Chuyên đề Một số phương pháp chứng minh Bất đẳng thức và ứng dụng của nó

Lời nói đầu Trong bộ môn Toán ở trường phổ thông thì chuyên đề Bất đẳng thức được xem là một trong những chuyên đề khó, nhiều học sinh khá thậm chí giỏi còn lo ngại tránh né bởi vì học sinh chưa hình thành được những phương pháp giải để học sinh ứng dụng vào việc chứng minh Bất đẳng thức. Qua nội dung về Bài tập lớn em xin trình bày chuyên đề: Một số phương pháp chứng minh Bất đẳng thức và ứng dụng của nó trong việc chứng minh và giải quyết các bài toán có liên quan. Các bài tập ở đây với độ khó được nâng dần lên nhằm giúp học sinh bớt lúng túng khi gặp các bài toán về chứng minh bất đẳng thức, giúp học sinh có thể tự định hướng được phương pháp chứng minh và hứng thú hơn khi học về bất đẳng thức. Nội dung của chuyên đề bao gồm: Phần I - Kiến thức cơ bản cần nắm: Đây là phần tóm tắt một số kiến thức lý thuyết cơ bản mà học sinh cần nắm để sử dụng trong quá trình chứng minh Bất đẳng thức. Phần II - Các phương pháp chứng minh bất đẳng thức: Tổng hợp các phương pháp chứng minh Bất đẳng thức thường dùng cho học sinh THCS. Với mổi phương pháp có các kiến thức cần nắm, các ví dụ minh hoạ, bài tập áp dụng để học sinh tự mình hình thành được tư duy cảm nhận về phương pháp đó. Phần III - ứng dụng của việc chứng minh bất đẳng thức: Trình bày những ứng dụng phổ biến của chứng minh Bất đẳng thức. Phần IV - Hướng dẫn, giải các BT áp dụng: Đây là phần giải chi tiết của các BT áp dụng cho từng phương pháp chứng minh Bất đẳng thức ở trên. Phần V - Bài tập tổng hợp – tự giải: Bao gồm các bài tập tổng hợp cho tất cả các dạng phương pháp chứng minh Bất đẳng thức. Cơ sở lý luận – Thực tiễn Các phương pháp chứng minh Bất đẳng thức thì rất phong phú nhưng để cho học sinh hình thành được phương pháp chứng minh cũng như ứng dụng Bất đẳng thức trong Toán học thì chưa có. Số học sinh hiểu và được điểm khá của phần này rất thấp thậm chí không có, đa số các em chỉ được điểm Trung Bình hoặc Yếu. Ngoài ra, số lượng thời gian nghiên cứu chuyên sâu phần Bất đẳng thức trong kiến thức của chương trình THCS rất ít nên học sinh ít thời gian để ý đến các kiến thức mà giáo viên giảng trong phần này. Do đó học sinh không có hứng thú khi học sinh bắt gặp dạng toán Bất đẳng thức này. Do thời gian nghiên cứu làm bài đề tài ngắn nên tôi không thể đưa ra được số liệu điều tra cụ thể được nhưng tôi mong rằng qua đề tài này tôi hi vọng nó sẽ là công cụ hữu ích cho những em có hứng thú học tập bộ môn Toán nói chung và chuyên đề Bất đẳng nói riêng. Phần I - kiến thức cơ bản I – Một số bất đẳng thức cần nhớ: Bất đẳng thức Cô sy: Với dấu bằng xảy ra khi Bất đẳng thức Bunhiacopski: Dấu đẳng thức xảy ra Bất đẳng thức Trê- bư-sép: Nếu Nếu Dấu bằng xảy ra khi II - Một số bất đẳng thức phụ đã được chứng minh là đúng. dấu( = ) khi x = y = 0 III – Các bất đẳng thức trong tam giác IV – Các hàm lượng giác thông dụng V – Các tính chất cơ bản Tính chất 1: a > b b < a Tính chất 2: a > b và b > c => a > c Tính chất 3: a > b a + c > b + c Hệ quả : a > b a - c > b – c a + c > b a > b – c Tính chất 4 : a > c và b > d => a + c > b + d a > b và c a - c > b – d Tính chất 5 : a > b và c > 0 => ac > bd a > b và c ac < bd Tính chất 6 : a > b > 0 ; c > d > 0 => ac > bd a > b > 0 => an > bn a > b an > bn với n lẻ . VI – Các hằng đẳng thức đáng nhớ VII – Các kiến thức về toạ độ vec tơ VIII – Các kiến thức về tính chất của tỉ lệ thức: Phần II – Các phương pháp chứng minh Bất đẳng thức Các phương pháp chứng minh Bất đẳng thức vô cùng đa dạng ở đây tôi xin trình bày những dạng phương pháp thông dụng nhất như sau: Dạng 1 – Dựa vào định nghĩa và các phép biến đổi tương đương Dạng 2 – Sử dụng bất đẳng thức Bunhiacopxky và các bất đẳng thức phụ. Dạng 3 – Sử dụng Bất đẳng thức Cauchy Dạng 4 – Chứng minh bằng phản chứng Dạng 5 – Phương pháp lượng giác Dạng 6 – Phương pháp chứng minh qui nạp Dạng 7 – Phương pháp áp dụng các tính chất của các dãy tỉ số bằng nhau Dạng 8 – Phương pháp dùng tam thức bậc hai Dạng 9 – Phương pháp dùng tính chất bắc cầu Dạng 10 - Phương pháp dùng các bất đẳng thức trong tam giác Dạng 11 –Phương pháp đổi biến số Dạng 12 – Phương pháp làm trội (chứng minh bất đẳng thức có n số hạng) Ngoài các phương pháp chứng minh Bất đẳng thức đã nêu ở trên thì còn rất nhiều các phương pháp khác như: Phương pháp toạ độ – vectơ, bất đẳng thức chứa dấu giá trị tuyệt đối, sử dụng cực trị, Nhưng do các kiến thức lý thuyết các em chưa có nên tôi chỉ xin trình bày một số phương pháp như trên.Dạng 1- Dựa vào định nghĩa và các phép biến đổi tương tương đương Đây là phương pháp cơ bản nhất, dựa vào các tính chất cơ bản của bất đẳng thức đơn giản để biến đổi các bất đẳng thức phức tạp của đề ra thành các bất đẳng thức đơn giản và đúng hoặc các bất đẳng thức đã được chứng minh là đúng. ở phần này các bạn chú ý đến các hằng đẳng thức: Phương pháp: Khi biến đổi tương đương ta cố gắng làm xuất hiện các điều kiện đã cho trong giả thiết nhằm áp dụng được điều kiện của giả thiết để chứng minh được bất đẳng thức đó là đúng. Chuyển vế để chứng minh bất đẳng thức đó ( Chuyển vế các thừa số về dạng hằng đẳng thức để dể chứng minh Làm xuất hiện các tích các thừa số có chứa các yếu tố của đề bài để ta xét dấu các thừa số đó Chia nhỏ từng vế để chứng minh sau đó cộng vế theo vế các bất đẳng thức con để được điều phải chứng minh. Một số ví dụ: Ví dụ 1: Chứng tỏ rằng với thì: Giải Bất đẳng thức luôn đúng vì . Ví dụ 2: Cho Chứng minh rằng: Giải Vì . Vậy Ví dụ 3: Với chứng minh: Giải Hiển nhiên đúng. Vậy . Ví dụ 4: Chứng minh rằng mọi a,b,c,d thì : Giải Vậy : Ví dụ 5: Chứng minh rằng nếu: thì (1) Giải Suy ra điều phải chứng minh. Vì: Bài tập áp dung: Bài 1: Cho a + b = 2. Chứng minh rằng: Bài 2:Chứng minh rằng với mọi số nguyên dương n ta có: Bài 3: Chứng minh "m,n,p,q ta đều có m+ n+ p+ q+1³ m(n + p + q +1) Bài 4: Chứng minh rằng: Bài 5: Chứng minh bất đẳng thức : Trong đó : a > 0 , b > 0 Bài 6: Chứng minh rằng: Với mọi số dương a, b, c, d ta có: Dạng 2 – Sử dụng bất đẳng thức Bunhiacôpsky và các bất đẳng thức phụ Đây là phương pháp phổ biến nhất trong việc chứng minh Bất đẳng thức. Chúng ta dựa vào điều kiện đã cho ở đề bài để ta lựa chọn phương pháp cho thích hợp. Ngoài ra, ta cần phải chú ý đến dấu của BĐT để có thể sử dụng bất đẳng thức nào để chứng minh. Khi áp dụng các BĐT đã được chứng minh là đúng thì bạn nên tách nhỏ BĐT cần chứng minh ra thành các vế nhỏ sau đó cộng vế theo vế để được BĐT cần chứng minh. Một số ví dụ: Ví dụ 1: Chứng minh rằng với mọi số thực dương x,y,z ta có: Giải Do đó ta có: Dấu “=” xảy ra khi x=y=z Ví dụ 2: Chứng minh rằng: Giải Theo bất đẳng thức Becnuli ta có: Vì: Ví dụ 3: Cho Chứng minh rằng: Giải áp dụng bất đẳng thức Bunhiacopxki cho 4số 1,1,a,b ta có: áp dụng bất đẳng thức Bunhiacopxki cho 4số 1,1,a2,b2 ta có: Ví dụ 4: Cho a,b,c>0 Chứng minh rằng: Giải Ta có: Vì : Nên: Ví dụ 5: Cho 4 số dương a,b,c,d chứng minh rằng: Giải áp dụng bất đẳng thức phụ: Ta có: Tương tự: Cộng vế theo vế ta có: Ta chứng minh: Bài tập áp dụng: Bài 1: Cho x,y,z thoã mãn Chứng minh rằng: Bài 2: Cho a>b>c>0 và .Chứng minh rằng Bài 3: Cho x , y là 2 số thực thoả mãn x2 + y2 = Chứng minh rằng : 3x + 4y 5 Bài 4: Cho a, b, c 0 ; a + b + c = 1 . Chứng minh rằng: Bài 5:Cho a, b, c là độ dài 3 cạnh một tam giác, p là nửa chu vi. Chứng minh rằng: Bài 6: Cho a, b,c là 3 số khác 0. Chứng minh rằng: Bài 7 Cho ba số .Thoả mãn Chứng minh rằng: (*) Dạng 3 – sử dụng bất đẳng thức Cauchy Đây là phương pháp chứng minh BĐT mà học sinh THCS dễ nhận dạng để chứng minh đó là sử dụng Bất đẳng thức Cauchy . Ta cần phải chú ý đến dấu của BĐT để có thể sử dụng bất đẳng thức nào để chứng minh. Khi áp dụng các BĐT đã được chứng minh là đúng thì bạn nên tách nhỏ BĐT cần chứng minh ra thành các vế nhỏ sau đó cộng vế theo vế để được BĐT cần chứng minh. Ví dụ 1: Cho 3 số dương a,b,c chứng minh rằng: Giải Vận dụng bất đẳng thức Côsi, ta có: Cộng vế theo vế (1) (2) và (3) ta có: Vậy: Ví dụ 2: Cho a,b,c >0 thoả mãn Chứng minh rằng: Giải Ta có: áp dụng bất đẳng thức Côsi: Nhân lại ta được: Ví dụ 3: Giả sử a,b,c d, là 4 số dương thoã mãn: Chứng minh rằng: Giải Từ giả thiết ta có: áp dụng bất đẳng thức Côsi ta có: Bài tập áp dụng: Bài 1: Chứng minh rằng: ( a+ b + c ) ( + + ) ≥ 9 với a,b,c > 0 Bài 2: Cho a,b,c là độ dài 3 cạnh của một tam giác với chu vi 2p Chứng minh rằng: a) b) Bài 3: Cho a, b, c 0 ; a + b + c = 1 . Chứng minh rằng: Bài 4:Cho a, b, c là độ dài 3 cạnh và 2p là chu vi của một tam giác. Chứng minh rằng: Dạng 4 – Chứng minh bằng phản chứng Đây là phương pháp chứng minh BĐT dựa vào các phương pháp chứng minh phản chứng trong Toán học. Để chứng minh mệnh đề A đúng thì ta giả sử mệnh đề A sai và chứng minh rằng từ mệnh đề A sai ta suy ra một điều mâu thuẩn để kết luận A là đúng. Muốn chứng minh bất đẳng thức đúng, ta giả sử sai, tức là đúng, từ đó chứng minh những lập luận chính xác ta suy ra điều mâu thuẩn từ giả thiết. Kết luận đúng. Điều vô lý có thể là trái với giả thiết, hoặc là những điều trái ngược nhau , từ đó suy ra đẳng thức cần chứng minh là đúng. Một số hình thức chứng minh bằng phản chứng: Dùng mệnh đề đảo. Phủ định rồi suy ra điều trái với giả thiết. Phủ định rồi suy ra trái với điều đúng. Phủ định rồi suy ra hai điều trái ngược nhau. Một số ví dụ: Ví dụ 1: Cho và Chứng minh rằng ít nhất một trong hai bất đẳng thức sau đây là đúng Giải Giả sử hai bất đẳng thức trên đều sai, có nghĩa ta được : và và Vì a+b =2cd Mâu thuẫn Nên sẽ có ít nhất một trong hai bất đẳng thức đã cho là đúng Ví dụ 2: Cho 3 số dương a,b,c nhỏ hơn 2. Chứng minh rằng có ít nhất một trong các bất đẳng thức sau là sai: Giải Giả sử các bất đẳng thức sau đều đúng, nhân ba đẳng thức lại ta được Mà Tương tự ta có: Suy ra: Mâu thuẫn Vậy có ít nhất một trong các bất đẳng thức đã cho là sai Ví dụ 3: Cho 6 số tự nhiên khác 0 nhỏ hơn 108. Chứng minh rằng có thể chọn được 3 trong 6 số đó, chẳng hạn a,b,c sao cho a<bc, b<ca, c<ab Giải Giả sử 6 số tự nhiên khác 0 là Rõ ràng Với 3 số x,y,z thoã mãn Ta luôn có x<yz và y<xz. Nếu trong các số a1, a2 ,, a6 không có 3 số nào thoã mãn a<b<c và c<ab thì có Trái với giả thiết a6 <108. Vậy phải có 3 số a,b,c thoã mãn a<bc; b<ca; c<ab Ví dụ 4: Cho các số thực a,b,c thoã mãn điều kiện: Chứng minh rằng: a,b,c >0 Giải Giả sử trong 3 số thực a,b,c đã cho có một số âm hay bằng 0, giả sử số đó là mà không làm mất đi tính tổng quát của bài toán. Ta có: Xét khả năng Ta có: Vì : Điều này mâu thuẫn với giả thiết. Vậy 3 sô a,b,c đều là số dương. Bài tập áp dụng: Bài 1: Cho .Chứng minh rằng ít nhất có một bất đẳng thức sau đây là sai: Kết quả này mâu thuẩn với kết quả của giả thiết đã nêu ra ở trên. Vậy ít nhất phải có một bất đẳng thức sai. Bài 2: Cho 25 số tự nhiên thoả mản điều kiện . Chứng minh rằng trong 25 số tự nhiên đó, tồn tại hai số bằng nhau. Dạng 5 – Phương pháp lượng giác Đây là một trường hợp đặc biệt của phương pháp đổi biến số. Đối với học sinh THCS thì việc sử dụng phương pháp này là khá mới vì kiến thức cơ bản của phần lượng giác chưa được nghiên cứu sâu. Cho nên ở phương pháp này tôi xin trình bày một số kiến thức lý thuyết và các dạng phương pháp một cách chi tiết hơn. Kiến thức cần nhớ: 1. Các hệ thức cơ bản + + 1 + tg2a = + tga . cotga = 1 (a ạ ) + 1 + cotg2a = 2. Công thức cộng, công thức hạ bậc, công thức nhân đôi, công thức biến tích thành tổng và công thức biến tổng thành tích. Chúng ta dựa vào các trương hợp dưới đây để có thể đổi biến lượng giác một cách chính xác. Một số phương pháp lượng giác thường gặp: Nếu thấy x2 + y2 = 1 thì đặt với a ẻ [0, 2p] Nếu thấy x2 + y2 = a2 (a > 0) thì đặt với a ẻ [0, 2p] Nếu thấy |x| Ê 1 thì đặt Nếu thấy |x| Ê m ( ) thì đặt Sử dụng công thức: Nếu |x| ³ 1 hoặc bài toán có chứa biểu thức thì đặt x = với aẻ Nếu |x| ³ m hoặc bài toán có chứa biểu thức thì đặt x = với aẻ Sử dụng công thức 1+ tg2a = . Nếu x ẻ R và bài toán chứa (1+x2) thì đặt x = tga với a ẻ Nếu x ẻ R và bài toán chứa (x2+m2) thì đặt x = mtga với a ẻ Ví dụ 1: Cho Với Và Chứng minh rằng Giải Với: Và Ta có: Do đó ta đặt: và với Và Vậy: Ví dụ 2: Chứng minh rằng: Giải Đặt Với Thì Ví dụ 3: Chứng minh rằng nếu và n là số nguyên lớn hơn 1 thì ta có bất đẳng thức: Giải : Vì: nên ta đặt với Do đúng Vậy bất đẳng thức đã được chứng minh. Ví dụ 4: Chứng minh rằng: Giải: Từ đk |a| Ê 1 nên Đặt a=cosa với aẻ[0,p] ị (1)Û Û Û đúng ị (đpcm) Bài tập áp dụng: Bài 1: Cho a2 + b2 - 2a - 4b + 4 = 0. Chứng minh rằng: A = Bài 2: Cho a, b thoả mãn : = 13 Chứng minh rằng: a2 + b2 + 2(b-a) ³ - 1 Bài 3: Chứng minh rằng: Bài 4: Chứng minh rằng A = Bài 5: Chứng minh rằng: - 4 Ê A = Ê 9 Bài 6: Chứng minh rằng: Bài 7: Chứng minh rằng: (1) Bài 8: Chứng minh rằng: " a, b ẻ R Dạng 6 – Phương pháp chứng minh qui nạp Phương pháp qui nạp thường sử dụng để chứng minh một bất đẳng thức phụ thuộc vào số nguyên dương n. Ta thực hiện các bước sau: Kiểm nghiệm để chứng tỏ BĐT đúng với điều kiện nhỏ nhất. Giả sử BĐT đúng với một số nguyên dương k bất kỳ Cần chứng minh BĐT cũng đúng với n = k + 1 Ví dụ 1: Chứng minh rằng: Với mọi số dương Giải: Với n=3 thì đúng Giả sử bất đẳng thức đúng với n=k bất kì có nghĩa là: Ta cần chứng minh: Theo gt quy nạp ta có: Điều phải chứng minh. Ví dụ 2: Chứng minh rằng với mọi số tự nhiên Ta có: Giải: Với n=2 ta có: đúng Giả sử với n=k ta có: Ta cần chứng minh: Ta có: Vì : Nên: đúng. Ví dụ 3: Chứng minh bất đẳng thức Côsi trong trường hợp tổng quát. Với thì Giải: Với =2 bất đẳng thức đả được chứng minh ở 1. (bất đẳng thức Ơclit) Nếu . Vậy thì ta luôn có (chuyển một bộ phận sang vế phải, ta được) Lấy số thực không âm viết các bất đẳng thức tương ứng rồi cộng lại ta được: Từ đó: Bây giờ theo giả thiết quy nạp, ta thừa nhận rằng đối với số thực không âm bất kì , trung bình cộng không nhỏ hơn trung bình nhân của chúng. Thế thì nói riêng ta có: Sử dụng các bất đẳng thức này, ta có thể tăng cường các bất đẳng thức ( 2 ) Trong hệ thức này đặt ta được ( đpcm ) Trong tất cả quá trình lý luận trên, dấu “=” xảy ra khi và chỉ khi tức là khi và chỉ khi Một số bài tập: Bài 1: Chứng minh rằng (1) Bài 2: Cho và a+b > 0. Chứng minh rằng (1) Bài 3: Cho a,b là hai cạnh góc vuông của một tam giác vuông với c là cạnh huyền Chứng minh rằng: Dạng 7 - Phương pháp áp dụng các tính chất của các dãy tỉ số bằng nhau Đây là phương pháp đặc trưng cho học sinh THCS vì phương pháp này áp dụng các tính chất của dãy tỉ số bằng nhau đã được học ở lớp 7. Các tính chất đặc biệt thường gặp trong loại này ta cần lưu ý như: Kiến thức: Một số ví dụ: Ví dụ 1: Cho 3 số dương a,b,c chứng minh rằng Giải: Vì: nên: Tương tự: Cộng các bất đẳng thức trên lại ta được điều phải chứng minh. Ví dụ 2: Cho a,b,c,d là các số dương, chứng minh rằng: Giải: Vì: nên Tương tự: Cộng lại ta được 2<A<3. Suy ra A không thể là số nguyên . Bài tập áp dụng: Bài 1: Cho a, b, c, d > 0 . Chứng minh rằng: Bài 2: Cho a;b;c;d là các số nguyên dương thỏa mãn : a + b = c + d =1000 tìm giá trị lớn nhất của . Bài 3: Cho: 0 . Chứng minh rằng < Dạng 8 – Phương pháp dùng tam thức bậc hai Kiến thức: Cho tam thức bậc hai Nếu thì Nếu thì Nếu thì với hoặc () với Một số ví dụ: Ví dụ 1: Chứng minh rằng: Với mọi giá trị của x,y. Giải: Đặt: Ta có: Ví dụ 2: Cho hai dãy số: a1, a2 , an B1, b2, bn Chứng minh rằng: Giải: Ta có: (1) Đặt: Ta có: Với mọi X nên tam thức (X) có Suy ra: Tức là (2) đúng nên (1) đúng. Ví dụ 3: , chứng mih bất đẳng thức sau: (1) Giải: (1) Đặt Bài tập áp dụng: Bài 1: Cho a,b,c,d thoã mãn b < c < d. Chứng minh rằng Bài 2: Cho các số a , b , c , d , p , q sao cho: Chứng minh rằng: Dạng 9 – Phương pháp dùng tính chất bắc cầu Đây là phương pháp chứng minh bất đẳng thức sử dụng tính chất bắc cầu trong Toán học. Chẳng hạn: và thì Một số ví dụ: Ví dụ 1: Cho a, b, c ,d >0 thỏa mãn a > c+d , b >c+d. Chứng minh rằng: ab >ad+bc Giải Ta có: (a-c)(b-d) > cd ab – ad – bc + cd > cd ab > ad + bc điều phải chứng minh. Ví dụ 2: Cho a,b,c>0 thỏa mãn Chứng minh Giải Ta có :( a + b – c)2= a2+ b2 + c2 + 2( ab – ac – bc) > 0 ac + bc - ab ( a2 + b2 + c2) ac + bc – ab 1 Chia hai vế cho abc > 0 ta có Ví dụ 3: Cho . Chứng minh rằng: Giải Do a < 1 và Ta có 1- b - + b > 0 1+ > + b mà 0 < a,b < 1 Từ đó ta suy ra 1+ Vậy < Tương tự ta có: Và Ê Cộng các bất đẳng thức ta có: Ví dụ 4: Cho Chứng minh rằng: a. b. Giải a. Ta có: (1) Mặt khác: Suy ra: (2) Từ (1) và (2) suy ra b. Ta chứng minh: Ta có: Vì ( ) ( theo câu a). Bài tập áp dụng: Bài 1: Cho Chứng minh rằng: Bài 2: Cho thoả mãn Chứng minh rằng: Bài 3: Cho a, b, c là độ dài 3 cạnh của tam giác có chu vi bằng 1. Chứng minh rằng: Bài 4: Cho a, b, c là độ dài 3 cạnh của tam giác có chu vi bằng 2. Chứng minh rằng: Dạng 10 – Phương pháp dùng các bất đẳng thức trong tam giác Đây là phương pháp sử dụng các bất đẳng thức trong tam giác làm các giả thiết để chứng minh các bất đẳng thức. ở phương pháp chứng minh này các bạn nên chú ý một số kiến thức cơ bản sau: Kiến thức: 1. Các bất đẳng thức trong tam giác: Với a, b, c là 3 cạnh của một tam giác thì Nếu thì số đo của 3 góc A, B, C cũng đúng với bất đẳng thức trên. 2. Công thức liên quan đến tam giác Một số ví dụ: Ví dụ 1: Cho a, b, c là 3 cạnh của tam giác. Chứng minh rằng: Giải Ta có: (1) Kết quả (2) luôn đúng vì trong tam giác ta luôn có. Vậy bất đẳng thức (1) được chứng minh. Ví dụ 2: Cho a;b;clà số đo ba cạnh của tam giác chứng minh rằng: a2 + b2 + c2 < 2(ab + bc + ac) abc>(a + b - c).(b + c - a)( c + a - b) Giải Vì a, b, c là số đo 3 cạnh của tam giác nên ta có Cộng từng vế các bất đẳng thức trên ta có: a2+b2+c2< 2(ab+bc+ac) Ta có a > ờb-c ù ị > 0 b > ờa-c ù ị > 0 c > ờa-b ù ị Nhân từng vế của đẳng thức lại ta được: Ví dụ 3: Trong Δ ABC có chu vi a + b +c = 2p ( a, b, c là độ dài 3 cạnh ). CMR : + + ≥ 2 ( + + ) Giải Ta có : p - a = > 0 ( vì b + c > a bất đẳng thức tam giác ) Tương tự : p - b > 0 ; p- c > 0. Mặt khác : p - a + p - b = 2p - a - b = c p - b + p - c = a p - c + p - a = b ta áp dụng tính chất của Bất đẳng thức: ta có: + ≥ = + ≥ + ≥ Cộng theo vế của bất đẳng thức ta có : + + ≥ 2 ( + + ) Dấu ‘=’ xảy ra khi Δ ABC đều Ví dụ 4: Cho a, b, c , là độ dài ba cạnh của một tam giác (a+b-c)(b+c-a)(c+a-b) abc Giải Bất đẳng thức về ba cạnh của tam giác : Từ đó (a + b – c)( a – b + c)( b – c +a)( b + c – a)( c – a + b)( c + a – b) (a + b – c)2( b + c – a)2( c + a – b)2 (a + b – c)( b + c – a )( c + a – b) abc Vì a, b, c là 3 cạnh của một tam giác nên và abc > 0 Bài tập áp dụng: Cho a, b, c là độ dài 3 cạnh của tam giác Bài 1: Chứng minh rằng: Nếu với thì Bài 2: Chứng minh rằng: Bài 3: Chứng minh rằng: Với mọi p, q sao cho p + q = 1 thì Bài 4: Cho a, b, c là độ dài 3 cạnh của một tam giác với a < b < c. Chứng minh rằng: Bài 5: Chứng minh rằng: với a, b,c là độ dài 3 cạnh của một tam giác thì ta có: Dạng 11 – Phương pháp đổi biến số Khi ta gặp một số bất đẳng thức có biến phức tạp thì ta có thể dùng phương pháp đổi biến số để đưa các bất đẳng thức cần chứng minh về dạng đơn giản hơn, tức là ta đặt các biến mới biểu thị được các bién cũ sao cho biến mới có thể gọn hơn hoặc dễ chứng minh hơn. Sau khi đổi biến số ta sử dụng các phương pháp chứng minh ở trên để chứng minh bất đẳng thức. Phương pháp lượng giác cũng là một dạng của phương pháp đổi biến số. Một số ví dụ: Ví dụ 1: Cho a,b,c > 0 Chứng minh rằng: (1) Giải Đặt x=b+c ; y=c+a ;z= a+b ta có a= ; b = ; c = Ta có (1) ( Bất đẳng thức cuối cùng đúng vì ( ; ) điều phải chứng minh. Ví dụ 2: Cho a,b,c > 0 và a+b+c < 1. Chứng minh rằng: (1) Giải Đặt x = ; y = ; z = Ta có (1) Với x+y+z 0 Theo bất đẳng thức Côsi ta có: 3. 3. . Mà x+y+z < 1 Vậy điều phải chứng minh. Ví dụ 3: Cho a, b, c là các số thực dương. Chứng minh rằng: Giải Đây là ví dụ 1 nhưng ta sử dụng cách đổi biến khác: Ta đặt Bất đẳng thức (đúng). Vậy Bất đẳng thức được chứng minh. Dấu “=” xảy ra Ví dụ 4: Cho các số thực dương a, b, c sao cho abc = 1 Chứng minh rằng: Giải Do nên ta có thể đặt: với . Nên bất đẳng thức ta có thể viết lại như sau: (Ta đã chứng minh được) Vậy BĐT đã được chứng minh. Dấu “=” xảy ra Bài tập áp dụng: Bài 1: Chứng minh rằng ; với mọi số thực x, y ta có bất đẳng thức: Bài 2: Cho x, y, z là các số dương thoả mãn: + = 4 CMR: + + ≤ 1 (Đại học khối A – năm 2005) Bài 3: Cho a, b, c là các số thực dương thoả mãn abc=1 . CMR : Bài 4: Cho x, y, z >0 thoả mãn . CMR Bài 5: Cho x, y, z là cỏc số thực dương thoả món: . CMR: Dạng 12 - Phương pháp làm trội (chứng minh bất đẳng thức có n số hạng) Dùng các tính bất đẳng thức để đưa một vế của bất đẳng thức về dạng tính được tổng hữu hạn hoặc tích hữu hạn. Phương pháp chung để tính tổng hữu hạn : S = Ta cố gắng biến đổi số hạng tổng quát u về hiệu của hai số hạng liên tiếp nhau Khi đó : S = Phương pháp chung về tính tích hữu hạn: P = Biến đổi các số hạng về thương của hai số hạng liên tiếp nhau: = Khi đó P = Một số ví dụ: Ví dụ 1: Chứng minh rằng: Với n là số nguyên Giải: Ta có: Khi cho k chạy từ 1 đến n ta có 1 > 2 Cộng từng vế các bất đẳng thức trên ta có: Ví dụ 2: Chứng minh rằng: Giải: Ta có Cho k chạy từ 2 đến n ta có Vậy Ví dụ 3: Chứng minh rằng: Giải: Ta có: Do đó: Vậy: Ví dụ 4: Chứng minh rằng: Giải: Ta có: Vậy: . Bài tập áp dụng: Bài 1: Chứng minh BĐT sau: a. b. Ngoài các phương pháp chứng minh Bất đẳng thức đã nêu ở trên thì còn rất nhiều các phương pháp khác như: Phương pháp toạ độ – vectơ, bất đẳng thức chứa dấu giá trị tuyệt đối, sử dụng cực trị, Nhưng do các kiến thức lý thuyết các em chưa có nên tôi chỉ xin trình bày một số phương pháp như trên. Các bài toán về Bất đẳng thức rất đa dạng và phức tạp, các phương pháp chứng minh đã nêu trên chỉ là những phương pháp tương đối thông dụng để cho học sinh THCS cố gắng nhận định và làm quen với các dạng ở trên để áp dụng phương pháp thích hợp. Phần III – ứng dụng của Bất đẳng thức. Bất đẳng thức được ứng dụng rộng rãi nhiều trong việc tìm GTLN, GTNN, giải phương trình và hệ phương trình, dùng để giải phương trình nghiệm nguyên và rất nhiều ứng dụng khác nữa. I - Dùng BĐT để tìm GTLN và GTNN Kiến thức : Nếu f(x) m thì f(x) có giá trị nhỏ nhất là m. Nếu f(x) M thì f(x) có giá trị lớn nhất là M. Ta thường hay áp dụng các bất đẳng thức thông dụng như: Côsi, Bunhiacôpxki , bất đẳng thức chứa dấu giá trị tuyệt đối, kiểm tra trường hợp xảy ra dấu đẳng thức để tìm cực trị. Tìm cực trị của một biểu thức có dạng là đa thức , ta hay sử dụng phương pháp biến đổi tương đương , đổi biến số , một số bất đẳng thức Tìm cực trị của một biểu thức có chứa dấu giá trị tuyệt đối , ta vận dụng các bất đẳng thức chứa dấu giá trị tuyệt đối Chú ý: Xảy ra dấu '' = '' khi AB 0 Dấu ''= '' xảy ra khi A = 0 Một số ví dụ: Ví dụ 1: Tìm giá trị nhỏ nhất của biểu thức A = (x2 + x)(x2 + x - 4) b. Tìm giá trị nhỏ nhất của biểu thức : B = - x2 - y2 + xy + 2x +2y Giải Ta có: a.A = (x2 + x)(x2 + x - 4) . Đặt : t = x2 + x – 2 => A = (t - 2)(t + 2) = t2 - 4 - 4 Dấu bằng xảy ra khi : t = 0 ú x2 + x - 2 = 0 (x - 2)(x + 2) = 0 ú x = -2 ; x = 1 => min A = - 4 khi x = -2 ; x = 1 b. Tương tự Ví dụ 2: Tìm giá trị nhỏ nhất của biểu thức C = D = E = Giải áp dụng BĐT : Dấu '' = ''xảy ra khi AB 0 => C = Dấu '' = '' xảy ra khi (2x - 3)(1 - 2x) 0 ú Vậy minC = 2 khi b, Tương tự : minD = 9 khi : -3 x 2 c. Tương tự: minE = 4 khi : 2 x 3 Ví dụ 3: Cho ba số dương x , y , z thoả mãn : + + 2 Tìm giá trị lớn nhất của tích : P = xyz. Giải (1 - ) + ( 1 - ) = + 2 Tương tự : 2 2 Từ đó suy ra : P = xyz MaxP = khi x = y = z = Ví dụ 4: Cho G = Tỡm giỏ trị lớn nhất của G. Giải Tập xỏc định : x 1 ; y 2 ; z 3 Ta có : G = + + Theo BĐT Cụsi ta cú : => Tương tự : ; => G Vậy MaxG = đạt được khi x = 2 ; y = 2 ; z = 6 Bài tập áp dụng: Bài 1: Tìm giá trị lớn nhất của: S = xyz.(x+y).(y+z).(z+x) với x,y,z > 0 và x+y+z =1 Bài 2: Cho xy+yz+zx = 1. Tìm giá trị nhỏ nhất của Bài 3:Tìm giá trị nhỏ nhất của biểu thức A = x2 – 2xy + 3y2 – 2x – 10y + 20 Bài 4:Tìm giá trị lớn nhất , nhỏ nhất của phân thức D = Bài 5; Tìm số tự nhiên nhỏ nhất biết rằng số này khi chia cho 9 có số dư là 5 và khi chia cho 31 có số dư là 28. II – Dùng BĐT để giải phương trình và hệ phương trình Nhờ vào các tính chất của bất đẳng thức , các phương pháp chứng minh bất đẳng thức , ta biến đổ