Chuyên đề Các phương pháp chứng minh bất đẳng thức
I. Dùng hình học để chứng minh bất đẳng thức
Một số định lý tính chất cơ bản trong hình học thường dùng trong chứng
minh bất đẳng thức hình học
1) Định lý hàm cosin trong ABC có 3 cạnh a, b, c
0 czbazcybaycxbax (*) Xét tam thức bậc hai: cXbaXtf )1()( 2 )0( a Có 04)1( 2 acb (theo giả thiết) Theo định lí về dấu của tam thức bậc hai ttaf ,0)( 0)( 0( 0)( 0 0 0 zaf yaf xaf (**) Từ (*) 0)()()( 000 zfyfxf .Điều này mâu thuẫn với (**) Vậy điều giả sử sai. đpcm. VD4: Cho 01 2 2 1 1 ...)( axaxaxaxxf n n n n n . Trong đó 1,...,2,1,0,1 niai .Giả sử đa thức có n nghiệm.Cm 3n Giải Giả sử phản chứng: 3n (*) Gọi n nghiệm của đa thức f(x) là: nxxx ,...,, 21 Ta viết ))...()(()( 21 nxxxxxxxf n n nn n n n xxxxxxxxxxxxxxx .......)...()...( 21 2 13221 1 21 1...)...( 21211 nnn xxxxxxa 1... 132212 nnn xxxxxxa Ta có: n i n ji ji ji n i ii axxxx 1 1, 2 1 2 212)( với 1a Nếu a=1 thì n i ix 1 2 0121 .Vô lí Nếu a=-1 thì n i ix 1 2 321 (1) Mặt khác 0... 021 axxx n (vì 010 a ) nixi ,...,2,1,0 Vì nixi ,...,2,1, là nghiệm của f(x) nên: 0... 01 2 2 1 1 axaxaxax i n in n in n i .Chia 2 vế cho n ix ta có: 01...111 0221 n ii n i n x a x a x a ni xi ,...,2,1, 1 là nghiệm của đa thức: 1...)( 1 1 10 xaxaxaxg n nn Lập luận tương tự như trên ta có: Bất đẳng thức - ducduyspt 40 1)1...11( 0 1 21 a a xxx n 11...11 21 nxxx Và 11...11 0 2 13221 a a xxxxxx nn 31 1 2 n i ix (2) Từ (1) và (2) 2 1 2 1 22 ) 1 )((3 n x x n i i n i i 3n .Mâu thuẫn với (*) Vậy điều giả sử sai. đpcm. VD5: Chứng minh rằng hệ phương trình sau vô nghiệm: 0,, 121 49 25 22 22 22 zyx xzxz zyzy yxyx Giải: Giả sử hệ đã cho có nghiệm ),,( 000 zyx 0,, )3(121 )2(49 )1(25 000 2 000 2 0 2 000 2 0 2 000 2 0 zyx xxzz zzyy yyxx Từ (1) 200 2 000 2 0 )(25 yxyyxx 500 yx (do 0, 00 yx ) Tương tự từ (2) 700 zy (3) 1100 xz Ta có 2 2 222 ) 2 ( 4 3 ) 2 (25 y x yy xyxyx 5 2 0 y x Tương tự từ (2) 7 2 0 y z 120 zyx .Tương tự 180 zyx 160 zyx Tóm lại 120 zyx Ta có hệ: 120 11 7 5 zyx xz zy yx 10 50 70 y z x Suy ra: 1095.757121 2222 zxzx .Vô lý.Vậy điều giả sử là sai đpcm. Bất đẳng thức - ducduyspt 41 VD5: Cho a,b,c,d thỏa mãn )()(2 bacdcbab .Chứng minh trong 3 bất phương trình dưới đây ít nhất một bất phương trình có nghiệm: 0,0,0 222 dcxxcbxxbaxx Giải Giả sử cả 3 bất phương trình trên đều vô nghiệm.Tức là: )3(0 )2(0 )1(0 2 2 2 dcxx xcbxx baxx Theo định lí về dấu của tam thức bậc hai ta có: 04 04 04 2 2 2 dc cb ba 0)(4222 dcbcba Từ )()(2 bacdcbab abbacdcb )()(2 Từ đó ta có: 02)(2222 abbaccba 0)(2)( 22 baccba 0)( 2 cba . Vô lí acb 42 Vậy điều giả sử là sai. đpcm 3.Bài tập áp dụng Bài 1: Cmr hệ 63 93 yx yx vô nghiệm. HD: Giả sử hệ đã cho có nghiệm ),( 00 yx .Khi đó )2(63 )1(9 00 0 3 0 yx yx Từ (1) 000 yx 0)3( 00 yx .Kết hợp với (2) suy ra 0 03 0 0 y x 0 0 0 0 y x Áp dụng bất đẳng thức côsi cho 4 số dương 0000 ,,, yxxx Ta có: 4 0 3 0000000 43 yxyxxxyx 4 946 346 . Bài 2: Cho a,b,c thỏa mãn: 0 0 0 abc cabcab cba .Cm: a,b,c>0 Bài 3: Cmr trong 3 bất đẳng thức sau có ít nhất một bất đẳng thức đúng: 222222222 )()(2,)()(2,)()(2 baacaccbcbba Bài 4: Cho a,b,c >0 và abc=1.Cmr 3 cba Bất đẳng thức - ducduyspt 42 Bài 5: Cho 0,, cba thỏa mãn 0 111 0 0 cabcab cabcab abc .Cmr: a,b,c<0 Bài 6: Cho a+b+c>0.Cmr trong 3 bất đẳng thức sau có một bất đẳng thức đúng: 1,1,1 333 abccabcbabca PHƯƠNG PHÁP 6: Phương pháp hình học I. Phương pháp vecto Một số bất đẳng thức có thể được chứng minh bằng các tính chất của vecto. Trong mặt phẳng oxy cho 2 vecto ),( );,( 2121 bbbaaa thì ta có: n i n i iinnn uubaubaubau baba aa bababababa bababa bababa aaa 1 1 222111 22 2211 2211 2 2 2 1 :có thì),()....,();,( ) ) )( ) ),cos( ) ) ),( ) ) Ví dụ 1: Chứng minh rằng: 1317 22 xxxx HD: 2 3 2 1 2 33 ) 2 1 ( 22 2 xxVT Đặt: 2 3 , 2 1 ; 2 33 , 2 1 xvxu )32 ,1( vu Ta có: 1317 22 xxxxvuvu Dấu “=” xảy ra khi và chỉ khi: vu và cùng hướng Bất đẳng thức - ducduyspt 43 4 1 2 3 2 33 2 1 2 1 x x x Ví dụ 2: Cho x,y,z>0 và .1 zyx Cmr: 82 111 2 2 2 2 2 2 z z y y x x HD: ) 1 ,( ); 1 ,( ); 1 ,( Xet z zc y yb x xa Ta có: 82809.9.2 )(80 111 )(9.2 )(80 111 )(81 111 )( 111 2 cos 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 zyx zyz zyx zyx zyx zyxVT zyx zyx z z y y x x cbacba i Dấu “=” xảy ra 3 1 1 0,, 111 zyx zyx zyx zyx z z y y x x Ví dụ 3: Chứng minh rằng: )( )( :có ,, 444 acbacbaabcRcba HD: 444222)( cbaabccabbcaa Xét : Bất đẳng thức - ducduyspt 44 (1) )( ; ) , ,( ; ) , ,( 222222 222222222222 accbbacbaabcvuvuvuvuDo ucbbaacvcacbbau bcabcavcabcabu Xét (1): (2) ),,( );,,( 444222222 1111 222 1 222 1 cbaaccbbavuvu acbvcbau Từ (1) và (2) ta có đpcm Dấu “=” xảy ra khi và chỉ khi a=b=c. Ví dụ 4: Cho ABC . Cmr: 2 coscoscos cba CabBcaAbc Giải 1321 3 2 1 eee CA CA e BC BC e AB AB e Ta có: (đđpcmd) 2 coscoscosab 0cosB)cacosAbccosCab2(-cba 0)eecaeebceeab2(cba 0)( 211332 2 132 cba BcaAbcC ecebea Ví dụ 5: Cho ABC và xyz>0. Chứng minh rằng: xyz zyx C z B y A x 2 cos 1 cos 1 cos 1 222 HD: Gọi O là tâm đường tròn nội tiếp ABC M, N, P lần lượt là hình chiếu của O lên BC, CA, AB. OM=ON=OP=r A B C 1e 2e 3e A P B N M C Bất đẳng thức - ducduyspt 45 xyz zyx C z B y A x zyxBzxAyzCxy BzxAyzCxyrrzyx OMOPzxOPONyzONOMxy OPzONyOMx 2 cos 1 cos 1 cos 1 )( 2 1 coscoscos 0]coscoscos[2)( 0..2..2..2)rzy(x 0)( 222 222 22222 2222 2 Ta có: Dấu “=” xảy ra 0 OPzONyOMx Ví dụ 6: cho: .122 yx Cmr: 2323 22 yxyx HD: Xét: )2 ,( );1 ,3( 22 xyyxvu . Ta có: 2323 )(22)(3 22 2222 yxyx yxxyyx vuvu Dấu “=” xảy ra khi và chỉ khi u và v cùng hướng 4 33 2 13 1 3 2 22 22 y x yx xy yx Ví dụ 7: Giải hệ phương trình: 1999 2000 19991 1999 2000 19991 1999 1 1999 1 i i i i x x Giải: Xét )1,1( iii xxu ; 1999 ,1i Ta có: O B C Bất đẳng thức - ducduyspt 46 lý) (vô 2000.1999.221999 )1()1(21999 2 1999 1 2 1999 1 1999 1 1999 1 i i i i i i i i xx uu Vậy hệ phương trình vô nghiệm. Bài tập đề nghị: Bài 1: Cho 2x-y=2. Cmr: 52)3()1( 2222 yxyx Bài 2: Cho 4 số dương phân biệt a, b, c, d. Chứng minh rằng ta có: x )()()()( 222222 dbcadxcbxa Bài 3. Cmr: 2 1 )1)(1( )1)(( 22 ba abba Bài 4: Cho tứ diện ABCD vuông đỉnh A. Cmr với mọi điểm M ta có: ADACABMDMCMBMA 3 Bài 5: Cmr: 2)(sinsin.sin4)(sincos.cos4 222222 yxyxyxyx Bài 6: Cho ABC , chứng minh rằng: 2 3 coscoscos CBA II. Dùng hình học để chứng minh bất đẳng thức Một số định lý tính chất cơ bản trong hình học thường dùng trong chứng minh bất đẳng thức hình học 1) Định lý hàm cosin trong ABC có 3 cạnh a, b, c Cabbac Bcaacb Abccba cos2 cos2 cos2 222 222 222 2) Công thức diện tích 4R abc pr sin 2 1 sin 2 1 sin 2 1 2 1 2 1 2 1 CabBcaAbc chbhahS cba 3) Với 3 điểm A,B,C trong mặt phẳng thì: BCACAB Bất đẳng thức - ducduyspt 47 4) Cho H là hình kín có diện tích S. Có )n,1( iH i là các hình kín có diện tích iS trong hình H thỏa mãn 2 hình bất kì có phần trong giao với nhau bằng rỗng ta có SSSS n ...21 Ví dụ 1: Cho a, b, c thỏa mãn: bcac 0 và0 . Cmr: abcbcacc )()( Giải: Dựng hình vẽ ABC có các cạnh cbcaBC aAB bAC ; Đường cao cAH Ta có: abcbccac Aabcbccac SSS ABCAHCABH )()( sin 2 1 )( 2 1 )( 2 1 Dấu “=” xảy ra 2 1sin AA Ví dụ 2: Cho cba ]2,0[,, chứng minh: 4)2()2()2( accbba Giải: Xét ABC đều có cạnh bằng 2. Lấy M, N, P lần lượt trên các cạnh: Ab, BC, CA sao cho BM=a, Cn=b, Ap=c Khi đó: ABCCPNBMNAMP SSSS 4)2()2()2( 4. 4 3 )2( 4 3 )2( 4 3 )2( 4 3 3 sin.. 2 1 sin.. 2 1 sin.. 2 1 sin.. 2 1 accbba accbba BCABCCPCNBBNBMAAPAM Dấu “=” xảy ra khi và chỉ khi có 1 số bằng 2, một số bằng 0 và 1 số tùy ý ]2,0[ Ví dụ 3: Cho x, y, z tùy ý. Cmr: (1) 222222 zyzyzxzxyxyx Giải: A B C H c b a cb ca A B C M P N a c b Bất đẳng thức - ducduyspt 48 222222 2 3 2 3 222 3 22 3 2 )1( zy zy z z xy y x Trong mặt phẳng oxy xét: đpcm)( :có Ta 2 3 2 2 3 2 3 22 2 3 2 22 22 22 BCACAB z z xCA zy zy BC y y xAB Dấu “=” xảy ra khi và chỉ khi A, B, C thẳng hang và A ở giữa B và C. 0 zxyzxy Ví dụ 4: Cho dcba ]1,0[,,, chứng minh rằng: addccbbadcba 20062006200620062006200620062006 2 Giải: dcbavà addccbbaaddccbba dcbaVi ]1,0[,,, ]1,0[ ,,, 2006200620062006 200620062006200620062006200620062006200620062006 Xét hình vuông ABCD có độ dài các cạnh bằng 1. Lấy M, N, P, Q lần lượt trên AB, BC, CD, DA sao cho: 20062006 20062006 dAQ ; ; cDP bCNaBM Khi đó addccbba addccbbadcba addccbba SSSSS ABCDAQMDPQCNPBMN 2006200620062006 200620062006200620062006200620062006200620062006 20062006200620062006200620062006 2 2 1)1()1()1()1( 2 1 Dấu “=” xảy ra khi và chỉ khio có 2 số bằng 0 và 2 số bằng 1. ☻Tổng quát: Cho dcba ]1,0[,,, chứng minh 1n thì: A M B N C P D Q Bất đẳng thức - ducduyspt 49 addccbbadcba nnnnnnn 2 Ví dụ 5: Cmr: (1) 4106346 22 xxxx HD: 43 ) 41)3(25)3()1( 22 Vtx xx 3 ) x . Ta dựng ABC vuông tại A và có: xxxxx CDBDBCVT ADACDACxAB 4106346 4 ;1 ; ;5 ; 3 22 Ví dụ 6: Cho a,b,c >0. CMR: 222222 3232 cacacbcbbaba HD: Dựng các đoạn OA, OB, OC sao cho OA=a; OB=b; OC=c thỏa mãn: ??????????? Ta có: 2 32 2 13 2 1 )3045cos(75cos 000 Áp dụng định lý cosin trong OACOBCOAB ; ; Ta có: đpcmACBCABmà acacCA bccbBC abbaAB 32 3 2 22 22 22 Dấu “=” xảy ra khi và chỉ khi A, B, C thảng hang theo thứ tự đó. Khi đó: ca ac b ac ac bcab SSS OACOBCOAB 2 32 4 32 75sin 2 1 44 2 0 B 3x A D C A a c B b O C Bất đẳng thức - ducduyspt 50 Ví dụ 7: CM với 2 0 x thì sinx<x HD: Vẽ đường tròn đơn vị. Gọi x là số đo cung AC thì sinx=AB AB<AC(đường vuông góc ngắn hơn đường xiên) Hình tròn là hình đơn vị, do đó x là số đo cung AC cũng là số đo độ dài cung AC. Ta biết AB<AC< độ dài cung AC=x nên sinx<x. Ví dụ 8: CMR: 22222 )())(( bdacdcba HD: Trên mặt phẳng oxy lấy P(a,b); Q(c,d) Gọi là góc giữa OP và OQ thì ))(()(1cos ))((2 ])()[( ..2 cos )()( :Mà cos...2 22222 22222222 222222222 222 222 222 222 dcbabdac dcba bdac dcba dbcadcba OQOP PQOQOP dbcaPQ OQOPOQOPPQ dcOQ baOP Dấu “=” xảy ra d b c a 1cos Ví dụ 9: Cho n số thực a1;;an. CMR: n i ii n aa 1 2 1 2 2 2 )1( với ai+1=a1 HD: TH1: Xét n chẵn Xây dựng các đoạn A1A2=A2A3==AnAn+1=An+1An+2=1 Trên AiAi+1 (i=1,,n+1) lấy Bi y x O A B C P(a,b) y x O Q(c,d) B1 A1 A2 B2 C A4 A5 A6 B4 Bất đẳng thức - ducduyspt 51 sao cho BiAi+1=ai Trên An+1An+2 lấy Bn+1 sao cho Bn+1An+2=an+1=a1 Khi đó: Bi nằm dưới ở về bên trái Ai+1; ai>0 Bi nằm trên ở về bên phải Ai+1; ai<0 (hình bên 01;a4<0) Theo cách xác định ta có: 2 1 22 1 2 11 111 )1( 1 iiiiiiii iii aaABABBB aAB Từ đó vế trái của bddt đã cho là độ dài của đường gấp khúc B1B2;;BnBn+1 Do n chẵn nên 2 ... 154321 n AAAAAACB nn 2 ... 143211 n AAAAAACB nnn Vậy tam giác vuông B1CBn+1 có: 2 2 11 n BB n Độ dài đường gấp khúc nối B1;; Bn+1 không nhỏ hơn B1Bn+1 (đpcm) TH2: n lẻ Đặt an+1=a1 ; an+2=a2 ;; a2n=an Áp dụng TH1 ta có: n i ii n aa 2 1 2 1 2 2 22 )1( với a2n+1=a1 Hay đpcmnaa ii 2 22 ))1((2 21 2 Dấu “=” xảy ra khi và chỉ khi Bi(i=1,,n+1) 1)2k(n ...a 2k)(n 1... ... 21 42 131 n n n aa aaaa aaaa với k là số nguyên tùy ý. Bài tập đề nghị: Bài 1: Cho dcba ]1 ,0[,,, Cmr: 2)1()1()1()1( addccbba HD: Xét hình vuông ABCD cạnh 1. Trên Ab, BC, CD, DA lần lượt lấy M, N, P, Q sao cho BM=a; CN=b; DP=c; AQ=d Thì: ABCDDPQCNPBNCAMQ SSSSS Bài 2: cho a, b, c thỏa mãn: 52222 dcba Cmr: (1) 2 203 52525 bdacdcba Bất đẳng thức - ducduyspt 52 HD: 153 MNP vi 153 2 303 2 )()( 2 )2()1( 2 )2()1( )1( 222222 Chu MNNPMP dbcadcba Với M(a,b); N(c,d) P(1, 2) cùng thuộc (0, 5 ) Bài 3: CMR: 2 4 )1(...21 2 2222 n n nnnn HD: Vẽ đường tròn đơn vị (O,1) Chia OB thành n phần bằng nhau nn BBBBOB 1211 ... Dựng (n-1) hình chữ nhật từ B1; B2; ; Bn có cạnh bằng n 1 Có cạnh 'ii BB S là tổng diện tích của (n-1) hình chữ nhật đó thì S< SquạtAOB= 4 Bài 4: Cho x, y, z tùy ý Cmr 222222 zyzyzxzxyxyx HD: Xét đpcmBCACABDo zy CzyBz y xA )0; 22 ( ); 2 3 2 3 ;0( ); 2 3 ; 2 ( Bài 5: Cho x+2y+3z=2. Chứng minh rằng 10213121 222 zyx HD: Xét A(1, x); B(3, x+2y); C(6, x+2y+3z) thì điều phải chứng minh tương đương với OCBCABOA III. Dùng biểu diễn miền nghiệm để cminh bất đẳng thức Ví dụ 1: Cho a, b, c, d thỏa mãn: (*) )(1236 1)1()1( 22 22 dcdc ba CMR: 6226 )12()()()12( dbca HD: 36)6()6( 1)1()1( (*) 22 22 dc ba Xét M(a, b) thuộc đường tròn O1(1, 1) bán kính R1=1 N(c, d) thuộc đường tròn O2(6, 6) bán kính R2=6 N2 Bất đẳng thức - ducduyspt 53 725725 )12()()()12()( 3223 MN dbcađpcm Ta có 21 ; ; OOO thẳng hàng và 2521 OO Nối 21 ; ; OOO cắt )O( 1 lần lượt tại M1; M2 và cắt )O( 2 lần lượt tai N1; N2 725725 )2()1( 21212121 212112 MN RROOMNRROO RROOMNNM Dấu “=” xảy ra ở 236 2 22 ;)2() 236 2 22 ;)1() 21 12 dc ba NNMMbdt dc ba NNMMbdt Ví dụ 2: Cho Ryx , thỏa mãn: (*) 0;0 93 22 yx yx yx . CMR: (1) 5984 2 35 22 yxyx HD: Trên mặt phẳng oxy lấy A(1, 0); B(0, 2); C(0, 3); D(9, 0); O1(2, 4) Tập hợp điểm M(x, y) thỏa mãn (*) là tứ giác ABCD A C D 4 O1 D y H Bất đẳng thức - ducduyspt 54 79 2 10 79)4()2( 2 5 )1( 1 22 MO yx HOMO 11 với 2 10 11 MOCDHO Dấu “=” xảy ra 2 5 , 2 3 MHM )0,9("" Có .7911 MOMDOMO Ví dụ 3: Cmr: (*) 1126cos4cos3cos2cos17 22 HD: Trên mặt phẳng oxy lấy điểm: 2cos10 )cos1,2();3,22( )cos1,22(');2,2();0,2( 10 MN NMM M chạy trên đoạn thẳng M0M1 Bất đẳng thức - ducduyspt 55 1cos)2( 2 1 cos)1( 11236;112;max 17 1122)cos2(2)cos1(17 cos2' 1122)cos2(2)cos1(17(*) 0 01 1100 22 )1( 22 MM MMONM ĐPCM MAXNMOMNMOMMNOM ONMNOM NN Bài tập đề nghị Bài 1: Cho: (*) )(617 0122 22 22 dcdc baba CMR: )1( 224)()(224 22 dbca HD: 1)3()3( 1)1()1( (*) 22 22 dc ba M(a, b) thuộc đường tròn tâm I(-1, -1) bán kính r=1 N(c, d) thuộc đường tròn tam J(3, 3) bán kính R=1 224224)1( MN Bài 2: Cho (*) 14222 baba CMR: 221221 ba y x N N’ M M0 22 M1 2 3 cos1 O Bất đẳng thức - ducduyspt 56 HD: 4)2()1((*) 22 ba M(a, b) thuộc đường tròn tâm I(1, -2) bán kính r=2 và xét đường thẳng y=a+b. Bài 3: Cho 042 02 082 xy yx xy cmr: 20 5 16 22 yx PHƯƠNG PHÁP 7: Phương pháp lượng giác I) Cơ sở lý thuyết 1) Nếu 1x thì đặt x=cos , ,0 hoặc x=sin , 2 , 2 2) Nếu Rx hoặc trong bất đẳng thức có chứa 22 xR thì đặt 2 , 2 ,sin ,0,cos Rx Rx 3) Nếu 1x thì đặt 2 3 , 2 ,0, cos 1 x 4) Nếu Rx >0 hoặc bài toán có chứa biểu thức 22 Rx thì đặt ,0, sin 2 3 , 2 ,0, cos R x R x 5) Nếu )0(222 RRyx thì đặt 2,0),0( sin cos R Ry Rx 6) Nếu 0222 RRbyax thì đặt 2,0, sin cos Rby Rax 7) Nếu 0,,22 2 2 2 RbaR b y a x thì đặt 2,0, sin cos Rby Rax 8) Nếu 0,,2 22 RbaR b y a x thì đặt 2,0 sin cos Rby Rax 9) Nếu 0,12 2 2 2 ba b y a x thì đặt 2,0,10 sin cos R Rby Rax 10) Nếu trong bài toán xuất hiện biểu thức x2+R2 thì đặt 2 , 2 ,tan Rx Bất đẳng thức - ducduyspt 57 11) Nếu trong bài toán xuất hiện biểu thức (ax)2+b2 (a,b>0) tì đặt 2 , 2 ,tan a b x 12) Nếu trong bài toán chỉ xuất hiện x không ràng buộc điều kiện thì ta cũng có khi đặt 2 , 2 ,tan x 13) Nếu trong bài toán xuất hiện một hay nhiều biểu thức dạng ... 31 3 , 1 2 , 1 1 , 1 2 , 1 , 1 2 3 22 2 2 a aa a a
File đính kèm:
- Cac_bai_Luyen_tap.pdf