Chuyên đề: Bất đẳng thức

Chuyên đề : Bất đẳng thức Tác giả : Nguyễn Văn Thủy su tập và biên soạn năm 2000 chỉnh sửa năm :2007 Bác tặng cháu - chúc cháu thành công A- Mở đầu: Bất đẳng thức là một trong những mảng kiến thức khó nhất của toán học phổ thông . Nhng thông qua các bài tập về chứng minh bất đẳng thức học sinh hiểu kỹ và sâu sắc hơn về giải và biện luận phơng trình , bất phơng trình ,về mối liên hệ giữa các yếu tố của tam giác về tìm giá trị lớn nhất và nhỏ nhất của một biểu thức. Trong quá trình giải bài tập , năng lực suy nghĩ , sáng tạo của học sinh đợc phat triển đa dang và phong phú vì các bài tập về bất đẳng thức có cách giải không theo quy tắc hoặc khuôn mẫu nào cả. Nó đòi hỏi ngời đọc phải có cách suy nghĩ lôgic sáng tạo biết kết hợp kiến thức cũ với kiến thức mới một cách lôgíc có hệ thống. Cũng vì toán về bất đẳng thức không có cách giải mẫu , không theo một phơng pháp nhất định nên học sinh rât lúng túng khi giải toán về bất đẳng thức vì vậy học sinh sẽ không biết bắt đầu từ đâu và đi theo hơng nào .Do đó hầu hết học sinh không biết làm toán về bất đẳng thứcvà không biết vận dụng bất đẳng thức để giải quyết các loại bài tập khác. Trong thực tế giảng dạy toán ở trờng THCS việc làm cho học sinh biết chứng minh bất đẳng thức và vận dụng các bất đẳng thức vào giải các bài tập có liên quan là công việc rất quan trọngvà không thể thiếu đợc của ngời dạy toán ,thông qua đó rèn luyện T duy lôgic và khả năng sáng tạo cho học sinh .Để làm đợc điều đó ngời thầy giáo phải cung cấp cho học sinh một số kiến thức cơ bản và một số phơng pháp suy nghĩ ban đầu về bất đẳng thức . Chính vì lí do trên nên tôi tự tham khảo biên soạn chuyên đề bất đẳng thức nhằm mục đích giúp học sinh học tốt hơn. 1 Danh mục của chuyên đề S.t.t Nội dung trang 1. Phần mở đầu 1 2. Nội dung chuyên đề 2 3. Các kiến thức cần lu ý 3 4. Các phơng pháp chứng minh bát đẳng thức 4 5. Phơng pháp 1:dùng định nghiã 4 6. Phơng pháp 2:dùng biến đổi tơng đơng 6 7. Phơng pháp 3:dùng bất đẳng thức quen thuộc 8 8. Phơng pháp 4:dùng tính chất bắc cầu 10 9. Phơng pháp 5: dùng tính chấtbủa tỷ số 12 10. Phơng pháp 6: dùng phơng pháp làm trội 14 11. Phơng pháp 7: dùmg bát đẳng thức tam giác 16 12. Phơng pháp 8: dùng đổi biến 17 13. Phơng pháp 9: Dùng tam thức bậc hai 18 14. Phơng pháp 10: Dùng quy nạp toán học 19 15. Phơng pháp 11: Dùng chứng minh phản chứng 21 16. Các bài tập nâng cao 23 17. ứng dụng của bất dẳng thức 28 18. Dùng bất đẳng thức để tìm cực trị 29 19. Dùng bất đẳng thức để: giải phơng trình hệ phơng trình 31 20. Dùng bất đẳng thức để : giải phơng trình nghiệm nguyên 33 21. Tài liệu tham khảo 2 B- nội dung Phần 1 : các kiến thức cần lu ý 1- Định nghĩa 2- Tính chất 3-Một số hằng bất đẳng thức hay dùng Phần 2:một số phơng pháp chứng minh bất đẳng thức 1-Phơng pháp dùng định nghĩa 2- Phơng pháp dùng biến đổi tơng đơng 3- Phơng pháp dùng bất đẳng thức quen thuộc 4- Phơng pháp sử dụng tính chất bắc cầu 5- Phơng pháp dùng tính chất tỉ số 6- Phơng pháp làm trội 7- Phơng pháp dùng bất đẳng thức trong tam giác 8- Phơng pháp đổi biến số 9- Phơng pháp dùng tam thức bậc hai 10- Phơng pháp quy nạp 11- Phơng pháp phản chứng Phần 3 :các bài tập nâng cao PHầN 4 : ứng dụng của bất đẳng thức 1- Dùng bất đẳng thức để tìm cực trị 2-Dùng bất đẳng thức để giải phơng trình và bất phơng trình 3-Dùng bất đẳng thức giải phơng trình nghiệm nguyên 3 Phần I : các kiến thức cần lu ý 1-Đinhnghĩa 0 0 A B A B A B A B 2-tính chất + A>B AB < + A>B và B >C CA > + A>B A+C >B + C + A>B và C > D A+C > B + D + A>B và C > 0 A.C > B.C + A>B và C < 0 A.C < B.C + 0 < A < B và 0 < C <D 0 < A.C < B.D + A > B > 0 A n > B n n + A > B A n > B n với n lẻ + A > B A n > B n với n chẵn + m > n > 0 và A > 1 A m > A n + m > n > 0 và 0 <A < 1 A m < A n +A < B và A.B > 0 BA 11 > 3-một số hằng bất đẳng thức + A 2 0 với A ( dấu = xảy ra khi A = 0 ) + A n 0 với A ( dấu = xảy ra khi A = 0 ) + 0 A với A (dấu = xảy ra khi A = 0 ) + - A < A = A + A B A B+ + ( dấu = xảy ra khi A.B > 0) + BABA ( dấu = xảy ra khi A.B < 0) 4 Phần II : một số phơng pháp chứng minh bất đẳng thức Ph ơng pháp 1 : dùng định nghĩa Kiến thức : Để chứng minh A > B Ta chứng minh A B > 0 Lu ý dùng hằng bất đẳng thức M 2 0 với M Ví dụ 1 x, y, z chứng minh rằng : a) x 2 + y 2 + z 2 xy+ yz + zx b) x 2 + y 2 + z 2 2xy 2xz + 2yz c) x 2 + y 2 + z 2 +3 2 (x + y + z) Giải: a) Ta xét hiệu x 2 + y 2 + z 2 - xy yz - zx = 2 1 .2 .( x 2 + y 2 + z 2 - xy yz zx) = 2 1 [ ] 0)()()( 222 ++ zyzxyx đúng với mọi x;y;z R Vì (x-y) 2 0 vớix ; y Dấu bằng xảy ra khi x=y (x-z) 2 0 vớix ; z Dấu bằng xảy ra khi x=z (y-z) 2 0 với z; y Dấu bằng xảy ra khi z=y Vậy x 2 + y 2 + z 2 xy+ yz + zx Dấu bằng xảy ra khi x = y =z b)Ta xét hiệu x 2 + y 2 + z 2 - ( 2xy 2xz +2yz ) = x 2 + y 2 + z 2 - 2xy +2xz 2yz =( x y + z) 2 0 đúng với mọi x;y;z R Vậy x 2 + y 2 + z 2 2xy 2xz + 2yz đúng với mọi x;y;z R Dấu bằng xảy ra khi x+y=z c) Ta xét hiệu x 2 + y 2 + z 2 +3 2( x+ y +z ) = x 2 - 2x + 1 + y 2 -2y +1 + z 2 -2z +1 = (x-1) 2 + (y-1) 2 +(z-1) 2 0 Dấu(=)xảy ra khi x=y=z=1 Ví dụ 2: chứng minh rằng : a) 2 22 22 + + baba ;b) 2 222 33 ++ ++ cbacba c) Hãy tổng quát bài toán 5 giải a) Ta xét hiệu 2 22 22 + + baba = ( ) 4 2 4 2 2222 bababa ++ + = ( ) abbaba 222 4 1 2222 + = ( ) 0 4 1 2 ba Vậy 2 22 22 + + baba Dấu bằng xảy ra khi a=b b)Ta xét hiệu 2 222 33 ++ ++ cbacba = ( ) ( ) ( ) [ ] 0 9 1 222 ++ accbba Vậy 2 222 33 ++ ++ cbacba Dấu bằng xảy ra khi a = b =c c)Tổng quát 2 21 22 2 2 1 +++ +++ n aaa n aaa nn Tóm lại các bớc để chứng minh A B tho định nghĩa Bớc 1: Ta xét hiệu H = A - B Bớc 2:Biến đổi H=(C+D) 2 hoặc H=(C+D) 2 + .+(E+F) 2 Bớc 3:Kết luận A B Ví dụ:(chuyên Nga- Pháp 98-99) Chứng minh m,n,p,q ta đều có m 2 + n 2 + p 2 + q 2 +1 m(n+p+q+1) Giải: 01 4444 2 2 2 2 2 2 2 ++ ++ ++ + m m qmq m pmp m nmn m 01 2222 2222 + + + m q m p m n m (luôn đúng) 6 DÊu b»ng x¶y ra khi            =− =− =− =− 01 2 0 2 0 2 0 2 m q m p m n m ⇔          = = = = 2 2 2 2 m m q m p m n ⇔    === = 1 2 qpn m Bµi tËp bæ xung 7 phơng pháp 2 : Dùng phép biến đổi tơng đơng L u ý: Ta biến đổi bất đẳng thức cần chứng minh tơng đơng với bất đẳng thức đúng hoặc bất đẳng thức đã đợc chứng minh là đúng. Chú ý các hằng đẳng thức sau: ( ) 22 2 2 BABABA ++=+ ( ) BCACABCBACBA 222 222 2 +++++=++ ( ) 3223 3 33 BABBAABA +++=+ Ví dụ 1: Cho a, b, c, d,e là các số thực chứng minh rằng a) ab b a + 4 2 2 b) baabba ++++ 1 22 c) ( ) edcbaedcba +++++++ 22222 Giải: a) ab b a + 4 2 2 abba 44 22 + 044 22 + baa ( ) 02 2 ba (bất đẳng thức này luôn đúng) Vậy ab b a + 4 2 2 (dấu bằng xảy ra khi 2a=b) b) baabba ++++ 1 22 ) )(21(2 22 baabba ++>++ 012122 2222 +++++ bbaababa 0)1()1()( 222 ++ baba Bất đẳng thức cuối đúng. Vậy baabba ++++ 1 22 Dấu bằng xảy ra khi a=b=1 c) ( ) edcbaedcba +++++++ 22222 ( ) ( ) edcbaedcba +++++++ 44 22222 ( ) ( ) ( ) ( ) 044444444 22222222 +++++++ cacadadacacababa ( ) ( ) ( ) ( ) 02222 2222 +++ cadacaba Bất đẳng thức đúng vậy ta có điều phải chứng minh Ví dụ 2: Chứng minh rằng: ( )( ) ( )( ) 4488221010 babababa ++++ Giải: ( )( ) ( )( ) 4488221010 babababa ++++ 128448121210221012 bbabaabbabaa ++++++ ( ) ( ) 0 22822228 + abbababa a 2 b 2 (a 2 -b 2 )(a 6 -b 6 ) 0 a 2 b 2 (a 2 -b 2 ) 2 (a 4 + a 2 b 2 +b 4 ) 0 Bất đẳng thứccuối đúng vậy ta có điều phải chứng minh Ví dụ 3: cho x.y =1 và x.y Chứng minh yx yx + 22 22 8 Giải: yx yx + 22 22 vì :x y nên x- y 0 x 2 +y 2 22 ( x-y) x 2 +y 2 - 22 x+ 22 y 0 x 2 +y 2 +2- 22 x+ 22 y -2 0 x 2 +y 2 +( 2 ) 2 - 22 x+ 22 y -2xy 0 vì x.y=1 nên 2.x.y=2 (x-y- 2 ) 2 0 Điều này luôn luôn đúng . Vậy ta có điều phải chứng minh Ví dụ 4: 1)CM: P(x,y)= 01269 222 ++ yxyyyx Ryx , 2)CM: cbacba ++++ 222 (gợi ý :bình phơng 2 vế) 3)choba số thực khác không x, y, z thỏa mãn: ++<++ = zyx zyx zyx 111 1 Chứng minh rằng :có đúng một trong ba số x,y,z lớn hơn 1 (đề thi Lam Sơn 96-97) Giải: Xét (x-1)(y-1)(z-1)=xyz+(xy+yz+zx)+x+y+z-1 =(xyz-1)+(x+y+z)-xyz( zyx 111 ++ )=x+y+z - ( 0) 111 >++ zyx (vì zyx 111 ++ < x+y+z theo gt) 2 trong 3 số x-1 , y-1 , z-1 âm hoặc cả ba sỗ-1 , y-1, z-1 là dơng. Nếủ trờng hợp sau xảy ra thì x, y, z >1 x.y.z>1 Mâu thuẫn gt x.y.z=1 bắt buộc phải xảy ra trờng hợp trên tức là có đúng 1 trong ba số x ,y ,z là số lớn hơn 1 Ph ơng pháp 3 : dùng bất đẳng thức quen thuộc A/ một số bất đẳng thức hay dùng 1) Các bất đẳng thức phụ: 9 a) xyyx 2 22 + b) xyyx + 22 dấu( = ) khi x = y = 0 c) ( ) xyyx 4 2 + d) 2 + a b b a 2)Bất đẳng thức Cô sy: n n n aaaa n aaaa 321 321 ++++ Với 0 > i a 3)Bất đẳng thức Bunhiacopski ( ) ( ) ( ) 2 2211 22 2 2 1 22 2 2 2 . nnnn xaxaxaxxaaa +++++++++ 4) Bất đẳng thức Trê- b-sép: Nếu CBA cba 3 . 33 CBAcbacCbBaA ++++ ++ Nếu CBA cba 3 . 33 CBAcbacCbBaA ++++ ++ Dấu bằng xảy ra khi == == CBA cba b/ các ví dụ ví dụ 1 Cho a, b ,c là các số không âm chứng minh rằng (a+b)(b+c)(c+a) 8abc Giải: Cách 1:Dùng bất đẳng thức phụ: ( ) xyyx 4 2 + Tacó ( ) abba 4 2 + ; ( ) bccb 4 2 + ; ( ) acac 4 2 + ( ) 2 ba + ( ) 2 cb + ( ) 2 ac + ( ) 2 222 864 abccba = (a+b)(b+c)(c+a) 8abc Dấu = xảy ra khi a = b = c ví dụ 2(tự giải): 1)Cho a,b,c>0 và a+b+c=1 CMR: 9 111 ++ cba (403-1001) 2)Cho x,y,z>0 và x+y+z=1 CMR:x+2y+z )1)(1)(1(4 zyx 3)Cho a>0 , b>0, c>0 CMR: 2 3 + + + + + ba c ac b cb a 4)Cho x 0 ,y 0 thỏa mãn 12 = yx ;CMR: x+y 5 1 ví dụ 3: Cho a>b>c>0 và 1 222 =++ cba chứng minh rằng 3 3 3 1 2 a b c b c a c a b + + + + + Giải: 10 [...]... Chứng minh rằng có ít nhất một trong các bất đẳng thức sau là sai: , c 2 < 4d a 2 < 4b Giải : Giả sử 2 bất đẳng thức : a 2 < 4b , c 2 < 4d đều đúng khi đó cộng các vế ta đợc a 2 + c 2 < 4(b + d ) (1) Theo giả thiết ta có 4(b+d) 2ac (2) Từ (1) và (2) a 2 + c 2 < 2ac hay ( a c ) 2 < 0 (vô lý) Vậy trong 2 bất đẳng thức a 2 < 4b và c 2 < 4d có ít nhất một các bất đẳng thức sai Ví dụ 3: Cho x,y,z > 0 và xyz... Giải: Bất đẳng thức cần chứng minh tơng đơng với ( ) x 2 y 4 + 2 x 2 + 2 y 2 + 4 xy + x 2 4 xy 3 > 0 ( y +1) x + 4 y (1 y ) x + 4 y 2 > 0 2 2 2 2 Ta có = 4 y 2 (1 y 2 ) 2 4 y 2 ( y 2 +1) 2 = 16 y 2 < 0 Vì a = ( y 2 +1) 2 > 0 vậy f ( x, y ) > 0 (đpcm) Phơng pháp 10: dùng quy nạp toán học Kiến thức: Để chứng minh bất đẳng thức đúng với n > n0 ta thực hiện các bớc sau : 1 Kiểm tra bất đẳng thức. .. ( a k b k ).( a b ) 0 Phơng pháp 11: Chứng minh phản chứng Lu ý: 1) Giả sử phải chứng minh bất đẳng thức nào đó đúng , ta hãy giả sử bất đẳng thức đó sai và kết hợp với các giả thiết để suy ra điều vô lý , điều vô lý có thể là điều trái với giả thiết , có thể là điều trái ngợc nhau Từ đó suy ra bất đẳng thức cần chứng minh là đúng 2) Giả sử ta phải chứng minh luận đề G K phép toán mệnh đề cho ta... a,b,c,d bất kỳ chứng minh rằng: (a + c ) 2 + (b + d ) 2 a 2 + b 2 + c 2 + d 2 Giải: Dùng bất đẳng thức Bunhiacopski tacó ac+bd a 2 + b 2 c 2 + d 2 mà ( a + c ) 2 + ( b + d ) 2 = a 2 + b 2 + 2( ac + bd ) + c 2 + d 2 (a 2 + b 2 ) + 2 a 2 + b 2 c 2 + d 2 + c 2 + d 2 (a + c ) 2 + (b + d ) 2 a 2 + b 2 + c 2 + d 2 ví dụ 6: Chứng minh rằng a 2 + b 2 + c 2 ab + bc + ac Giải: Dùng bất đẳng thức Bunhiacopski... ) 6 x y x z y z y x đẳng thức cuối cùng đúng vì ( x + y 2; Bất chứng minh z y z x + 2 nên + 2; y z x z ta có điều phải Ví dụ2: Cho a,b,c > 0 và a+b+c 0 Theo bất đẳng thức Côsi ta có x + y... Đạt giá trị lớn nhất khi c d c d a b 1 Vậy giá trị lớn nhất của + =999+ khi a=d=1; c=b=999 c d 999 a, Nếu :b 998 thì d= 1; c=999 Phơng pháp 6: Phơng pháplàm trội Lu ý: Dùng các tính bất đẳng thức để đa một vế của bất đẳng thức về dạng tính đợc tổng hữu hạn hoặc tích hữu hạn (*) Phơng pháp chung để tính tổng hữu hạn : S = u1 + u2 + + un Ta cố gắng biến đổi số hạng tổng quát u k về hiệu của hai số hạng... 2 2 ) ( 1 > 2 n +1 n n ) Cộng từng vế các bất đẳng thức trên ta có 16 ) 1 1 1 + + + >2 2 3 n 1+ ( ) n + 1 1 Ví dụ 3 : Chứng minh rằng n 1 k k =1 2 a 2 (b c) 2 > 0 b > a-c b 2 > b 2 (c a ) 2 > 0 c > a-b c 2 > c 2 ( a b) 2 > 0 Nhân vế các bất đẳng thức ta đợc 2 2 2 a 2b 2 c 2 > [a 2 ( b c ) ][b 2 ( c a ) ][c 2 ( a b ) ] 2 2 2 a 2b 2 c 2 > ( a + b ... (đpcm) b) Ta có 1+ 1 1 1 1 1 1 + + + < 1+ + + + 1.2 1.2.3 1.2.3 n 1.2 1.2.3 ( n 1) n 1 1 1 1 1 1 ữ < 2 < 2 (đpcm) < 1 + 1 ữ+ ữ+ + 2 2 3 n 1 n n 29 Phần iv : ứng dụng của bất đẳng thức 1/ dùng bất đẳng thức để tìm cc trị Lu ý - Nếu f(x) A thì f(x) có giá trị nhỏ nhất là A - Nếu f(x) B thì f(x) có giá trị lớn nhất là B Ví dụ 1 : Tìm giá trị nhỏ nhất của : T = |x-1| + |x-2| +|x-3| + |x-4|... 2 > b 3 Từ (1) và (2) 1+ a 2 b 2 > a 3 + b 3 Vậy a 3 + b 3 < 1+ a 2 b 2 12 Tơng tự b 3 + c 3 1 + b 2 c c 3 + a3 1 + c2a Cộng các bất đẳng thức ta có : 2a 3 + 2b 3 + 2c 3 3 + a 2 b + b 2 c + c 2 a b)Chứng minh rằng : Nếu a 2 + b 2 = c 2 + d 2 = 1998 thì ac+bd =1998 (Chuyên Anh 98 99) Giải: 2 Ta có (ac + bd) + (ad bc ) 2 = a 2 c 2 + b 2 d 2 + 2abcd + a 2 d 2 + b 2 c 2 - 2abcd = = a2(c2+d2)+b2(c2+d2) . ứng dụng của bất đẳng thức 1- Dùng bất đẳng thức để tìm cực trị 2-Dùng bất đẳng thức để giải phơng trình và bất phơng trình 3-Dùng bất đẳng thức giải phơng. dụng của bất dẳng thức 28 18. Dùng bất đẳng thức để tìm cực trị 29 19. Dùng bất đẳng thức để: giải phơng trình hệ phơng trình 31 20. Dùng bất đẳng thức để