bất ñẳng thức BCS thật sự là các ñại gia trong việc chứng minh bất ñẳng thức nói chung. Nhưng riêng ñối với chuyên mục bất ñẳng thức lượng giác thì ñó lại trở thành sân chơi riêng cho bất ñẳng thức Jensen. Dù có vẻ hơi khó tin nhưng ñó là sự thật, ñến 75% bất ñẳng thức lượng giác ta chỉ cần nói “theo bất ñẳng thức Jensen hiển nhiên ta có ñpcm”. Trong phát biểu của mình, bất ñẳng thức Jensen có ñề cập ñến ñạo hàm bậc hai, nhưng ñó là kiến thức của lớp 12 THPT. Vì vậy nó sẽ không thích hợp cho một số ñối tượng bạn ñọc. Cho nên ta sẽ phát biểu bất ñẳng thức Jensen dưới một dạng khác : Cho RRf →+: thỏa mãn +∈∀      +≥+ Ryxyxfyfxf , 2 2)()( Khi ñó với mọi +∈ Rxxx n,...,, 21 ta có bất ñẳng thức :       +++≥+++ n xxx nfxfxfxf nn ...)(...)()( 2121 Sự thật là tác giả chưa từng tiếp xúc với một chứng minh chính thức của bất ñẳng thức Jensen trong phát biểu có )('' xf . Còn việc chứng minh phát biểu không sử dụng ñạo hàm thì rất ñơn giản. Nó sử dụng phương pháp quy nạp Cauchy tương tự như khi chứng minh bất ñẳng thức AM – GM. Do ñó tác giả sẽ không trình bày chứng minh ở ñây. Ngoài ra, ở một số tài liệu có thể bạn ñọc gặp khái niệm lồi lõm khi nhắc tới bất ñẳng thức Jensen. Nhưng hiện nay trong cộng ñồng toán học vẫn chưa quy ước rõ ràng ñâu là lồi, ñâu là lõm. Cho nên bạn ñọc không nhất thiết quan tâm ñến ñiều ñó. Khi chứng minh ta chỉ cần xét )('' xf là ñủ ñể sử dụng bất ñẳng thức Jensen. Ok! Mặc dù bất ñẳng thức Jensen không phải là một bất ñẳng thức chặt, nhưng khi có dấu hiệu manh nha của nó thì bạn ñọc cứ tùy nghi sử dụng . Trường THPT chuyên Lý Tự Trọng – Cần Thơ Bất ñẳng thức lượng giác Chương 1 Các bước ñầu cơ sở The Inequalities Trigonometry 14 Ví dụ 1.1.3.1. Chứng minh rằng với mọi ABC∆ ta có : 2 33 sinsinsin ≤++ CBA Lời giải : Xét xxf sin)( = với ( )pi;0∈x Ta có ( )pi;00sin)('' ∈∀<−= xxxf . Từ ñó theo Jensen thì : ( ) ( ) ( ) ⇒==      ++≤++ 2 33 3 sin3 3 3 piCBAfCfBfAf ñpcm. ðẳng thức xảy ra khi và chỉ khi ABC∆ ñều. Ví dụ 1.1.3.2. Chứng minh rằng với mọi ABC∆ ñều ta có : 3 2 tan 2 tan 2 tan ≥++ CBA Lời giải : Xét ( ) xxf tan= với       ∈ 2 ;0 pix Ta có ( )       ∈∀>= 2 ;00 cos sin2 '' 3 pi x x x xf . Từ ñó theo Jensen thì : ⇒==             ++ ≥      +      +      3 6 sin3 3 2223 222 pi CBA fCfBfAf ñpcm. ðẳng thức xảy ra khi và chỉ khi ABC∆ ñều. Ví dụ 1.1.3.3. Chứng minh rằng với mọi ABC∆ ta có : 21 222222 3 2 tan 2 tan 2 tan −≥      +      +      CBA Lời giải : Trường THPT chuyên Lý Tự Trọng – Cần Thơ Bất ñẳng thức lượng giác Chương 1 Các bước ñầu cơ sở The Inequalities Trigonometry 15 Xét ( ) ( ) 22tan xxf = với       ∈ 2 ;0 pix Ta có ( ) ( )( ) ( ) ( )( )1221221222 tantan22tantan122' +−− +=+= xxxxxf ( ) ( )( )( ) ( )( )( )( ) 0tantan1122tantan112222'' 2222222 >++++−= − xxxxxf Theo Jensen ta có : ⇒=      =             ++ ≥      +      +      − 21 22 3 6 3 3 2223 222 pi tg CBA fCfBfAf ñpcm. ðẳng thức xảy ra khi và chỉ khi ABC∆ ñều. Ví dụ 1.1.3.4. Chứng minh rằng với mọi ABC∆ ta có : 3 2 3 2 tan 2 tan 2 tan 2 sin 2 sin 2 sin +≥+++++ CBACBA Lời giải : Xét ( ) xxxf tansin += với       ∈ 2 ;0 pix Ta có ( ) ( )       ∈∀>−= 2 ;00 cos cos1sin '' 4 4 pi x x xx xf Khi ñó theo Jensen thì : ⇒+=      +=             ++ ≥      +      +      3 2 3 6 tan 6 sin3 3 2223 222 pipi CBA fCfBfAf ñpcm. ðẳng thức xảy ra khi và chỉ khi ABC∆ ñều. Ví dụ 1.1.3.5. Chứng minh rằng với mọi ABC∆ nhọn ta có : ( ) ( ) ( ) 2 33 sinsinsin 3 2 sinsinsin      ≥CBA CBA Lời giải : Ta có Trường THPT chuyên Lý Tự Trọng – Cần Thơ Bất ñẳng thức lượng giác Chương 1 Các bước ñầu cơ sở The Inequalities Trigonometry 16     ++≥++ +=++ CBACBA CBACBA 222 222 sinsinsinsinsinsin coscoscos22sinsinsin và 2 33 sinsinsin ≤++ CBA 2 33 sinsinsin2 ≤++<⇒ CBA Xét ( ) xxxf ln= với ( ]1;0∈x Ta có ( ) 1ln' += xxf ( ) ( ]1;001'' ∈∀>= x x xf Bây giờ với Jensen ta ñược : ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )[ ] ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 2 33 sinsinsin sinsinsin sinsinsin sinsinsin sinsinsin sinsinsin sinsinsin sinsinsin sinsinsin sinsinsin sinsinsin 3 2 3 2 3 2 sinsinsin sinsinsin 3 sinsinsin sinsinsinln 3 sinsinsinln sinlnsinlnsinln 3 sinsinsinln 3 sinlnsinsinlnsinsinlnsin 3 sinsinsinln 3 sinsinsin      ≥      =≥⇒ ≤++⇔ ≤               ++ ⇔ ++≤      ++ ⇔ ++≤      ++++ ++ ++ ++ ++ ++ ++ ++ CBA CBA CBA CBA CBA CBA CBA CBA CBA CBA CBA CBA CBACBA CBACBA CBACBA CCBBAACBaCBA ⇒ñpcm. 1.1.4. Bất ñẳng thức Chebyshev : Với hai dãy số thực ñơn ñiệu cùng chiều naaa ,...,, 21 và nbbb ,...,, 21 thì ta có : ( )( )nnnn bbbaaa n bababa ++++++≥+++ ......1... 21212211 Theo khả năng của mình thì tác giả rất ít khi sử dụng bất ñẳng thức này. Vì trước hết ta cần ñể ý tới chiều của các biến, thường phải sắp lại thứ tự các biến. Do ñó bài toán cần có yêu cầu ñối xứng hoàn toàn giữa các biến, việc sắp xếp thứ tự sẽ không làm mất tính tổng quát của bài toán. Nhưng không vì thế mà lại phủ nhận tầm ảnh hưởng của bất ñẳng thức Chebyshev trong việc chứng minh bất ñẳng thức lượng giác, mặc dù nó có một chứng minh hết sức ñơn giản và ngắn gọn. Trường THPT chuyên Lý Tự Trọng – Cần Thơ Bất ñẳng thức lượng giác Chương 1 Các bước ñầu cơ sở The Inequalities Trigonometry 17 Chứng minh : Bằng phân tích trực tiếp, ta có ñẳng thức : ( ) ( )( ) ( )( ) 0......... 1, 21212211 ≥−−=++++++−+++ ∑ = n ji jijinnnn bbaabbbaaabababan Vì hai dãy naaa ,...,, 21 và nbbb ,...,, 21 ñơn ñiệu cùng chiều nên ( )( ) 0≥−− jiji bbaa Nếu 2 dãy naaa ,...,, 21 và nbbb ,...,, 21 ñơn ñiệu ngược chiều thì bất ñẳng thức ñổi chiều. Ví dụ 1.1.4.1. Chứng minh rằng với mọi ABC∆ ta có : 3 pi≥ ++ ++ cba cCbBaA Lời giải : Không mất tính tổng quát giả sử : CBAcba ≤≤⇔≤≤ Theo Chebyshev thì : 33 333 pi = ++≥ ++ ++ ⇒ ++≤      ++       ++ CBA cba cCbBaA cCbBaACBAcba ðẳng thức xảy ra khi và chỉ khi ABC∆ ñều. Ví dụ 1.1.4.2. Cho ABC∆ không có góc tù và A, B, C ño bằng radian. CMR : ( ) ( )       ++++≤++ C C B B A ACBACBA sinsinsinsinsinsin3 Lời giải : Xét ( ) x x xf sin= với      ∈ 2 ;0 pix Ta có ( ) ( )      ∈∀≤−= 2 ;00tancos' 2 pi x x xxx xf Trường THPT chuyên Lý Tự Trọng – Cần Thơ Bất ñẳng thức lượng giác Chương 1 Các bước ñầu cơ sở The Inequalities Trigonometry 18 Vậy ( )xf nghịch biến trên      2 ;0 pi Không mất tổng quát giả sử : C C B B A ACBA sinsinsin ≤≤⇒≥≥ Áp dụng bất ñẳng thức Chebyshev ta có : ( ) ( )⇒++≥      ++++ CBA C C B B A ACBA sinsinsin3sinsinsin ñpcm. ðẳng thức xảy ra khi và chỉ khi ABC∆ ñều. Ví dụ 1.1.4.3. Chứng minh rằng với mọi ABC∆ ta có : 3 tantantan coscoscos sinsinsin CBA CBA CBA ≤ ++ ++ Lời giải : Không mất tổng quát giả sử CBA ≥≥    ≤≤ ≥≥ ⇒ CBA CBA coscoscos tantantan Áp dụng Chebyshev ta có : 3 tantantan coscoscos sinsinsin 3 costancostancostan 3 coscoscos 3 tantantan CBA CBA CBA CCBBAACBACBA ++≤ ++ ++ ⇔ ++≥      ++       ++ Mà ta lại có CBACBA tantantantantantan =++ ⇒ñpcm. ðẳng thức xảy ra khi và chỉ khi ABC∆ ñều. Ví dụ 1.1.4.4. Chứng minh rằng với mọi ABC∆ ta có : ( ) CBA CBACBA coscoscos 2sin2sin2sin 2 3 sinsinsin2 ++ ++≥++ Lời giải : Không mất tổng quát giả sử cba ≤≤ Trường THPT chuyên Lý Tự Trọng – Cần Thơ Bất ñẳng thức lượng giác Chương 1 Các bước ñầu cơ sở The Inequalities Trigonometry 19    ≥≥ ≤≤ ⇒ CBA CBA coscoscos sinsinsin Khi ñó theo Chebyshev thì : ( ) CBA CBACBA CCBBAACBACBA coscoscos 2sin2sin2sin 2 3 sinsinsin2 3 cossincossincossin 3 coscoscos 3 sinsinsin ++ ++≥++⇔ ++≥      ++       ++ ⇒ñpcm. ðẳng thức xảy ra khi và chỉ khi ABC∆ ñều. 1.2. Các ñẳng thức bất ñẳng thức trong tam giác : Sau ñây là hầu hết những ñẳng thức, bất ñẳng thức quen thuộc trong tam giác và trong lượng giác ñược dùng trong chuyên ñề này hoặc rất cần thiết cho quá trình học toán của bạn ñọc. Các bạn có thể dùng phần này như một từ ñiển nhỏ ñể tra cứu khi cần thiết.Hay bạn ñọc cũng có thể chứng minh tất cả các kết quả như là bài tập rèn luyện. Ngoài ra tôi cũng xin nhắc với bạn ñọc rằng những kiến thức trong phần này khi áp dụng vào bài tập ñều cần thiết ñược chứng minh lại. 1.2.1. ðẳng thức : R C c B b A a 2 sinsinsin === Cabbac Bcaacb Abccba cos2 cos2 cos2 222 222 222 −+= −+= −+= AbBac CaAcb BcCba coscos coscos coscos += += += ( ) ( ) ( ) ( )( )( )cpbpapp rcprbprap prCBAR R abc CabBcaAbc hchbhaS cba cba −−−= −=−=−= === === === sinsinsin2 4 sin 2 1 sin 2 1 sin 2 1 . 2 1 . 2 1 . 2 1 2 Trường THPT chuyên Lý Tự Trọng – Cần Thơ Bất ñẳng thức lượng giác Chương 1 Các bước ñầu cơ sở The Inequalities Trigonometry 20 4 22 4 22 4 22 222 2 222 2 222 2 cba m bac m acb m c b a −+ = −+ = −+ = ba C ab l ac B ca l cb Abc l c b a + = + = + = 2 cos2 2 cos2 2 cos2 ( ) ( ) ( ) 2 sin 2 sin 2 sin4 2 tan 2 tan 2 tan CBAR C cp Bbp A apr = −= −= −=       +       − = + −       +       − = + −       +       − = + − 2 tan 2 tan 2 tan 2 tan 2 tan 2 tan AC AC ac ac CB CB cb cb BA BA ba ba S cbaCBA S cbaC S bacB S acbA 4 cotcotcot 4 cot 4 cot 4 cot 222 222 222 222 ++ =++ −+ = −+ = −+ = ( )( ) ( )( ) ( )( ) ab bpapC ca apcpB bc cpbpA −− = −− = −− = 2 sin 2 sin 2 sin ( ) ( ) ( ) ab cppC ca bppB bc appA − = − = − = 2 cos 2 cos 2 cos ( )( ) ( ) ( )( ) ( ) ( )( ) ( )cpp bpapC bpp apcpB app cpbpA − −− = − −− = − −− = 2 tan 2 tan 2 tan ( ) CBACBA R rCBACBA CBACBA CBACBA R pCBACBA coscoscos21coscoscos 1 2 sin 2 sin 2 sin41coscoscos coscoscos12sinsinsin sinsinsin42sin2sin2sin 2 cos 2 cos 2 cos4sinsinsin 222 222 −=++ +=+=++ +=++ =++ ==++ Trường THPT chuyên Lý Tự Trọng – Cần Thơ Bất ñẳng thức lượng giác Chương 1 Các bước ñầu cơ sở The Inequalities Trigonometry 21 1cotcotcotcotcotcot 1 2 tan 2 tan 2 tan 2 tan 2 tan 2 tan 2 cot 2 cot 2 cot 2 cot 2 cot 2 cot tantantantantantan =++ =++ =++ =++ ACCBBA ACCBBA CBACBA CBACBA ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) kCkBkAkCkBkA kCkBkAkCkBkA CkBkAkCkBkAk AkCkCkBk