Sử Dụng Đẳng Thức Để Chứng Minh Bất Đẳng Thức (Phần 3)

Sử Dụng Đẳng Thức Để Chứng Minh Bất Đẳng Thức (Phần 3)

Bài viết trình bày phương pháp sử dụng các đẳng thức quen thuộc trong chứng minh bất đẳng thức, kèm theo ví dụ minh họa chi tiết và bài tập vận dụng. Đây là phần 1 trong chuỗi chuyên đề dành cho học sinh yêu thích toán học, đặc biệt là các bạn đang ôn thi vào lớp chuyên

Dec 18, 2024
 

Dưới đây là bài số 3 trong chuỗi bài hướng dẫn chi tiết về Sử dụng đẳng thức chứng minh bất đằng thức
 
 

Đẳng thức thường gặp 3

Xuất phát từ hai hằng đẳng thức đơn giản:
(a+b)2=a2+2ab+b2;(ab)2=a22ab+b2(a+b)^{2}=a^{2}+2 a b+b^{2} ;(a-b)^{2}=a^{2}-2 a b+b^{2}
Từ đẳng thức này ta có các kết quả sau:
Kết quả 3.1.
2(a2+b2)=(a+b)2+(ab)2(a+b)22\left(a^{2}+b^{2}\right)=(a+b)^{2}+(a-b)^{2} \geq(a+b)^{2}
Kết quả 3.2.
4ab=(a+b)2(ab)2(a+b)24 a b=(a+b)^{2}-(a-b)^{2} \leq(a+b)^{2}
 
Kết quả 3.3.
a2ab+b213(a2+ab+b2)a^{2}-a b+b^{2} \geq \frac{1}{3}\left(a^{2}+a b+b^{2}\right)
 
Do 3(a2ab+b2)(a2+ab+b2)=2(ab)203\left(a^{2}-a b+b^{2}\right)-\left(a^{2}+a b+b^{2}\right)=2(a-b)^{2} \geq 0
Kết quả 3.4.
m(a2+b2)+nab=2m+n4(a+b)2+2mn4(ab)2m\left(a^{2}+b^{2}\right)+n a b=\frac{2 m+n}{4}(a+b)^{2}+\frac{2 m-n}{4}(a-b)^{2}
 
Chứng minh kết quả 3.4
Thật vậy:
2m+n4(a+b)2+2mn4(ab)2=(2m+n4+2mn4)(a2+b2)+(2m+n42mn4)2ab=m(a2+b2)+nab\begin{aligned}\frac{2 m+n}{4}(a+b)^{2}+\frac{2 m-n}{4}(a-b)^{2} & =\left(\frac{2 m+n}{4}+\frac{2 m-n}{4}\right)\left(a^{2}+b^{2}\right)+\left(\frac{2 m+n}{4}-\frac{2 m-n}{4}\right) \cdot 2 a b \\& =m\left(a^{2}+b^{2}\right)+n \cdot a b\end{aligned}
 
 
 

Ví dụ và bài tập

Bài tập 1. Cho các số thực a,b,c[0;1]a, b, c \in[0 ; 1]. Tìm giá trị lớn nhất biểu thức:

 
P=c2(a2+b2)+1+a2( b2+c2)+1+b2(c2+a2)+1.\mathrm{P}=\frac{\mathrm{c}}{\sqrt{2\left(\mathrm{a}^{2}+\mathrm{b}^{2}\right)}+1}+\frac{\mathrm{a}}{\sqrt{2\left(\mathrm{~b}^{2}+\mathrm{c}^{2}\right)}+1}+\frac{\mathrm{b}}{\sqrt{2\left(\mathrm{c}^{2}+\mathrm{a}^{2}\right)}+1} .
 
 
Hướng dẫn giải
Áp dụng kết quả 1 ta được:
2(a2+b2)(a+b)22(a2+b2)a+b2\left(\mathrm{a}^{2}+\mathrm{b}^{2}\right) \geq(\mathrm{a}+\mathrm{b})^{2} \Rightarrow \sqrt{2\left(\mathrm{a}^{2}+\mathrm{b}^{2}\right)} \geq \mathrm{a}+\mathrm{b}
 
Lai do
c[0;1]c12(a2+b2)+1a+b+cc2(a2+b2)+1ca+b+cc \in[0 ; 1] \Rightarrow c \leq 1 \\\Rightarrow \sqrt{2\left(a^{2}+b^{2}\right)}+1 \geq a+b+c \\\Rightarrow \frac{c}{\sqrt{2\left(a^{2}+b^{2}\right)}+1} \leq \frac{c}{a+b+c}
Tương tự:
 
 
a2(b2+c2)+1aa+b+c \frac{a}{\sqrt{2\left(b^{2}+c^{2}\right)}+1} \leq \frac{a}{a+b+c} b2(c2+a2)+1ba+b+c\frac{b}{\sqrt{2\left(c^{2}+a^{2}\right)}+1} \leq \frac{b}{a+b+c}
 
Cộng theo vế ta được:
Pa+b+ca+b+c=1\mathrm{P} \leq \frac{\mathrm{a}+\mathrm{b}+\mathrm{c}}{\mathrm{a}+\mathrm{b}+\mathrm{c}}=1
Dâu " =" xảy ra khi a=b=c=1\mathrm{a}=\mathrm{b}=\mathrm{c}=1
Vậy giá trị lớn nhất của P là 1
 

Bài tập 2. Cho a,b,c\mathrm{a}, \mathrm{b}, \mathrm{c} là các số thực khác 0 . Tìm giá trị nhỏ nhất của biểu thức:

 
 
T=a2a2+(b+c)2+b2b2+(c+a)2+c2c2+(a+b)2T=\frac{a^{2}}{a^{2}+(b+c)^{2}}+\frac{b^{2}}{b^{2}+(c+a)^{2}}+\frac{c^{2}}{c^{2}+(a+b)^{2}}
 

Hướng dẫn

Áp dụng bất đẳng thức ở kết quả 1:
(b+c)22(b2+c2);(a+b)22(a2+b2);(c+a)22(c2+b2),(b+c)^{2} \leq 2\left(b^{2}+c^{2}\right) ; \quad(\mathrm{a}+\mathrm{b})^{2} \leq 2\left(a^{2}+b^{2}\right) ; \quad(\mathrm{c}+\mathrm{a})^{2} \leq 2\left(c^{2}+b^{2}\right), \quad
ta có:
Ta2a2+2(b2+c2)+b2b2+2(a2+c2)+c2c2+2(a2+b2)T \geq \frac{a^{2}}{a^{2}+2\left(b^{2}+c^{2}\right)}+\frac{b^{2}}{b^{2}+2\left(a^{2}+c^{2}\right)}+\frac{c^{2}}{c^{2}+2\left(a^{2}+b^{2}\right)}T+3(a2a2+2(b2+c2)+1)+(b2b2+2(a2+c2)+1)+(c2c2+2(a2+b2)+1)\Rightarrow T+3 \geq\left(\frac{a^{2}}{a^{2}+2\left(b^{2}+c^{2}\right)}+1\right)+\left(\frac{b^{2}}{b^{2}+2\left(a^{2}+c^{2}\right)}+1\right)+\left(\frac{c^{2}}{c^{2}+2\left(a^{2}+b^{2}\right)}+1\right)=25[5(a2+b2+c2)(1a2+2(b2+c2)+1b2+2(a2+c2)+1c2+2(a2+b2))]=\frac{2}{5} \cdot [5\left(a^{2}+b^{2}+c^{2}\right)\left(\frac{1}{a^{2}+2\left(b^{2}+c^{2}\right)}+\frac{1}{b^{2}+2\left(a^{2}+c^{2}\right)}+\frac{1}{c^{2}+2\left(a^{2}+b^{2}\right)}\right)]
 
 
 
Áp dụng bất đẳng thức BCS cho ba bộ số dương m,n,p\mathrm{m}, \mathrm{n}, \mathrm{p}
1m,1n,1p\frac{1}{m}, \frac{1}{n}, \frac{1}{p} ta được:
(m+n+p)(1m+1n+1p)3.mnp31mnp3=9(m+n+p)\left(\frac{1}{m}+\frac{1}{n}+\frac{1}{p}\right) \geq 3 . \sqrt[3]{m n p} \cdot \sqrt[3]{\frac{1}{m n p}}=9
Suy ra: T+325.9T35T+3 \geq \frac{2}{5} .9 \Leftrightarrow T \geq \frac{3}{5}
Đẳng thức xảy ra khi a=b=c\mathrm{a}=\mathrm{b}=\mathrm{c}
Vậy giá trị nhỏ nhất của T là 35\frac{3}{5} khi a=b=c\mathrm{a}=\mathrm{b}=\mathrm{c}.
 

Bài tập 3. Cho hai số thực dương a và b thỏa mãn (a+b)3+4ab=2(\mathrm{a}+\mathrm{b})^{3}+4 \mathrm{ab}=2.

Tìm giá trị nhỏ nhất của :
P=10a+6b+2a+1bP=10 a+6 b+\frac{2}{a}+\frac{1}{b}
 
 

Hướng dẫn

Từ giả thiết , áp dụng kết quả 2 ta được:
 
2=(a+b)3+4ab=(a+b)3+(a+b)2(ab)2(a+b)3+(a+b)2(a+b)31+(a+b)210(a+b1)[(a+b)2+(a+b)+1+(a+b+1)]0(a+b1)[(a+b)2+1]0a+b1\begin{aligned}& 2=(a+b)^{3}+4 a b=(a+b)^{3}+(a+b)^{2}-(a-b)^{2} \leq(a+b)^{3}+(a+b)^{2} \\& \Leftrightarrow(a+b)^{3}-1+(a+b)^{2}-1 \geq 0 \\& \Leftrightarrow(a+b-1)\left[(a+b)^{2}+(a+b)+1+(a+b+1)\right] \geq 0 \\& \Leftrightarrow(a+b-1)\left[(a+b)^{2}+1\right] \geq 0 \\& \Leftrightarrow a+b \geq 1\end{aligned}
 
 
Ta có:
P=10a+6b+2a+1b=(8a+2a)+(4b+1b)+2(a+b)28a2a+24b1a+21=8+4+2=14P=10 a+6 b+\frac{2}{a}+\frac{1}{b}=\left(8 a+\frac{2}{a}\right)+\left(4 b+\frac{1}{b}\right)+2(a+b) \geq 2 \sqrt{8 a \cdot \frac{2}{a}}+2 \sqrt{4 b \cdot \frac{1}{a}}+2 \cdot 1=8+4+2=14
 
Dấu "= = " xảy ra khi : a=b=12\mathrm{a}=\mathrm{b}=\frac{1}{2}
Vậy giá trị nhỏ nhất của P là 14 .
 

Bài tập 4. Cho các số thực dương a, b, c thỏa mãn:

a+b+c6a+b+c \geq 6
Tìm giá trị nhỏ nhất của biểu thức:
P=a3a2+ab+b2+b3b2+bc+c2+c3c2+ca+a2P=\frac{a^{3}}{a^{2}+a b+b^{2}}+\frac{b^{3}}{b^{2}+b c+c^{2}}+\frac{c^{3}}{c^{2}+c a+a^{2}}

Hướng dẫn

Đặt Q=b3a2+ab+b2+c3b2+bc+c2+a3c2+ca+a2Q=\frac{b^{3}}{a^{2}+a b+b^{2}}+\frac{c^{3}}{b^{2}+b c+c^{2}}+\frac{a^{3}}{c^{2}+c a+a^{2}}
Ta có:
 
PQ=a3b3a2+ab+b2+b3c3b2+bc+c2+c3a3c2+ca+a2=(ab)(a2+ab+b2)a2+ab+b2+(bc)(b2+bc+c2)b2+bc+c2+(ca)(c2+ca+a2)c2+ca+a2=(ab)+(bc)+(ca)=0\begin{aligned}P-Q & =\frac{a^{3}-b^{3}}{a^{2}+a b+b^{2}}+\frac{b^{3}-c^{3}}{b^{2}+b c+c^{2}}+\frac{c^{3}-a^{3}}{c^{2}+c a+a^{2}} \\& =\frac{(a-b)\left(a^{2}+a b+b^{2}\right)}{a^{2}+a b+b^{2}}+\frac{(b-c)\left(b^{2}+b c+c^{2}\right)}{b^{2}+b c+c^{2}}+\frac{(c-a)\left(c^{2}+c a+a^{2}\right)}{c^{2}+c a+a^{2}} \\& =(a-b)+(b-c)+(c-a) \\& =0\end{aligned}
 
 
Do đó: P=Q\mathrm{P}=\mathrm{Q}
Mặt khác (theo kết quả 3 ): x2xy+y213(x2+xy+y2)()x^{2}-x y+y^{2} \geq \frac{1}{3}\left(x^{2}+x y+y^{2}\right)(* *)
ta được:
 
P+Q=a3+b3a2+ab+b2+b3+c3b2+bc+c2+c3+a3c2+ca+a2=(a+b)(a2ab+b2)a2+ab+b2+(b+c)(b2bc+c2)b2+bc+c2+(c+a)(c2ca+a2)c2+ca+a213(a+b)+13(b+c)+13(c+a)=23(a+b+c)236=4\begin{array}{l}\begin{array}{rl}P+Q & =\frac{a^{3}+b^{3}}{a^{2}+a b+b^{2}}+\frac{b^{3}+c^{3}}{b^{2}+b c+c^{2}}+\frac{c^{3}+a^{3}}{c^{2}+c a+a^{2}} \\& =\frac{(a+b)\left(a^{2}-a b+b^{2}\right)}{a^{2}+a b+b^{2}}+\frac{(b+c)\left(b^{2}-b c+c^{2}\right)}{b^{2}+b c+c^{2}}+\frac{(c+a)\left(c^{2}-c a+a^{2}\right)}{c^{2}+c a+a^{2}} \\\geq & \frac{1}{3}(a+b)+\frac{1}{3}(b+c)+\frac{1}{3}(c+a)\end{array} \\=\frac{2}{3}(a+b+c) \geq \frac{2}{3} \cdot 6=4\end{array}
 Maˋ P=QP2\text { Mà } P=Q \Rightarrow P \geq 2
Dấu "=" xảy ra khi a=b=c=2\mathrm{a}=\mathrm{b}=\mathrm{c}=2
Vậy giá trị nhỏ nhất của P là 2 .
 
 

Bài tập 5. Cho hai số thực dương a và b thỏa mãn a2ab+b2=1\mathrm{a}^{2}-\mathrm{ab}+\mathrm{b}^{2}=1. Chứng minh rằng a3+b3+3ab5a^{3}+b^{3}+3 a b \leq 5

Hướng dẫn

Ta có
a2ab+b2=11=(a+b)23ab(a+b)234(a+b)2=14(a+b)2a+b2\mathrm{a}^{2}-\mathrm{ab}+\mathrm{b}^{2}=1 \Leftrightarrow 1=(\mathrm{a}+\mathrm{b})^{2}-3 \mathrm{ab} \geq(\mathrm{a}+\mathrm{b})^{2}-\frac{3}{4}(\mathrm{a}+\mathrm{b})^{2}=\frac{1}{4}(\mathrm{a}+\mathrm{b})^{2}\\ \Rightarrow \mathrm{a}+\mathrm{b} \leq 2
Do đó:
 
a3+b3+3ab=(a+b)(a2ab+b2)+3ab=a+b+3aba+b+34(a+b)22+34.4=5a^{3}+b^{3}+3 a b=(a+b)\left(a^{2}-a b+b^{2}\right)+3 a b=a+b+3 a b \leq a+b+\frac{3}{4}(a+b)^{2} \leq 2+\frac{3}{4} .4=5
Bất đẳng thức được chứng minh.
Đẳng thức xảy ra khi: a=b=1\mathrm{a}=\mathrm{b}=1.

Xem Thêm Các Bài Hệ Thống Kiến Thức :
 
 
 
 
 

 
Nếu các bạn có đóng góp hoặc ý kiến vui lòng gửi về toancodiem.xinchao@outlook.com
 

Đừng quên nếu có bài toán cần hỏi thì 👇

 
notion image
 
LIÊN HỆ
📬 toancodiem.xinchao@gmail.com
📇169/2 Nguyễn Văn Cừ Phường 2 Q5 TPHCM
 
Đăng kí Học - Thời Khoá biểu
📞 +84-908-986-786 (Cô Diễm)
Hỗ Trợ  Học Viên
📞+84-765-359-411 (anh Quân)