Chương 1 Kiến thức chuẩn bị Trong chương này, luận văn trình bày khái niệm cơ bản về bài toán cực trị với điều kiện ràng buộc bất đẳng thức, hệ bất đẳng thức, một số bất đẳng thức cơ bản vận dụng trong việc giải các bài toán cực trị. Nội dung chương chủ yếu lấy từ các tài liéu [3], [6], [8].1 Bài toán cực trị với điều kiện ràng buộc bất đẳng thức, hệ bất đẳng thức Bài toán cực trị với điều kiện ràng buộc bất đẳng thức, hệ bất đẳng thức là dạng bài toán: Cho biểu thức F'{#¡,#s,., #„ thỏa mãn điều kiện D (D có thể là một bất dang thức, một hệ bất đẳng thức,. Ta nói M (M phải là hằng số) là giá trị lớn nhất (giá trị nhỏ nhất) của biểu thức F khi và chỉ khi nó thỏa mãn hai điều kiện sau: +) Bất đẳng thức F'{zq,zs,.,%n) => M) đúng với mọi #1,#s,. +) Tồn tại #1,za,.,„ thỏa mãn D sao cho F(#1,#a,.
Xét các bộ số thực a, b, c, d thỏa mãn điều kiện 1 poet tered sh 4 Tìm giá trị lớn nhất và giá trị nhỏ nhất của biểu thức Q=(a—9b+ e)” + (b— 2e + đ)” + (b— 2a)” + (e— 2đ)”. Xét các số thực a, b, e thỏa mãn 21ab + 2bc + 8ac < 12. Tìm giá trị nhỏ nhất của biểu thức 1 2 3 P(a,b,e)=—+>. (a,b,¢) a + b + Cc Vi du 1.
Cho ba số thực dương x, y, z thỏa mãn 1<z<min{z,w} rwz>3 yz > 2 Tim giá trị lớn nhất của 30 4 2010 P(ø,u,z)=—+—+ .2 Một số bất đẳng thức cơ bản 1. Bất đẳng thức AM-GM Định lý 1. Giả sử ai, ao, ., ay là các số thực không âm. n Đăng thức xảy ra khi và chỉ khi ai = a› =.
Với mọi bộ số dương ai, đa,.+— a a an, Đăng thức xảy ra khi và chỉ khi ai = a› =. Với mọi bộ số dương ay, do, ., dn ta C6 1 1 1 nŸ —+ —+. ay ag An ay +do+. + Qn Dang thtic xay ra khi va chi khi aj = ag =.
Với mọi bộ số không âm ai, aa,. ta có n ay! + ay! +. Fan CV (HH) =a n * Đăng thức xảy ra khi và chỉ khi ai = a› =. Cho các số dương a,b,c > 1.
Tim giá trị lớn nhất của biểu thức a b Cc 1 1 1 —j+P Pret area abo Phân tích. L1 1 Trong biểu thức P ta nhận thấy rằng biểu thức — + i +— nam trong 2 a Zz C. x căn thức, vì vậy ta hoàn toàn có thể mạnh dan suy nghi dén việc cần tìm một bất đẳng thức phụ sao cho có thể đưa ra được một đánh giá 1 1 <fC +7 +7) ¬ a + b + € a2 + b2 be + ce c2 + a2 1 1 1 2 1 1 1 trong do f(— + + -) là một biểu thức có chứa (— + + =). ~ a b Cc Bài toán đang cần tìm giá trị lớn nhât vì thê ta nghĩ tới chiêu đánh giá P<, khi đó ta cần sử dụng aˆ + bŸ >,b2 + c2 >,c? + a2 >.
Điều này làm ta suy nghĩ tới việc sử dụng bất đẳng thức quen thuộc AM-CM. Khi đó ta đánh giá được: a + b + Cc < a + b Cc 1 e+? e+e c?2+a2— 2ab 2c 2ca— 2 Từ đó ta tìm được lời giải như sau: Bài giải. Theo bất đẳng thức AM-CM ta có: a2 + b2 > 2ab, bˆ + c2 > 2bc, c + a2 > 2ca œ a + b + Cc < a + b Cc e+ e+e c?2+a2— 2ab 2be a b Cc 11 1 1 sứ + +2): S&S —=— s1 :z†+—< e+? e+e etae~ Qa c Đăng thức xảy ra khi và chỉ khi a = b= e khi đó: 11 1 1 1 1 1 P<_-(-+1+-—+¬- a SagGtatot abc t Dat f(t) = 3 + vt Ta tim diéu kiện của biến t: Vì ø,be> nên +) + <8, do đó0<£<3, a t VÀ CS nến 2 Š 5 và vVf < v8 3 3 Suy ra 5 + Vis 5 + V3 hay f() <5 + v3 3 Vay P< 5+ v3. Dang thtic xay ra khia =b=c=1.
Vay giá trị lớn nhất của P là 5 + V tại a = b =e= 1. Cho các số thực a, b, c thỏa mãn e > 0,ø > c,b >c. Tìm giá trị lớn nhất của biểu thức: P= (/e(a— e) + \/c(b — e) — 2a bẺ. oo + fea va (0-9) + (0-9).
Theo bất đẳng thức AM-GM cho hai số ta có: Vel DeVel- sale 0-2) 36+ 0-9) Bài giải. Ta có ĩ =1 Suy ra \/c(a — c) + \/e(b— 0) < Vab Đăng thức xảy ra khi và chỉ khi: =1— SIoc=lIco =icoSloe =1— Vậy P < Wab — 2a?2.b = t ta đi xét hàm số ƒ(£) = v† — 2#?,t > 0. Ta c6 P < f(ab) 1 1 Vif) = 5Vvt-dt=0e t= 7. ay Lap bang bién thién ta dé dang thay f(t) < Col Ww Vt € (0; +00) suy ra P< f(ab)< Col Ww Đăng thức xảy ra khi và chỉ khi ab = + LÊ 1 ab ¢ a+b 1 abc _ 1 = Fab) 1 @a=tb=7.
ee pt 14 4, 9 _ 1 , Vay giá trị lớn nhât của P là s tại a =f,Ù = TC 1T? trong đó t là một số thực dương bat ky. Với cách suy luận tương tự nhờ áp dung bất đẳng thức AM-ƠM ta cũng giải được bài toán tương tự: Ví dụ 1. Cho các số thực +, thỏa mãn z + > 0. Tìm giá trị nhỏ nhất của P=92(œ”+)— 3V+ +.
Bất đẳng thức AM-GM là bất đẳng thức quan trọng nhất, quen thuộc nhất và có tầm ứng dụng rộng rãi trong các bộ môn của toán học sơ cấp. Nó đóng vai trò quan trọng trong những bài toán chứng minh bất đẳng thức cũng như những bài toán tìm cực trị. Sự thành công cuả việc áp dụng bất đẳng thức AM-GM để giải các bài toán cực trị với điều kiện ràng buộc bất đẳng thức, hệ bất đẳng thức hoàn toàn phụ thuộc vào sự linh hoạt của người sử dụng và kỹ thuật chọn các số đi, a2,. Bất đẳng thức Cauchy-Schwarz (Bunhiacopski) Dinh ly 1.
Cho các số thực tùy ý: øi, da,., a„ và bị, bạ,. Khi đó ta luôn có: (aibi + asba +. + bề), Đăng thức xảy ra khi và chỉ khi H6 _— an bị by bn Vi dụ 1. Cho các số a, b, c dương thỏa mãn điều kiện 1 1 1 > 1.
bhetl chatl atb+i1~ Tìm giá trị nhỏ nhất của biểu thức P=a+b+ec— 2\/3(ab + be + ca). Nhìn vào bài toán trên, ta sẽ quan tâm đến chiều đánh giá œ+b+c> ƒ(ab + be + ca). Tuy nhiên nếu sử dụng hệ quả của AM-GM để đánh giá a+b+c> \/3(ab + be + ca) khi đó ta có P > —⁄3(œb + be + ca) thì đến day bài toán bị dừng lại bởi rất khó để tìm ra giá trị nhỏ nhất của biểu thức. 9 Chính vì vậy mối quan tâm của chúng ta là làm thế nào để tận dụng SA TA ge x I 1 được điều kiện của bài toán ban đầu + + >1 b+e+1 ctat+l a+t+b+l1 dé c6atb+c> f(ab+be+t ca).
Muốn vậy, ta cần đánh giá về phía trái của điều kiện nghĩa là tồn tại 1 1 một hệ thức 4 > + + > 1 và từ đó đưa ra b+e+1 ctatl1 a+b+TI được mối liên hệ a + b+ e> ƒ(ab + be + ca). Do đó ta sẽ tư duy theo chiều b+ + 1> ƒ(a+b+ ©). Nhờ áp dụng bất đẳng thức Bunhiacopski ta có (l+b+c)(e+yt+2) > (Vat Vby + Vez) nhưng ta nhận thay dé V# + Wbu+ Wecz — a+b+ec ta cần chọn = a2, = b, z = c. Tương tự cho các nhóm biểu thức còn lại.
Và từ đó ta daénh gia duge: (1+ b+ c)(a?+b+c) > (at+b+c)? ti dé ta có lời giải bài toán như sau: Bài giải. Ap dung bất đẳng thức Bunhiacopski cho các số thực dương a, b, e ta được: (1+b+)(a@?°+b+e)>(a+b+e? (l+cta\(P+ct+a +b+c) (1+a+b)(®+a+b +b+e€)? 1 < a°+b+c b+c+1—~ (a+b+c)? 1 < P+eta ctat+l17~ (a+b+c) 1 < C+atb a+b+17 (a+b+c} ° 1 + 1 + 1 &f+t+ẻ+2(a+b+c) b+c+1l c+a+Tl a+b+T1— (a+b+c) Mat khac, vi )2(a )2 (a 1 1 1 >1 b+e+T cưa aibÐ1C 10 a2+b2+c2+2(a+b+c) >1 (a+b+c) — ©a?+Ù?+c°+2(a+b+e)>(a+b+e) œ©a?+?+c°+2(a+b+e)>a°2+bˆ+c? + 2(ab + be + ca) ©ø+b+c>ub+bc+ ca. Dang thtic xay ra khi va chi khia =b=c=1. Vậy giá trị nhỏ nhất của P 1A -3 tala =b=c=1.
Tìm giá trị lớn nhất, giá trị nhỏ nhất của A=2z +3 biết 2+2 + 3U” < 5. Áp dụng bất đẳng thức Bunhiacopski ta có: A? = (2z + 3u)? = (v2. Đăng thức xảy ra khi: zv2 _ v3 v3 v3 2z? + 3u? = 5 11 hoặc r=y=-l. Vậy giá trị nhỏ nhất của A là -5 đạt được khi x = y = 1.
Giá trị lớn nhất của A là 5 đạt được khi z = ¿ = —1. Cũng giống như bất đẳng thức AM-GM thì bất đẳng thức Bunhiacopski cũng là một bất đắng thức thường xuyên được sử dụng. Bất đẳng thức này không cần điều kiện các bộ số là dương hay không âm, tuy nhiên để có thể áp dụng thành công bất đẳng thức Bunhiacopski thì ứng với mỗi bài toán cực trị cần phải lựa chọn ra các bộ 86 ay, a2, a3, ., Gn Va by, bg, b3, .,6, cho thích hợp. Bất đẳng thức Cauchy-Schwarz dạng phân thức Định lý 1.
Xét hai bộ số thực tùy ý ai, đs,., a„ và bị, bạ,., bạ, trong dé b; > 0,Vi = 1,2,. Khi đó, ta có ae độ a2 aj+a +. +a,)Ÿ yy Gay (UF at Fan) by bạ bạ bị + bạ +. + bạ 3 8 có pos Uh a2 Qn my, 4 2 nà Đăng thức xảy ra khi và chỉ khi Bobb Tw dinh ly nay, ta 1 2 n thu được hai hệ quả quan trọng sau: Hệ quả 1.
Với n số thực tùy ý ai, ag, ., dn, ta cd (œi + a¿ +. a2 > n Kết quả này thu được bằng cách cho bị = bạ =. Với n số thực tùy ¥ 71, 72,. + „ Kết quả này có thể thu được bằng cách cho a; = ag =.
= dn = 1 va by = X1, by —= #2, ws On — 1n. Cho z,, z là các số thực dương thỏa mãn øu> 1,z> 1. Tìm giá trị nhỏ nhất của biểu thức to. Bài toán đối xứng theo z, nên ta có điểm rơi khi z =.
Do đó ta đánh giá hai phân thức đầu bằng bất đẳng thức Cauchy-Schwarz kết hợp với bất đẳng thức AM-GM, khi đó ta được: + y 2 y? ~ = + yt1l x+l z+z xyt+y &@ t6 ` — (ety) Ae +) — 9zu+z+— (w+)? _ ø+y+2! y U_ (+) Tư +g y 2 Do z > 1 nên ta đánh giá 3 z+2 > 1 > 4 3(œ+1) — zu+l1— (z+ø)}?+4 p> 2(xz+ø) + 4 z+u+2_ (z+)?