Ứng dụng bất đẳng thức cauchy–schwarz dạng engel trong chứng minh bất đẳng thức

1 b3(c+ a) + 1 c3(a+ b)  3 2 Phân tích bài toán: Bài toán này khi tiếp cận, chúng ta thấy vế trái của bất đẳng thức có dạng phân số, bậc của mẫu số lớn hơn bậc của tử số. Điều đó giúp chúng ta nghĩ tới bất đẳng thức Cauchy- Schwarz dạng Engel. Đến đây nếu áp dụng trực tiếp luôn, chúng ta có: 1 a3(b+ c) + 1 b3(c+ a) + 1 c3(a+ b)  (1 + 1 + 1) 2 a3(b+ c) + b3(c+ a) + c3(a+ b) Khi đó bài toán trở nên phức tạp hơn, và dễ dẫn tới bế tắc trong giải quyết. Vì vậy để ý một chút chúng ta thấy 1 a3(b+ c) = 1 a2 a(b+ c) , lúc này việc áp dụng bất đẳng thức Cauchy- Schwarz dạng Engel mang lại hiệu quả rõ rệt. Chứng minh Ta có: V T = 1 a3(b+ c) + 1 b3(c+ a) + 1 c3(a+ b) = 1 a2 a(b+ c) + 1 b2 b(c+ a) + 1 c2 c(a+ b)  ( 1 a + 1 b + 1 c )2 2(ab+ bc+ ca) = (ab+ bc+ ca)2 2(ab+ bc+ ca) Vậy V T  ab+ bc+ ca 2 Áp dụng bất đẳng thức AM–GM, ta có: V T  ab+ bc+ ca 2  3 3 p a2b2c2 2 = 3 2 = V P Hoàng Minh Quân 4 THPT Ngọc Tảo-Hà Nội Đẳng thức xảy ra khi và chỉ khi a = b = c = 1 Bài toán 5 Cho các số thực dương x; y; z thỏa mãn x2 + y2 + z2  1 3 Chứng minh rằng: x3 2x+ 3y + 5z + y3 2y + 3z + 5x + z3 2z + 3x+ 5y  1 30 Phân tích bài toán: Quan sát bài toán chúng ta thấy đây là bất dẳng thức đối xứng ba biến có dạng phân thức, điều đó gợi cho chúng ta nghĩ tới bất đẳng thức Cauchy–Schawrz dạng Engel nhằm giảm bậc của phân thức giúp chúng ta có đánh giá dễ dàng hơn. Từ đó tiếp cận vế trái , ta phân tích x3 2x+ 3y + 5z = x4 x(2x+ 3y + 5z) để áp dụng bất đẳng thức Cauchy–Schawrz. Chúng ta làm như sau: Chứng minh Áp dụng bất đẳng thức Cauchy– Schawrz dạng Engel ta có: V T = x4 x(2x+ 3y + 5z) + y4 y(2y + 3z + 5x) + z4 z(2z + 3x+ 5y)  (x 2 + y2 + z2) 2 2(x2 + y2 + z2) + 8(xy + yz + zx) Lại có: x2 + y2 + z2  xy + yz + zx nên V T  (x 2 + y2 + z2) 2 10(x2 + y2 + z2) = x2 + y2 + z2 10  1 30 Đẳng thức xảy ra khi và chỉ khi x = y = z = 1 3 Bài toán 6 Cho ba số thực dương a; b; c.thỏa mãn a2 + b2 + c2 = 3abc.Chứng minh rằng: a b2c2 + b c2a2 + c a2b2  9 a+ b+ c Phân tích bài toán: Tiếp cận bài toán chúng ta thấy vế trái của bất đẳng thức có dạng phân thức,.Như vậy chúng ta nghĩ tới sử dụng bất đẳng thức Cauchy- Schwarz dạng Engel để chứng minh.Vì giả thiết đề bài cho a2 + b2 + c2 = 3abc nên để tận dụng tối đa giả thiết này thì chúng ta làm cho xuất hiện a2 + b2 + c2.Điều đó giải thích cho tại sao chúng ta lại phân tích a b2c2 = a4 a3b2c2 chứ không phân tích a b2c2 = a2 ab2c2 dù chúng cùng đưa về dạng bình phương ở tử số. Chứng minh Áp dụng bất đẳng thức Cauchy- Schwarz dạng Engel, ta có: V T = a4 a3b2c2 + b4 b3c2a2 + c4 c3a2b2  (a 2 + b2 + c2) 2 a2b2c2(a+ b+ c) = (3abc)2 a2b2c2(a+ b+ c) = 9 a+ b+ c Hoàng Minh Quân 5 THPT Ngọc Tảo-Hà Nội Đẳng thức xảy ra khi và chỉ khi x = y = z = 1 Bài toán 7 Cho ba số thực dương a; b; c thỏa mãn abc = 1.Chứng minh rằng: a4 (a+ b)2(a+ c) + b4 (b+ c)2(b+ a) + c4 (c+ a)2(c+ b)  3 8 Phân tích bài toán: Tiếp cận bài toán chúng ta thấy , vế trái của bất đẳng thức có dạng phân số, như vậy chúng ta có thể sử dụng bất đẳng thức Cauchy- Schwartz dạng Engel để chứng minh. Để ý một chút chúng ta thấy ∑ cyc a4 (a+ b)2(a+ c) có thể viết lại thành ∑ cyc a4 (a+b)2 (a+ c) và như vậy dấu hiệu sử dụng bất đẳng thức Cauchy- Schwarz dạng Engel đã xuất hiện. Công việc của chúng ta chỉ là áp dụng để chứng minh. Chứng minh Áp dụng bất đẳng thức Cauchy- Schwarz dạng Engel, ta có: ∑ cyc a4 (a+ b)2(a+ c)  (∑ cyc a2 a+b )2 2(a+ b+ c) (1) Mặt khác, áp dụng bất đẳng thức Cauchy- Schwarz dạng Engel, ta có:∑ cyc a2 a+ b  (a+ b+ c) 2 2(a+ b+ c) = a+ b+ c 2 (2) Từ (1) và (2) ta có:∑ cyc a4 (a+ b)2(a+ c)  ( a+b+c 2 )2 2(a+ b+ c) = a+ b+ c 8  3 3 p abc 8 = 3 8 Đẳng thức xảy ra khi và chỉ khi x = y = z = 1 Bài toán 8 Cho ba số thực dương a; b; c.Chứng minh rằng: a3 a3 + abc+ b3 + b3 b3 + abc+ c3 + c3 c3 + abc+ a3  1 Phân tích bài toán: Tiếp cận bài toán chúng ta thấy , vế trái của bất đẳng thức có dạng phân số, như vậy chúng ta có thể sử dụng bất đẳng thức Cauchy- Schwartz dạng Engel để chứng minh. Tuy nhiên quan sát chúng ta lại thấy bậc của tử số và mẫu số của mỗi phân thức đều cùng bậc ba. Do đó đây là bất đẳng thức thuần nhất để đơn giản chúng ta có thể chuẩn hóa abc = 1.Với việc chuẩn hóa abc = 1, chúng ta sử dụng phép thế thích hợp để đưa bất đẳng thức đã cho về bất đẳng thức đơn giản hơn mà chúng ta dễ nhận ra việc áp dụng được bất đẳng thức Cauchy- Schwarz dạng Engel để chứng minh. Chứng minh Bất đẳng thức thuần nhất nên ta chuẩn hóa abc = 1 . Đặt a = 3 √ x y ; b = 3 √ y z ; c = 3 √ z x Với x; y; z > 0 Ta có: a3 a3 + abc+ b3 = x y x y + 1 + z x = x2 x2 + xy + yz Hoàng Minh Quân 6 THPT Ngọc Tảo-Hà Nội Khi đó bất đẳng thức cần chứng minh trở thành: x2 x2 + xy + yz + y2 y2 + yz + zx + z2 z2 + zx+ xy  1 Áp dụng bất đẳng thức Cauchy- Schwarz dạng Engel, ta có: x2 x2 + xy + yz + y2 y2 + yz + zx + z2 z2 + zx+ xy  (x+ y + z) 2 x2 + y2 + z2 + 2(xy + yz + zx) Hay x2 x2 + xy + yz + y2 y2 + yz + zx + z2 z2 + zx+ xy  (x+ y + z) 2 (x+ y + z)2 = 1 Đẳng thức xảy ra khi và chỉ khi x = y = z = 1 hay a = b = c = 1. Bài toán 9 Cho ba số thực dương a; b; c .Chứng minh rằng: a2 + b2 a+ b + b2 + c2 b+ c + c2 + a2 c+ a  a+ b+ c Phân tích bài toán: Quan sát bài toán chúng ta thấy bất đẳng thức của đề bài ra nhìn khá phức tạp và chưa có dấu hiệu gì cho việc sử dụng được bất đẳng thức Cauchy- Schwartz nhưng bằng việc nắm chắc sử dụng Cauchy- Schwarz dạng Engel thì chúng ta có thể tách ra để được các phân thức có tử số là dạng bình phương. Bài toán đến đây trở nên dễ dàng hơn rồi. Chứng minh Ta có: a2 + b2 a+ b + b2 + c2 b+ c + c2 + a2 c+ a = a2 a+ b + b2 a+ b + b2 b+ c + c2 b+ c + c2 c+ a + a2 c+ a Áp dụng bất đẳng thức Cauchy- Schwartz dạng Engel, ta có: a2 a+ b + b2 a+ b + b2 b+ c + c2 b+ c + c2 c+ a + a2 c+ a  [2(a+ b+ c)] 2 4(a+ b+ c) = a+ b+ c (Điều phải chứng minh)Đẳng thức xảy ra khi và chỉ khi a = b = c. Bài toán 10 (USAMO 2003)Cho ba số thực dương a; b; c .Chứng minh rằng: (2a+ b+ c)2 2a2 + (b+ c)2 + (2b+ c+ a)2 2b2 + (c+ a)2 + (2c+ a+ b)2 2c2 + (a+ b)2  8 Phân tích bài toán: Đây là một bài toán khá hay trong kì thi học sinh giỏi nước Mĩ năm 2003, bài toán này có khá nhiều cách chứng minh và thật thú vị chúng ta có thể giải bằng cách sơ cấp là áp dụng bất đẳng thức Cauchy- Schwarz dạng Engel. Khi giagr dạy giáo viên phân tích cho học sinh hiểu tại sao chúng ta nghĩ ra được cách giải này. Tiếp cận bài toán chúng ta thấy vế trái của bất đẳng thức có dạng phân thức, dù tử số của mỗi phân số đều có dạng bình phương .Điều đó gợi cho chúng ta nghĩ tới sử dụng bất đẳng thức Cauchy- Schwarz dạng Engel nhưng chúng ta chưa thể sử dụng ngay được vì dấu của bất đẳng thức đã cho là dấu “ ”. Vậy ta tìm cách đưa về bất Hoàng Minh Quân 7 THPT Ngọc Tảo-Hà Nội đẳng thức mà có thể sử dụng tốt bất đẳng thức Cauchy- Schwartz dạng Engel.Khi đó Để ý chúng ta thấy :3 (2a+ b+ c) 2 2a2 + (b+ c)2 = 2(b+ c a)2 2a2 + (b+ c)2 Do đó: (2a+ b+ c)2 2a2 + (b+ c)2 + (2b+ c+ a)2 2b2 + (c+ a)2 + (2c+ a+ b)2 2c2 + (a+ b)2  8 tương đương 2(b+ c a)2 2a2 + (b+ c)2 + 2(c+ a b)2 2b2 + (c+ a)2 + 2(a+ b c)2 2c2 + (a+ b)2  1 Đến đây việc sử dụng bất đẳng thức Cauchy- Schwartz dạng Engel là dễ dàng.Chúng ta làm bài này như sau: Chứng minh Ta có nhận xét sau: 3 (2a+ b+ c) 2 2a2 + (b+ c)2 = 2(b+ c a)2 2a2 + (b+ c)2 Do đó bất đẳng thức đã cho được viết lại. 2(b+ c a)2 2a2 + (b+ c)2 + 2(c+ a b)2 2b2 + (c+ a)2 + 2(a+ b c)2 2c2 + (a+ b)2  1 (1) Bây giờ chúng ta chứng minh Bất đẳng thức (1). Áp dụng bất đẳng thức Cauchy–Schwarz dạng Engel ta có: a2 + b2  (a+ b) 2 2 từ đó ta có: (a+ b)2  2(a2 + b2); (b+ c)2  2(b2 + c2); (a+ c)2  2(a2 + c2) nên V T (1) = 2(b+ c a)2 2a2 + (b+ c)2 + 2(c+ a b)2 2b2 + (c+ a)2 + 2(a+ b c)2 2c2 + (a+ b)2  2(b+ c a) 2 2(a2 + b2 + c2) + 2(c+ a b)2 2(a2 + b2 + c2) + 2(a+ b c)2 2(a2 + b2 + c2) Vậy ta cần chứng minh (b+ c a)2 + (c+ a b)2 + (a+ b c)2 a2 + b2 + c2  1 tức là ta chỉ cần chứng minh (b+ c a)2 + (c+ a b)2 + (a+ b c)2  a2 + b2 + c2 tương đương a2 + b2 + c2 (ab+ bc+ ca)  0 (Đúng) . Vậy ta có điều phải chứng minh. Đẳng thức xảy ra khi và chỉ khi a = b = c. Như vậy qua việc phân tích và cách giải 10 bài toán trên cho nhiều tình huống khác nhau. Hi vọng bạn đọc sẽ nắm được ý tưởng của việc áp dụng bất đẳng thức Cauchy– Schawrz vào việc chứng minh các bài toán bất đẳng thức.Sau đây là một số bài toán mời bạn đọc tự giải để củng cố thêm kĩ năng làm bài: Bài toán 11 (Nebits)Cho ba số thực dương a; b; c.Chứng minh rằng: a b+ c + b c+ a + c a+ b  3 2 Bài toán 12 (Croatia 2004) Cho ba số thực dương a; b; c.Chứng minh rằng: x2 (x+ y)(x+ z) + y2 (y + z)(y + x) + z2 (z + x)(z + y)  3 4 Hoàng Minh Quân 8 THPT Ngọc Tảo-Hà Nội Bài toán 13 (Rumani 2004) Cho ba số thực dương a; b; c. Chứng minh rằng: a bc(c+ a) + b ca(a+ b) + c ab(b+ c)  27 2(a+ b+ c) Bài toán 14 (Vasc)Cho ba số thực a; b; c không âm và hai trong ba số không đồng thời bằng 0.Chứng minh rằng: 1 4a2 + b2 + c2 + 1 4b2 + c2 + a2 + 1 4c2 + a2 + b2  1 2(a2 + b2 + c2) + 1 ab+ bc+ ca Bài toán 15 (Hoàng Minh Quân)Cho các số thực a; b; c > 0 thỏa mãn ab+ bc+ ca = 1.Chứng minh rằng: a (3b+ 5c)3 + b (3c+ 5a)3 + c (3a+ 5b)3  9 512 TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Phạm Kim Hùng, Sáng tạo bất đẳng thức, NXB Hà Nội. 2. Phạm Văn Thuận, Lê Vĩ, Bất đẳng thức suy luận và khám phá, NXB ĐHQG Hà Nội. 3. Võ Quốc Bá Cẩn,Trần Quốc Anh , Bất đẳng thức và những lời giải hay, NXB Hà Nội,2009. 4. T.Andreescu,V.Cirtoaje, G.Dospinescu, M.Lascu.Old and New Inequalities, Gil pub- lishing House 5. Hoàng Minh Quân 9 THPT Ngọc Tảo-Hà Nội