Chương 1. Một số dạng đại lượng trung bình cơ bản Chương 2. Phân thức chính quy và chính quy suy rộng. Các dạng toán liên quan.
Để hoàn thành luận văn này, trước nhất tôi xin được gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc tới GS. Nguyễn Văn Mậu đã dành thời gian hướng dẫn, chỉ bảo tận tình và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình xây dựng đề tài cũng như hoàn thành luận văn. Tiếp theo, tôi cũng xin gửi lời cắm ơn chân thành tới các thầy cô đã đọc, kiểm tra, đánh giá và cho tôi nững ý kiến quý báu để luận văn được hoàn thiện hơn. Qua đây, tôi cũng xin được gửi lời cảm ơn tới Ban giám hiệu, phòng Dao tạo, khoa Toán - Tin Trường ĐHKH, Đại học Thái Nguyên và các bạn đồng nghiệp đã tạo điều kiện thuận lợi trong suốt quá trình học tập tại trường.
Một số dạng đại lượng trung bình cơ bản 1.1 Khai triển Newton Ta nhắc lại khai triển Newton (xem [1], [3]) cho cặp số và bộ số. Với ø,b là các số thực và œ là số tự nhiên lớn hơn bằng 2, ta luôn có n (a +b)" =S°Char-*ok (1.1) k=0 trong đó n! Ck=— "k(n — k)! Công thức (.1] gọi là công thức nhi thitc Newton. Cho ø và rm là các số nguyên dương. Với bất kỳ # = (#1,#2,--- ,#„) trong IR*, ta có ml (x1 + 12 + ve + Ln)” = » an (1.2) lal=m ` trong dé a! = ay!ag!--+ an! v6ia = (a4, œa, + , œ„) trong Ñ”,+2 = 21'49?.
0n và tổng chạy qua tất cả œ có thể có trong Ñ" thỏa mãn |ơ| = œi+øœa+--:+ An = mm. Cho một đa thức f(x) = So aja’. j=0 5 Khi đó, hệ số thứ 7 của ƒ(z) có thể biểu diễn được dưới dạng 1. -= —ƒ0) aj x nÍ (0), trong đó ƒ)(0) ứng với đạo hàm cấp 7 tại 0.
Lay đạo hàm lần thứ j của +, ta được d\! khong (=) et = ID ee néuj <k va d\! , (=) +z* =0, nếu j >Èk, ” d\/ ” k!. v ƒ(œ)=>} œ (=) + = ah", với bất kì j nằm giữa 0 va n. im dx i (k — j)! Khi đó f1(0) = jay Suy ra a = 510) Định lý 1. Cho n 1A một số nguyên dương.
Ta đặt 12 1U g(x) = («+50 ¬ : Khi do g (0) = nl. Tà có 1 Là” 0(3)=z” (1+ +rrct sat] = z"hứn), n trong đó 1 1 m—] " h(œ) = l+ sate +o. Ấp dụng công thức Leibniz (np) Sr (AN in (4), g"() >- (n— 7)! \d+ xxx Œ) nin! - (đÀ? ——————+-.2 Định lý về các giá trị trung bình cộng và nhân Tiếp theo, ta sẽ đề cập đến định lý về bất đẳng thức giữa giá trị trung bình cộng và trung bình nhân (còn gọi là bất đẳng thức AM-GM}) va dang bat dang AM-GM suy rong. Dặc biệt, trong chương này trình bày một số phương pháp chứng minh bất đẳng thức AM-CM của các nhà toán học nổi tiếng.
Giả sử #,zs,., #„ là các số không âm. Khi đó Tt + Ly > wT X2-** Xp.3) n Dấu đẳng thức xảy ra khi và chỉ khi #ị = #s = --- = đạ. Hệ quả trực tiếp của bất đẳng thức AM-GM là bất đẳng thức giữa trung bình nhân và trung bình điều hòa (gọi và viết tắt là bất đẳng thức GM-HMP) Hệ quả 1. Với mọi bộ số dương a, đ»,., đạ, ta đều có n Vay 2° °° An 2 —— + — +---- + — đi ag an Dấu đẳng thức xảy ra khi và chỉ khi øi = as = --- = đạ.
St dung bat dang thức AM-GM đối với bộ số x, := — (k =1,2,.,m), ta có ngay bất đẳng thức GM-HM. 1 Arithmetic mean value -Trung bình cộng, Geometrie mean value -Trung bình nhân. ? Harmonic mean -Trung bình điều hòa 7 Cho đến nay, người ta đã biết đến hàng trăm cách khác nhau để chứng minh Bất đẳng thức giữa giá trị trung bình cộng và trung bình nhân. Mỗi cách chứng minh Định lý |1.5| đều có những đặc thù theo ý tưởng và mục tiêu riêng của các nhà toán học.
Có những cách chứng minh (của một số nhà khoa học nổi tiếng) xuất phát từ những ý tưởng tưởng như không liên quan trực tiếp gì tới các giá trị trung bình cộng và trung bình nhân của bộ số dương đã cho. Sau đây, ta sẽ trình bày một số cách chứng minh tương đối sơ cấp và dễ hiểu giúp ta nhìn nhận các mở rộng sau đó một cách hệ thống và có tính lôgic tự nhiên (xem [1]). Quy nạp kiểu Cauchy Đây là kiểu quy nạp theo cặp hướng (lên-xuống) do Cauchy đề xuất vào năm 1821. 'Từ hệ thức bậc hai uy + us > 2u1ua, Vu, ua CN, (1.4) ta SUY ra “1 — > W1za, Vzị,+¿ không âm.5) ta nhận Thay z¡, zs lần lượt bằng các biến mới được = T———> > [bested 1 2 > et (ws4)?)? = ÿ®itaaa.6) Tiếp tục quá trình như trên ta thấy bất đẳng thức (1.
và nói chung, đúng với nø là lũy thừa của 2. Đây chính là quy nạp theo hướng lên trên. Bây giờ ta thực hiện quy trình quy nạp theo hướng xuống phía dưới. Ta chứng minh rằng, khi bất đẳng thức (1.3) đúng với n (n > 1) thi no cing đúng với n — 1.3) bởi #ị ta 7Ð! ÐØn-I m=—] 8 và giữ nguyên các biến z; khác, từ (1.3Ì ta thu được a ÐØn-I n—1 #Ị T2 + Mp1 + 2 n 1/8 ta rẻ ch 8n 1n > (ea tea) (I) hay Ltt Urs + Ly-1 c1 /0ị đa +rc đa 1N ————— “—>(#1#2---#„_1)"= (—————').
n-1 n-1 Rút gọn biểu thức trên, ta thu được Lp 2 Em m=— Ì > "12 -''đn_1. Từ kết quả đã chứng minh theo cặp hướng (lên-xuống), ta thu được phép chứng minh quy nạp của Định lý [1.5 Tiếp theo, theo đúng cách chứng minh quy nạp kiểu Cauchy, ta chứng minh được các bat dang thức sau đây: Bài toán 1., #„ là các số dương 1 trong (0, 3]: Khi đó I] 2% [] (1 — 2x) k=1 k=1 (xm) [20-=)] k=1 k=1 Dấu đẳng thức xảy ra khi và chỉ khi #ị = #s = --- = đạ., z„ là các số không âm và œ = 1,2,. Một số dạng đa thức đối xứng sơ cấp Da thức P(z\,#s,., #„) với bộ n biến số thực #1,#a,., x, được hiểu là hàm số (biểu thức) có dạng P(41,#a,.*a ®n); trong đó — J jn 4 ; My(đl,.7) Trong mục này ta quan tâm chủ yếu đến các dạng đa thức đồng bậc biến số thực và nhận giá trị thực, đặc biệt là các đa thức đối xứng sơ cấp quen biết liên quan đến các hằng đẳng thức đáng nhớ trong chương trình toán trung học phổ thông. Trước hết, ta nhắc lại công thức khai triển nhị thức Newton: n — n n—-kk (x +a) =À` li)» +, k=0 Nếu ta coi (+ + a)” như là tích của ø thừa số: (œ + a)(# + a)---(œ + a), thì khi đó tích ( + ø1)(# + da) -- - ( + an) cũng có thể viết dưới dạng một biểu thức tương tự như công thức khai triển nhị thức Newton như sau: (+1) 3 8g): + a,) = 3” (7) k=0 trong đó đị ƑE đa ƑE tt + An P= —————————: dE aia; 1<i<j< P= (1.
Vậy nên, nếu các số ai, dạ,., a„ đều dương (hoặc không âm và không đồng thời bằng 0) thì không mất tính tổng quát, ta có thể coi các số Đi,Đa,.,p„ đều là số dương (không âm).8), ta thu được Pn =— n a109°** Qn. Ta thay, øị chính là trung bình cộng, ø„ là trung bình nhân, và do đó, các p; khác cũng là các đại lượng trung bình cần đặt tên cho chúng như là những đối tượng cơ bản cần tập trung nghiên cứu. Cho ø là bộ n số dương {a1, da,. Ky hiéu _ ri(n—ryt P,(@) = Er).
#„ là bộ nø các số thực không âm (ký hiệu bởi (#)) và 11, a,., „ là bộ các số thực không âm khác (được ký hiệu bởi 0) Hai dãy (Z) và (Ø) được gọi là đồng dạng (và ký hiệu (Z) ~ () nếu tồn tai \€ R (A £0) sao cho ta có #; = À1; (7 = l,. Cho ø là bộ (ai.ứ„) các số thực dương. Ching minh rằng Pyoa-Prai < P? (k =1,2,. (# + an) = Eu+” + Ela”"”Ìụ + + EU”, E, là tổng tất cả các tích ¿ số khác nhan, ‘in — k)! P= kl(n kyle KT cụ n! Vì tẤt cả các a; > Ova t= “= Ú và 0:= J~ 0 không phải là nghiệm của, % phương trình ƒŒ, 1) = 0 và ƒ(1,0) = 0, tương ứng, nên “=0và” =0 y x không phải là nghiệm bội trong các phương trình nhận từ đạo hàm của nó.
Từ đó ta có thể kết luận rằng các số ; dương, tức là phương trình Pra? + 2Prary + Pry” = 0 nhận được từ ƒ(z,) = 0 bằng cách lấy vi phan lién tiép theo x va y. Do phương trình này có nghiệm thực nên Py; Pri < Độ. Chứng minh bất đẳng thức E, Ep < EZ re Lời giải. Tit bat ding thitc trong Bai toan|1.3} ta cé PrP < Pe.
Suy ra k — 1)l{n — k+ 1)! k+1)l{n — k— 1) kl{n — k)\2 (=n he DE (EDM B= Wha (HM A) hay (k+1)(n-—k+1) kín — k) Từ đây, ta có ngay điều phải chứng minh.,ø}) và không đồng thời bằng nhau. Chứng minh bất đẳng thức 1 1 1 Đ > Độ > Đ >--- > Dị. Theo bất đẳng thức trong Bài toán |I.4| ta có PoP < Pỷ (P. Ta dễ dàng chứng minh P.,; < P? bang phương pháp quy nạp.
Thật vậy, giả sử bất đẳng thức đúng với m — 1 số dương a1, ds,., đ„—1 và đặt Es, P! la cdc E,, P. tao bdi — 1 số ấy và giả sử tất cả các số đó không đồng thời bằng nhau. Khi đó Eÿ = a,Ej_¡ > Pp = TP} + cau, Từ đó suy ra n?(P,1P.41 — P?) = A+ Ba, + Ca?, trong đó 4A ={n=r))= 1Ì 1P (nr) Py B=(n=r+1)(ứr+1). Vì cdc a; khong đồng thời bằng nhau nên theo giả thiết ta có ta < PP, y— Đị< Ha ĐsP.
Điều này van ding khi ay = ag =. Khi dé an # ay. Từ bất đẳng thức (1.10), ta thu được bất đẳng thức sau: 13 Hệ quả 1. trong đó Pn = {/@102 -- - dạ.
Đặc biệt, pị > p„. Đó chính là bất đẳng thức giữa giá trị trung bình cộng và trung bình nhân. Quy nạp kiểu Ehlers Ta chứng minh Định lý |1.5| đối với bộ số dương #1, #»,.3) đúng với bộ ø số thỏa mãn thỏa mãn điều kiện: #1#2***#n#na+L = T. Xét bộ n-+ 1 số dương Giả thiết rằng (không mất tổng quát) # và #s là hai số từ bộ ø + 1 số trên có tính chất: khi đó Tt (1.13) và do bộ ?› số ##s,#s,.