Đã có rất nhiều tác giả, nhiều tài liệu đề cập về bất đẳng thức; hôm nay, trong khuôn khổ của một buổi sinh hoạt chuyên môn cụm 6, chúng tôi xin được phép giới thiệu lại một số bất đẳng [r]
(1)TỔ TOÁN - TIN , TRƯỜNG THPT CHUYÊN NGUYỄN BỈNH KHIÊM QUẢNG NAM - THAM LUẬN MỘT SỐ BẤT ĐẲNG THỨC ĐẠI SỐ và BÀI TOÁN GTLN & GTNN CỦA BIỂU THỨC ĐẠI SỐ TRONG CÁC ĐỀ THI CĐ - ĐH Bất đẳng thức là mảng kiến thức khó toán học phổ thông, nó thường xuyên xuất các đề thi HSG thi tuyển sinh CĐ - ĐH Đã có nhiều tác giả, nhiều tài liệu đề cập bất đẳng thức; hôm nay, khuôn khổ buổi sinh hoạt chuyên môn cụm 6, chúng tôi xin phép giới thiệu lại số bất đẳng thức và bài toán GTLN & GTNN số biểu thức đại số đã thi tương tự với các dạng đề thi CĐ - ĐH năm vừa qua I Dạng sử dụng bất đẳng thức Cauchy (AM - GM) cho số : a+b ab ; đẳng thức xảy và : a = b a, b : 1 Ví dụ : Cho a, b, c là các số dương thỏa : + + = a b c 1 + + Chứng minh : 2a + b + c a + 2b + c a + b + 2c (TSĐH - Khối A - Năm 2005) x+y 11 1 Nhận xét : Với x, y > 0, ta có 4xy ≤ (x + y)2 + x+y 4xy x+y 4 x y Dấu (=) xảy a = b Áp dụng kết trên, ta có : 1 1 1 11 1 + + + = + + 2a + b + c 2a b + c 2a 4b c a 2b 2c (1) 1 1 + + Tương tự : (2) a + 2b + c 2a b 2c 1 1 1 + + (3) a + b + 2c 2a 2b c 1 11 1 + + Từ (1), (2) và (3) suy : + + =1 2a + b + c a + 2b + c a + b + 2c 4a b c a = b = c a=b=c= Dấu (=) xảy 1 a + b + c = 1 + + = Tìm GTNN biểu thức : Ví dụ : Cho x, y, z là các số dương thỏa : x y z P=x+y+z 1 9 Ta có :P = x + y + z = (x + y + z) + + y z x 4x y 9x z 9y 4z = 14 + + + + + + x z x z y y 4x y 9x z 9y 4z = 14 + + + 12 = 36 14 + +2 +2 y x z x z y -Lop12.net Một số Bất Đẳng Thức đại số và bài toán GTLN & GTNN biểu thức đại số các đề thi CĐ - ĐH 96 (2) TỔ TOÁN - TIN , TRƯỜNG THPT CHUYÊN NGUYỄN BỈNH KHIÊM QUẢNG NAM - 1 x = x + y + z = Dấu (=) xảy y = 12 4x = y , 9x = z , 9y = 4z z = 18 y x z x z y Vậy : Pmin = 36 x = 6, y = 12, z = 18 Bài tập tương tự : Cho a, b, c là độ dài cạnh tam giác Chứng minh : 4a 9b 16c + + 26 b+c-a c+a-b a+b-c Cho x, y, z > và thỏa : xyz = Tìm GTNN biểu thức : yz zx xy P= + + 2 x y+x z y z+y x z x + z2 y Hướng dẫn : y+z z+x x+y ,b= ,c= 1. Đặt : x = b + c - a, y = c + a - b, z = a + b - c (x, y, z > 0) a = 2 Khi đó : 4(y + z) 9(z + x) 16(x + y) 4y 9x 4z 16x 9z 16y 2(VT) = + + = + + + + + x y z y x z y z x Áp dụng bđt Cosi , (đpcm) a2 b2 c2 + + 2. Đặt : a = yz , b = zx , c = xy (a, b, c > và abc = 1) P = b+c c+a a+b a2 b+c a2 b + c + =a, b+c b+c b2 c+a c2 a+b + b , + c tương tự : c+a a+b 3 Cộng bđt trên vế theo vế, suy : P Kết luận : MinP = x=y=z=1 2 Áp dụng bđt Cosi , ta có : II Dạng sử dụng bất đẳng thức Cauchy (AM - GM) cho số : a+b+c abc ; đẳng thức xảy và : a = b = c a, b, c : Ví dụ : Cho a, b, c là các số dương thỏa : abc = Chứng minh : + a + b3 + ab + b + c3 + c3 + a + 3 bc ca (TSĐH - Khối D - Năm 2005) Tacó : + a + b3 3 1.a b3 = 3ab + a + b3 + b + c3 + c3 + a , bc ca bc Cộng bất đẳng thức trên vế theo vế , ta có : Tương tự : + a + b3 + ab + b + c3 + c3 + a + bc ca ab + a + b3 ab ab ca 3 + ab 1 + bc ca (1) -Lop12.net Một số Bất Đẳng Thức đại số và bài toán GTLN & GTNN biểu thức đại số các đề thi CĐ - ĐH 97 (3) TỔ TOÁN - TIN , TRƯỜNG THPT CHUYÊN NGUYỄN BỈNH KHIÊM QUẢNG NAM - + ab Lại có : 1 + 33 bc ca (abc) = 3 = , vì abc = abc (2) Từ (1) và (2) suy : (đpcm) Dấu (=) xảy a = b = c = Ví dụ : Cho x, y, z là các số dương thay đổi Tìm GTNN biểu thức : x z y P = x + + y + + z + yz zx xy 2 2 2 x2 y2 z2 x + y2 + z2 + + + Ta có : P = 2 xyz ≥ x2 x2 y2 z2 xy + yz + zx y2 z2 1 + + + = + + + + + 2 xyz x y z x2 x2 1 x2 1 + = + + 33 = x 2x 2x 2x 2x 2 y z + ; + Tương tự : y 2 z Suy : P ≥ Dấu (=) xảy x = y = z = Vậy : Pmin = x = y = z = Bài tập tương tự : Cho a, b, c > và thỏa a + b + c = Chứng minh : 1 1 + + + 30 2 a +b +c ab bc ca Cho x, y, z > và thỏa : x + y + z ≥ Tìm GTNN biểu thức : x3 y3 z3 P= + + y+z z+x x+y Hướng dẫn : 1 1 + + + + Ta có : (VT) = 2 2 a +b +c ab bc ca a +b +c ab.bc.ca + = 2 a +b +c ab + bc + ca 1 = + + + 2 ab + bc + ca ab + bc + ca ab + bc + ca a +b +c Ngoài : 21 + (a + b + c ) + (ab + bc + ca) + (ab + bc + ca) 3(ab + bc + ca) 21 30 + 30 2 (a + b + c) (a + b + c) (a + b + c) 2 2 Áp dụng bđt Cosi , ta có : x3 y+z + + 3x , y+z y3 z+x z3 x+y + + 3y , + + 3z z+x x+y -Lop12.net Một số Bất Đẳng Thức đại số và bài toán GTLN & GTNN biểu thức đại số các đề thi CĐ - ĐH 98 (4) TỔ TOÁN - TIN , TRƯỜNG THPT CHUYÊN NGUYỄN BỈNH KHIÊM QUẢNG NAM Cộng bđt trên vế theo vế, suy : P 2(x + y + z) - 2.6 - = Kết luận : MinP = x = y = z = III Dạng sử dụng bất đẳng thức Bunhiacopski (BCS) : a, b, c, d R : (ac + bd) (a + b ).(c + d ) hay ac + bd đẳng thức xảy và : (a + b ).(c + d ) ; a b = c d Ví dụ : Cho a, b, c là các số dương thỏa : abc = 1 1 + + Chứng minh : P = a (b + c) b (c + a) c (a + b) 1 Cách 1: Đặt x = , y = , z = thì x, y, z > và xyz = a b c x y z ( BĐT Nesbit) BĐT cần chứng minh tương đương: yz zx x y 1 ( x y z) yz zx x y 1 ( y z ) ( z x) ( x y ) 9 yz zx xz BĐT BCS ta có :9 = (1 + + 1)2 = y z zx yz x y zx x y 1 ( y z ) ( z x) ( x y ) yz zx x y Dấu (=) xảy x = y = z = a = b = c = 1 1 1 Cách 2: Ta có + + = b+c + c+a + a+b b c b c+a c a+b a a b+c 1 + + b + c + c + a + a + b = 2(a + b + c).P b (c + a) c (a + b) a (b + c) 2 1 1 1 Suy P ≥ + + a+b+c a b c 1 a+b+c + + = = a + b + c ab bc ca a + b + c abc Dấu (=) xảy a = b = c = Ví dụ : Cho x, y, z là các số dương thay đổi thỏa điều kiện xyz = Tìm GTNN biểu thức : x (y + z) y (z + x) z (x + y) P= + + y y + 2z z z z + 2x x x x + 2y y (TSĐH - Khối A - Năm 2007) Nhận xét y, z > : y + z yz = (vì xyz = 1) x x (y + z) 2x x x (y + z) 2x x y y + 2z z y y + 2z z -Lop12.net Một số Bất Đẳng Thức đại số và bài toán GTLN & GTNN biểu thức đại số các đề thi CĐ - ĐH 99 (5) TỔ TOÁN - TIN , TRƯỜNG THPT CHUYÊN NGUYỄN BỈNH KHIÊM QUẢNG NAM - Xét hai bất đẳng thức tương tự nữa, ta thu y y x x z z P 2 + + y y + 2z z z z + 2x x x x + 2y y Đặt a = x x , b = y y , c = z z a, b, c > và abc = b c a + + Khi đó : P = 2S c + 2a a + 2b b + 2c Ta có : a + b + c (a + b + c)2 a b c = a(b + 2c) + b(c + 2a) + c(a + 2b) b + 2c c + 2a a + 2b b c a a(b + 2c) + b(c + 2a) + c(a + 2b) + + c + 2a a + 2b b + 2c ≤ 3(ab + bc + ca).S Suy S a + b + c 2 3(ab + bc + ca) Do đó : P ≥ Dấu (=) xảy a = b = c = x = y = z = Vậy : Pmin = x = y = z = Bài tập tương tự : Cho a, b, c > và thỏa : a + b + c + 2abc ≥ 10 Chứng minh : 9b c2a + + + a2 9c a 2b2 9a b2c2 + + + + + 6 b2 c2 3x 4y 5z + + Cho x, y, z > Tìm GTNN biểu thức : P = y+z z+x x+y Hướng dẫn : 1. Áp dụng bđt BCS, ta có : + 18 + 24 9b c2a 2 3b ca + + + + = + 9b + ca a a a 9c a 2b2 + + + 9c + ab , b b Cộng bđt trên vế theo vế, suy : 9a c2 b2 + + + 9a + bc c c 1 1 24.(VT) + + + 9(a + b + c) + ab + bc + ca b c a 24 4 + a + a a + a 4 4 + b + + c + (2a + bc) + (2b + ca) + (2c + ab) + 6(a + b + c) b c 4 b + c + 2abc + 2abc + 2abc + 6(a + b + c) b c 72 = 12 + 6(a + b + c + 2abc) 12 + 6.10 = 72 (VT) =6 24 3x 4y 5z 2. Ta có : P = + 3 + + 4 + + - 12 x+y y+z z+x = x + y + z + + - 12 z+x x+y y+z -Lop12.net Một số Bất Đẳng Thức đại số và bài toán GTLN & GTNN biểu thức đại số các đề thi CĐ - ĐH 100 (6) TỔ TOÁN - TIN , TRƯỜNG THPT CHUYÊN NGUYỄN BỈNH KHIÊM QUẢNG NAM - = x+y + y+x + z+x 2 + z+x y + z + x+y - 12 ( + + 5) - 12 y+z z+x x+y = = ( + + 5) - 12 Kết luận : MinP = 2 IV Dạng sử dụng tính chất hàm số - phương pháp hàm số : Cho hàm số f(x) xác định trên K (K là khoảng, đoạn nửa khoảng) Hàm số f(x) gọi là đồng biến trên K : x1, x2 K , x1 < x2 f(x1) < f(x2) Hàm số f(x) gọi là nghịch biến trên K : x1, x2 K , x1 < x2 f(x1) > f(x2) Cho hàm số f(x) có đạo hàm trên khoảng K Nếu f ’(x) ≥ , x K (hoặc f ’(x) ≤ , x K ) và f ’(x) = số hữu hạn điểm K thì hàm số f(x) đồng biến (hoặc nghịch biến) trên K Lưu ý : Khoảng K kết này thay đoạn nửa khoảng thì phải bổ sung giả thiết “Hàm số f(x) này liên tục trên đoạn nửa khoảng đó” Ví dụ : Cho a, b là các số thực thỏa mãn : < a < b < Chứng minh : a lnb - b lna > lna - lnb (TSCĐ - Khối A, B, D - Năm 2009) lna lnb < Ta có : (đpcm) (1 + b ).lna < (1 + a ).lnb a +1 b +1 x + - 2x lnx lnx > , x (0; 1) Xét hàm số : f(x) = với < x < f ' (x) = x(x + 1) x +1 f(x) là hàm số luôn đồng biến trên khoảng (0; 1) lna lnb < Khi đó : < a < b < f(a) < f(b) a +1 b +1 Ví dụ : Cho a ≥ b > Chứng minh : 2a + a Ta có : (đpcm) 4 a + 1 b 4 b + 1 a b a 2b + b (TSĐH - Khối D- Năm 2007) a ln(4 + 1) ln(4b + 1) a b ln(1 + x ) Xét hàm số : f(x) = với x > x x ln4 x - (1 + x ).ln(1 + x ) < , x (0; +) f ' (x) = x (1 + x ) f(x) là hàm số luôn nghịch biến trên khoảng (0; + ) ln(4a + 1) ln(4b + 1) Khi đó : a ≥ b > f(a) ≤ f(b) a b a+b a-b > Ví dụ : Cho a > b > Chứng minh : lna - lnb Vì : a > b > lna > lnb lna - lnb > -Lop12.net Một số Bất Đẳng Thức đại số và bài toán GTLN & GTNN biểu thức đại số các đề thi CĐ - ĐH 101 (7) TỔ TOÁN - TIN , TRƯỜNG THPT CHUYÊN NGUYỄN BỈNH KHIÊM QUẢNG NAM - a -1 a-b a Ta có : (đpcm) lna - lnb > ln - b >0 a a+b b +1 b 2(x - 1) Xét hàm số : f(x) = lnx với x > x+1 (x - 1) = > , x (1; +) f ' (x) = x (x + 1) x(x + 1) f(x) là hàm số luôn đồng biến trên khoảng (1; + ) a -1 a a a b Khi đó : a > b > > f( ) > f(1) = ln - >0 a b b b +1 b Ví dụ 10 : Cho hai số thực x, y thay đổi cho : 2(x2 + y2) - xy = x + y4 Tìm GTNN và GTLN biểu thức : P = 2xy + 1 Nhận xét : = 2(x2 + y2) - xy ≥ 2.2xy - xy = 3xy xy ≤ 1 = 2(x2 + y2) - xy = 2.(x + y)2 - 5xy ≥ -5xy xy ≥ xy + - 2x y 4 2 2 x +y (x + y ) - 2x y -7(xy) + 2xy + Và : P = = = = 2xy + 2xy + 2xy + 8xy + 1 Khi đó, đặt : t = xy , đk : t ; 3 -7t + 2t + 1 Bài toán đưa tìm GTNN và GTLN hàm số : f(t) = với t ; 8t + 3 t = -1 (loai) 56t - 56t ' f ' (t) = ; f (t) = 56t 56t = t = (8t + 4) 2 f(- ) = , f( ) = , f(0) = 15 15 2 x + y = Vậy : Max P = Max f(t) = 1 ; 3 xy = 2 x + y2 = x + y2 = Min P = Min f(t) = 1 15 1 ; 3 xy = xy = Bài tập tương tự : -Lop12.net Một số Bất Đẳng Thức đại số và bài toán GTLN & GTNN biểu thức đại số các đề thi CĐ - ĐH 102 (8) TỔ TOÁN - TIN , TRƯỜNG THPT CHUYÊN NGUYỄN BỈNH KHIÊM QUẢNG NAM - a(b - 4) <a-b b(4 - a) Cho a, b thỏa mãn : a > b ≥ e Chứng minh : a b < b a Cho a, b thỏa mãn : a > b > Chứng minh : 5.lna - 4.lnb > ln(5a - 4b) Cho x, y ≥ thỏa : x + y = Tìm GTNN và GTLN biểu thức : P = (4x2 + 3y)(4y2 + 3x) + 25xy (TSĐH - Khối D- Năm 2009) Hướng dẫn : a b - a < ln -b Với : < a < b < Ta có : (đpcm) ln 4- a 4- b (x - 2) x , x (0; 4) và f’(x) = - x với < x < f ' (x) = Xét hàm số: f(x) = ln x(4 - x) 4-x x = f(x) là hàm số luôn đồng biến trên khoảng (0; 4) Khi đó : < a < b < f(a) < f(b) (đpcm) lna lnb < Với : a > b ≥ e Ta có : (đpcm) b.lna < a.lnb a b lnx lnx < , x (e; + ) mà f(x) liên tục trên Xét hàm số: f(x) = với x ≥ e f ' (x) = x x2 [e; +) f(x) là hàm số luôn nghịch biến trên khoảng [e; +) Khi đó : a > b ≥ e f(a) < f(b) (đpcm) Với : a > b > Ta có : (đpcm) Cho a, b thỏa mãn : < a < b < Chứng minh : ln a5 a5 a a ln > ln(5a - 4b) > 5a - 4b - + > b b b b a Đặt : x = , x > Xét hàm số: f(x) = x - 5x + với x > b Lập BBT, dễ dàng kết luận : f(x) > với x > , suy : (đpcm) Biến đổi : P = 16(xy)2 - 2xy + 12 1 Khi đó, đặt : t = xy , đk : t 0; 4 1 Bài toán đưa tìm GTNN và GTLN hàm số : f(t) = 16t - 2t + 12 với t 0; 4 f ' (t) = 32t - ; f ' (t) = t = 16 25 191 f(0) = 12 , f( ) = , f( ) = 16 16 x + y = 25 Vậy : Max P = Max f(t) = ; xy = 1 0; 4 x + y = 191 Min P = Min f(t) = 16 xy = 1 0; 4 16 V Dạng sử dụng miền giá trị để tìm GTLN & GTNN : -Lop12.net Một số Bất Đẳng Thức đại số và bài toán GTLN & GTNN biểu thức đại số các đề thi CĐ - ĐH 103 (9) TỔ TOÁN - TIN , TRƯỜNG THPT CHUYÊN NGUYỄN BỈNH KHIÊM QUẢNG NAM - Ví dụ 11 : Tìm giá trị lớn và giá trị nhỏ hàm số : y = 2sin x cos x sin x cos x HD: TXĐ: D = R 2sin x cos x y= (y – 2)sinx + (2y + 1)cosx = – 3y (1) sin x cos x Phương trình (1) có nghiệm và khi: 9y2 (y – 2)2 + (2y + 1)2 – 5 y 2 5 và miny = – 2 Ví dụ 12 : Cho hai số thực x, y thỏa mãn x2 + y2 = 2(x + y) + Tìm giá trị lớn , giá trị nhỏ biểu thức P = x( x 2) y ( y 2) Suy : maxy = x y 2( x y ) HD: Gọi T là tập giá trị P Ta có m T Hệ sau có nghiệm (I) x( x 2) y ( y 2) m + Đặt u = x( x 2) , v = y ( y 2) , ta có u = ( x 1) 1 , tương tự v – m3 u v3 (u v)3 3uv(u v) uv +Hệ (I) trở thành 3m (II) u v m u v m u v m m 7 (1) u, v là hai nghiệm phương trình t mt 3m +Hệ (I) có nghiệm Hệ (II) có nghiệm (u, v) thỏa u – 1và v – Phương trình (1) có nghiệm t1 , t2 thỏa – t1 t2 4(m3 7) 0 m m (t1 1) (t2 1) m m3 (t 1)(t 1) m 1 3m 0 m 28 m 28 m 2 m m Do đó T = [1, 28 ] Vậy minP = và maxP = 28 Ví dụ 13 : Cho x,y là các số thực thỏa mãn 3x2 + 2xy + y2 = 11 Tìm GTLN, GTNN biểu thức P = x2 + 2xy + 3y2 2 3 x xy y 11 HD:Gọi T là tập giá trị P Ta có m T Hệ sau có nghiệm (I) x xy y m y 11 y 11 +Nếu x = thì hệ trở thành m 33 3 y m 2 x (3 2t t ) 11 +Xét trường hợp x Đặt y = tx ta có hệ 2 x (1 2t 3t ) m (m 33)t 2(m 11)t 3m 11 m(3 2t t ) 11(1 2t 3t ) (II) 11 x (3 2t t ) 11 x t 2t 2 -Lop12.net Một số Bất Đẳng Thức đại số và bài toán GTLN & GTNN biểu thức đại số các đề thi CĐ - ĐH 104 (10) TỔ TOÁN - TIN , TRƯỜNG THPT CHUYÊN NGUYỄN BỈNH KHIÊM QUẢNG NAM - Hệ (I) có nghiệm Hệ (II) có nghiệm x (m – 33)t2 + 2(m – 11)t + 3m – 11 = (1) có ngh +Nếu m = 33 thì (1) có nghiệm t = +Xét m 33, đó (1) có nghiệm 't (m – 11)2 – (m – 33)(3m – 11) – 2m2 + 88m – 242 m [22 11 3, 22 11 3] \ 33 + Kết hợp các trường hợp trên ta các giá trị để hệ có nghiệm là m [22 11 3, 22 11 3] Do đó T = [22 11 3, 22 11 3] Vậy minT = 22 – 11 , maxT = 22 + 11 Bài tập tương tự : 1: Cho hai số thực thay đổi x 0, y thỏa mãn xy(x + y) = x2 – xy + y2 Tìm giá trị lớn biểu thức: 1 A= x y ( ĐH khối A – 2006) 2: Cho x, y là hai số thay đổi thỏa mãn x + y + x2 + y2 = Tìm giá trị lớn và giá trị nhỏ biểu thức: P = xy(x + 1)(y + 1) Hướng dẫn : T là tập giá trị A Ta có m A Hệ sau có nghiệm x 0, y xy ( x y ) x xy y xy ( x y ) x xy y xy ( x y ) x xy y (I) 1 ( x y )( x xy y ) ( x y)2 m m m x3 y x2 y x3 y SP S 3P Đặt S = x + y, P = xy, S 4P ta có hệ S (II) m P Hệ (I) có nghiệm x 0, y Hệ (II) có nghiệm (S,P) thỏa mãn S2 4P m (0;16] \ 1 Vậy maxA = 16 x y x2 y T là tập giá trị P Ta có m T Hệ sau có nghiệm xy ( x 1)( y 1) m u v + Đặt u = x + x2 , v = y + y2 , điều kiện u, v Hệ trở thành uv m Khi đó u, v là hai nghiệm phương trình t2 – 8t + m = (1) + Hệ có nghiệm (1) có nghiệm t1, t2 thỏa mãn t1 t2 ' 33 (t1 1/ 4)(t2 1/ 4) m 16 16 (t 1/ 4) (t 1/ 4) Vậy minP = 33 , maxP = 16 16 Tam Kỳ, ngày 10 tháng 03 năm 2011 TỔ TOÁN - TIN THPT CHUYÊN NGUYỄN BỈNH KHIÊM -Lop12.net Một số Bất Đẳng Thức đại số và bài toán GTLN & GTNN biểu thức đại số các đề thi CĐ - ĐH 105 (11) TỔ TOÁN - TIN , TRƯỜNG THPT CHUYÊN NGUYỄN BỈNH KHIÊM QUẢNG NAM - -Lop12.net Một số Bất Đẳng Thức đại số và bài toán GTLN & GTNN biểu thức đại số các đề thi CĐ - ĐH 106 (12)