www.MATHVN.com – Toán học Việt Nam Biên soạn: Ngô Văn Thái Trang - 1 - Sáng tạo bất đẳng thức từ một bài toán gốc (Phần 1) Ngô Văn Thái Trường T.H.P.T Phạm Quang Thẩm Vũ Thư-Thái Bình Trong quá trình giải toán tôi gặp một bài toán bất đẳng thức (b.đ.t) sau đây “ Cho ba số thực không âm a,b,c . Chứng minh rằng ( ) ( )342222 cbaacba ++≥++ ” (*) Lời giải: Áp dụng b.đ.t trung bình lũy thừa ( )222 2 1 cbcb +≥+ ta được ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )[ ]222442242222222 4 4 1 4 1 2 1 cbacbacbcbaacbacba ++++=++++= ++≥++ Mặt khác theo b.đ.t Cauchy hai số thì ( ) ( )cbacba +≥++ 44 22 Do đó ( ) ( )342222 cbaacba ++≥++ Đẳng thức xẩy ra khi 0≥== cba , hoặc 0,0 ≠== acb . Bài toán được chứng minh. Sau khi giải xong bài toán trên tôi thấy bài toán cũng bình thường như nhiều bài toán khác không dễ cũng không khó, nên một thời gian dài tôi không để tâm tới bài toán đó nữa. Nhân một hôm đọc lời giải bài toán b.đ.t thi quốc tế IMO-42 đăng trong cuốn sách“40 năm OLYMPIC toán học quốc tế” của G.S-T.S Vũ Dương Thụy,Th.S Nguyễn Văn Nho, trong lời giải có phép biền đổi dẫn đến b.đ.t sau: 3 1 3 1 3 1 3 1 2 8 cba a bca a ++ ≥ + Tiếp sau đó tôi đọc cuốn “Bất đẳng thức, suy luận và khám phá” của Phạm Văn Thuận, Lê Vĩ, cũng thấy giới thiệu lời giải bài toán b.đ.t thi quốc tế IMO-42 của tác giả Hojoo Lee,trong lời giải đẹp này lại đưa đến b.đ.t sau: cba a cba a ++ ≥ + 4 3 4 3 2 3 4 3 8 Tự nhiên tôi liên tưởng đến bài toán (*) đã bỏ quên từ lâu, thế là tôi đi đến quyết định, thử tìm hiểu xem giữa bài toán (*) và bài toán b.đ.t thi quốc tế IMO-42 có mối liên hệ gì với nhau hay không ? và cũng từ b.đ.t (*) liệu có thể khai thác để sáng tạo ra những bài toán b.đ.t đẹp được hay không ? Thật bất ngờ khi sử dụng www.MATHVN.com – Toán học Việt Nam Biên soạn: Ngô Văn Thái Trang - 2 - b.đ.t (*) kết hợp với các b.đ.t quen biết khác thì điều dự đoán của tôi đã thu được nhiều kết quả đẹp, ấn tượng vượt trên cả sự mong đợi. Sau đây tôi xin được chia sẻ với bạn đọc về những nét tìm tòi của mình xung quanh bài toán b.đ.t (*), mặc dù cách tìm tòi của tôi không phải là điều gì mới mẻ, nhưng các kết quả tìm ra lại không cũ. Vì vậy tác giả vẫn mong muốn được đón nhận nhiều ý kiến trao đổi từ phía bạn đọc. Bài viết này dành để tặng các em học sinh khá giỏi môn toán, tác giả rất vui mừng sau khi các em đọc xong bài viết này sẽ tự mình sáng tạo ra những bài toán hay, đẹp hơn nữa từ những bài toán quen thuộc, chúc các em thành công. 1-Sử dụng bất đẳng thức (*) để chứng minh bài toán thi quốc tế IMO-42 Bài toán: Cho các số thực dương x,y,z . Chứng minh rằng 1 888 222 ≥ + + + + + xyz z zxy y yzx x Chứng minh Từ b.đ.t (*): ( ) ( )342222 cbaacba ++≥++ theo b.đ.t Cauchy hai số ta được ( ) ( ) ( ) ( ) ⇔++≥+⇔+≥++ 22222332 3 42222 8 18 cba a bca bcaacba ( ) 222 2 2 3 3 3 8 cba a bca a ++ ≥ + ⇔ Tương tự ( ) 222 2 2 3 3 3 8 cba b cab b ++ ≥ + ; ( ) 222 2 2 3 3 3 8 cba c abc c ++ ≥ + ( ) ( ) ( ) 1 888 222 222 2 3 3 3 2 3 3 3 2 3 3 3 = ++ ++≥ + + + + + ⇒ cba cba abc c cab b bca a Từ b.đ.t này ta đặt 232323 ;; zcybxa === , thì 1 888 222 ≥ + + + + + xyz z zxy y yzx x Dấu đẳng thức xảy ra khi và chỉ khi 0>== zyx . Bài toán được chứng minh Ngoài ra khi sử dụng b.đ.t (*) còn cho ta b.đ.t kép chặt hơn bài toán b.đ.t thi quốc tế IMO-42 như sau: www.MATHVN.com – Toán học Việt Nam Biên soạn: Ngô Văn Thái Trang - 3 - Cho các số thực dương x,y,z . Chứng minh rằng ≥ + + + + + xyz z zxy y yzx x 888 222 1 3 3 2 3 2 2 3 3 2 3 2 2 3 3 2 3 2 2 ≥ ++ + ++ + ++ ≥ yxz z xzy y zyx x Bạn đọc tự chứng minh kết quả này. 2-Sử dụng bất đẳng thức (*) để sáng tạo các bài toán bất đẳng thức Tất cả các kết quả dưới đây đều được sinh ra từ b.đ.t (*) và đều có cùng giải thiết a,b,c là ba số thực dương, riêng các kết quả từ 30 đến 39, từng kết quả đều có sự bổ xung giả thiết để được những bài toán đúng. Kết quả 1: ( ) ( ) ( ) 133 3 33 3 33 3 ≥ ++ + ++ + ++ bac c acb b cba a Chứng minh Từ b.đ.t (*): ( ) ( ) ⇔++≥++ 342222 cbaacba ( ) ( ) ( ) 222 2 33 3 222233 1 cba a cba a cba a cba ++ ≥ ++ ⇔ ++ ≥ ++ ⇔ Tương tự ( ) 222 2 33 3 cba b acb b ++ ≥ ++ , ( ) 222 2 33 3 cba c bac c ++ ≥ ++ Cộng vế với vế ba b.đ.t trên sẽ được ( ) ( ) ( ) 1222 222 33 3 33 3 33 3 = ++ ++≥ ++ + ++ + ++ cba cba bac c acb b cba a Đẳng thức xảy ra khi và chỉ khi a=b=c. Kết quả 1 được chứng minh Kết quả 2: ( ) ( ) ( ) 3 2223 33 5 3 33 5 3 33 5 cba bac c acb b cba a ++≥ ++ + ++ + ++ Chứng minh www.MATHVN.com – Toán học Việt Nam Biên soạn: Ngô Văn Thái Trang - 4 - Từ b.đ.t (*): ( ) ( ) ( ) ( )32222 2 3 33 5 34222 cba a cba a cbaacba ++ ≥ ++ ⇔++≥++ Tương tự ( ) ( )32222 2 3 33 5 cba b acb b ++ ≥ ++ , ( ) ( )32222 2 3 33 5 cba c bac c ++ ≥ ++ Cộng vế theo vế ba b.đ.t trên rồi rút gọn ta đươc bài toán cần chứng minh Đẳng thức xảy ra khi và chỉ khi a=b=c . Kết quả 2 được chứng minh Kết quả 3: ( ) ( ) ( ) ( )222333 22 cbabacacbcba ++≤+++++ Chứng minh Từ b.đ.t (*): ( ) ( ) ( )( ) ( )322222342222 2 cbacbcbacbaacba +≥+++⇔++≥++ Tương tự ( )( ) ( )322222 2 acbaccba +≥+++ ; ( )( ) ( )322222 2 bacbacba +≥+++ Theo b.đ.t Bunyakovsky sẽ được ( ) ( ) ( )[ ] ( ) ( ) ( )[ ]≥+++++++++++++ 222222222222222 .222 baaccbcbacbacba ( )( ) ( )( ) ( )( )[ ] ≥+++++++++++≥ 2222222222222222 222 bacbaaccbacbcba ( ) ( ) ( ) 2333 +++++≥ bacacbcba ( ) ( ) ( ) ( ) 233322228 +++++≥++⇒ bacacbcbacba ( ) ( ) ( ) ( )222333 22 cbabacacbcba ++≤+++++⇔ Đẳng thức xảy ra khi và chỉ khi a=b=c . Kết quả 3 được chứng minh Kết quả 4: ( ) ( ) ( ) 2 222333333 3 1111 ++ ++≥ ++ + ++ + ++ = cba cba bacacbcba A Chứng minh Từ b.đ.t (*): ( ) ( ) ( ) 22233 342222 1 cba a cba cbaacba ++ ≥ ++ ⇔++≥++ Tương tự ( ) ( ) cba c baccba b acb ++ ≥ ++++ ≥ ++ 223322233 1 ; 1 Theo b.đ.t Bunyakovsky thì www.MATHVN.com – Toán học Việt Nam Biên soạn: Ngô Văn Thái Trang - 5 - ( ) ( ) ( ) ( ) 2 222 2 333333 111111 ++ ++≥ ++ + ++ + ++ ≥++ cba cba bacacbcba A 2 2223 1 ++ ++≥⇒ cba cbaA Đẳng thức xảy ra khi và chỉ khi a=b=c . Kết quả 4 được chứng minh Kết quả 5: ( ) ( ) ( ) 2 222333333 3 1 ++ ++≥ ++ + ++ + ++ = cba cba bac c acb b cba aB Chứng minh Từ b.đ.t (*): ( ) ( ) ( ) 22233 342222 cba a cba a cbaacba ++ ≥ ++ ⇔++≥++ Tương tự ( ) 22233 cba b acb b ++ ≥ ++ , ( ) 22233 cba c bac c ++ ≥ ++ Theo b.đ.t Bunyakovsky thì ( ) ( ) ( ) ( ) 2 222 2 333333111 ++ ++≥ ++ + ++ + ++ ≥++ cba cba bac c acb b cba aB 2 2223 1 ++ ++≥⇒ cba cbaB Đẳng thức xảy ra khi và chỉ khi a=b=c . Kết quả 5 được chứng minh Kết quả 6: ( ) ( ) ( ) cbabac c acb b cba aC ++ ≥ ++ + ++ + ++ = 1 33 2 33 2 33 2 Chứng minh: Từ b.đ.t (*): ( ) ( ) ( ) 222 2 33 3 342222 cba a cba a cbaacba ++ ≥ ++ ⇔++≥++ Tương tự ( ) 222 2 33 3 cba b acb b ++ ≥ ++ , ( ) 222 2 33 3 cba c bac c ++ ≥ ++ Theo b.đ.t Bunyakovsky thì: ( ) ( ) ( ) ( ) 1. 2 222 222 2 33 3 33 3 33 3 = ++ ++≥ ++ + ++ + ++ ≥++ cba cba bac c acb b cba aCcba www.MATHVN.com – Toán học Việt Nam Biên soạn: Ngô Văn Thái Trang - 6 - ++ ≥⇒ cba C 1 Đẳng thức xảy ra khi và chỉ khi a=b=c . Kết quả 6 được chứng minh. Kết quả 7: ( ) ( ) ( ) 3 1 33 3 33 3 33 3 ≥ ++ + ++ + ++ = bac c acb b cba aD Chứng minh: Từ b. đ.t (*): ( ) ( ) ( ) 222 2 33 3 342222 cba a cba a cbaacba ++ ≥ ++ ⇔++≥++ Tương tự ( ) 222 2 33 3 cba b acb b ++ ≥ ++ , ( ) 222 2 33 3 cba c bac c ++ ≥ ++ Theo b.đ.t Bunyakovsky thì ( ) ( ) ( ) ( ) 1111 2 222 222 2 33 3 33 3 33 3 = ++ ++≥ ++ + ++ + ++ ≥++ cba cba bac c acb b cba aD 3 1≥⇒ D Đẳng thức xảy ra khi và chỉ khi a=b=c . Kết quả 7 được chứng minh Kết quả 8: Gọi a,b,c là độ dài ba cạnh của một tam giác. Chứng minh rằng ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 1223 22 223 22 223 22 ≥ +−+ + + +−+ + + +−+ + = bacba bac acbac acb cbacb cbaE Chứng minh Từ b.đ.t (*): ( ) ( ) ( )( ) ( )322222342222 2 cbacbcbacbaacba +≥+++⇔++≥++ ( ) ( ) ( ) ( )22 2223 222 22 3 2222 cb cbacba cba cb cba cba + +−+≥++⇔ + +≥++⇔ Vì a,b,c là độ dài ba cạnh của một tam giác nên ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 00, 2223223222 >+−+⇔>+−+⇒+>+>+ cbacbacbacbcbcbacb ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 222 2 223 22 222223 22 cba a cbacb cba cba a cbacb cb ++ ≥ +−+ + ⇔ ++ ≥ +−+ + ⇒ www.MATHVN.com – Toán học Việt Nam Biên soạn: Ngô Văn Thái Trang - 7 - Tương tự ( )( ) ( ) 222 2 223 22 cba b acbac acb ++ ≥ +−+ + , ( ) ( ) ( ) 222 2 223 22 cba c bacba bac ++ ≥ +−+ + Cộng vế với vế tương ứng của ba b.đ.t trên ta được 1222 222 = ++ ++≥ cba cbaE Đẳng thức xảy ra khi và chỉ khi a=b=c, khi đó tam giác đã cho là tam giác đều. Kết quả 8 được chứng minh Kết quả 9: ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 2 1 2223 222 2223 222 2223 222 ≥ +++ + + +++ + + +++ + = babac baz acacb acy cbcba cbxF Trong đó (x,y,z) là một hoán vị tùy ý của (a,b,c) Chứng minh : Từ b.đ.t (*): ( ) ( ) ( )( ) ( )322222342222 2 cbacbcbacbaacba +≥+++⇔++≥++ ( ) ( ) ( ) ( ) ( )22 2223 222 22 3 222 22 cb cbcba cba cb cba cba + +++≥++⇔ + +≥++⇔ ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )222 2 2223 222 2222223 22 22 1 cba x cbcba cbx cbacbcba cb ++ ≥ +++ + ⇔ ++ ≥ +++ + ⇔ Tương tự ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )222 2 2223 222 222 2 2223 222 2 ; 2 cba z babac baz cba y acacb acy ++ ≥ +++ + ++ ≥ +++ + ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )222 222 2223 222 2223 222 2223 222 2 cba zyx babac baz acacb acy cbcba cbxF ++ ++≥ +++ + + +++ + + +++ + =⇒ Vì (x,y,z) là một hoán vị tùy ý của (a,b,c) nên 2 1222222 ≥⇒++=++ Fcbazyx Đẳng thức xảy ra khi và chỉ khi a=b=c . Kết quả 9 được chứng minh Như vậy thông qua các kết quả trên, độc giả thấy b.đ.t (*) đã có tác dụng không nhỏ trong việc làm cầu nối để chứng minh và sáng tạo ra nhiều bài toán b.đ.t hay,đẹp.Tôi xin dừng phép chứng minh các kết quả tiếp theo dưới đây, để dành phần chứng minh đó cho độc giả nào muốn khám phá. Có điều một số kết quả trong các kết quả này không dễ chứng minh, thậm chí rất khó chứng minh nếu như không sử dụng b.đ.t (*). www.MATHVN.com – Toán học Việt Nam Biên soạn: Ngô Văn Thái Trang - 8 - Kết quả 10: ( )444222 cabcababccba ++≥++ Kết quả 11: ( ) ( ) ( ) 333333333 1111 cbabacacbcba ++ ≥ ++ + ++ + ++ Kết quả 12: ( ) ( ) ( ) 3 222333333 3 1111 ++ ++≥ ++ + ++ + ++ cba cba bacacbcba Kết quả 13: ( ) ( ) ( ) ( )2222333333 111 cba cba bacacbcba ++ ++≥ ++ + ++ + ++ Kết quả 14: ( ) ( ) ( ) ( )( )2222333333 . 9111 cbacabcab abc bacacbcba ++++ ≥ ++ + ++ + ++ Kết quả 15: ( ) ( ) ( ) ( )222333333 1 cbabac c acb b cba a ++ ≥ ++ + ++ + ++ Kết quả 16: ( ) ( ) ( ) ( ) ( )2222 3 33 2 33 2 33 2 9 cba cba bac c acb b cba a ++ ++≥ ++ + ++ + ++ Kết quả 17: ( ) ( ) ( ) ( )2222 333 33 2 33 2 33 2 cba cba bac c acb b cba a ++ ++≥ ++ + ++ + ++ Kết quả 18: ( ) ( )2222333 9111 cba cba cba ++ ++≥++ www.MATHVN.com – Toán học Việt Nam Biên soạn: Ngô Văn Thái Trang - 9 - Kết quả 19: ( ) ( ) ( ) 8 3 3 3 3 3 3 3 ≥ + + + + + ba c ac b cb a Kết quả 20: ( ) ( ) ( ) cabcab abc bac c acb b cba a ++ ≥ ++ + ++ + ++ 33 4 33 4 33 4 Kết quả 21: ( ) ( ) ( ) 2 222 333 33 5 33 5 33 5 3 1 ++ ++≥ ++ + ++ + ++ cba cba bac c acb b cba a Kết quả 22: ( ) ( ) ( ) ( )22233 5 33 5 33 5 9 1 cba bac c acb b cba a ++≥ ++ + ++ + ++ Kết quả 23: ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 2 3222 3 222 3 222 3 222 ≥ + ++ + + ++ + + ++ ba cbac ac cbab cb cbaa Kết quả 24: ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 12 2 2 2 2 2 2223 222 2223 222 2223 222 ≥ ++++ ++ + ++++ ++ + ++++ ++ cbacba cbac cbabac cbab cbaacb cbaa Kết quả 25: ( ) ( ) ( ) 222333333 cba cba bac c acb b cba a ++ ++≥ ++ + ++ + ++ Kết quả 26: 2 3 888 222 ≥ −+ + −+ + −+ cabc c bcab b abca a Kết quả 27: ( ) ( ) ( ) 2 3 333 3 333 3 333 3 ≥ −++ + −++ + −++ cbac c bacb b acba a www.MATHVN.com – Toán học Việt Nam Biên soạn: Ngô Văn Thái Trang - 10 - Kết quả 28: abc abc c cab b bca a ≥ + + + + + 727272 2 5 2 5 2 5 Kết quả 29: ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )2222223 22 2223 22 2223 22 2 cba cba babac bac acacb acb cbcba cba ++ ++≥ +++ + + +++ + + +++ + Kết quả 30: ( ) ( ) ( ) αααα 81 3 33 3 33 3 33 3 + ≥ ++ + ++ + ++ bac c acb b cba a ( )1≥α Kết quả 31: ( ) ( ) ( ) 1 888 2 3 3 2 2 3 3 2 2 3 3 2 ≥ + + + + + abcc z cabb y bcaa x Trong đó (x,y,z) là một hoán vị tùy ý của (a,b,c) Kết quả 32: ( )[ ] ( )[ ] ( )[ ] 133 2 33 2 33 2 ≥ ++ + ++ + ++ bacc z acbb y cbaa x Trong đó (x,y,z) là một hoán vị tùy ý của (a,b,c) Kết quả 33: Cho a,b,c > 1. Chứng minh rằng ( ) ( ) ( )33222 3 333 3 1 1 1 1 1 1 cbacba cba cba ++−++ ++≥ − + − + − Kết quả 34: Cho a,b,c > 1. Chứng minh rằng ( ) ( ) ( )cbacba cba cba ++−++ ++≥ − + − + − 3 9 1 1 1 1 1 1 2222333 Kết quả 35 : www.MATHVN.com – Toán học Việt Nam Biên soạn: Ngô Văn Thái Trang - 11 - Gọi a,b,c là độ dài ba cạnh của một tam giác. Chứng minh rằng ( ) ( ) ( ) 7 3 33 3 33 3 33 3 ≥ −+ + −+ + −+ cba c bac b acb a Kết quả 36: Gọi a,b,c là độ dài ba cạnh của một tam giác. Chứng minh rằng ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 222223 22 223 22 223 22 cba cba bacba ba acbac ac cbacb cb ++ ++≥ +−+ + + +−+ + + +−+ + Kết quả 37: Gọi a,b,c là độ dài ba cạnh của một tam giác, αβα ≤≤≥ 0,1 . Chứng minh rằng ( ) ( ) ( ) βαβαβαβα −≥−++−++−+ 8 3 33 3 33 3 33 3 cba c bac b acb a Kết quả 38: ( ) ( ) ( ) βαβαβαβα +≥++++++++ 8 3 33 3 33 3 33 3 cba c bac b acb a Trong đó αβα 40,1 ≤≤≥ Kết quả 39: Cho ba số thực dương a,b,c thỏa mãn 1222 =++ cba . Chứng minh rằng ( ) ( ) ( ) 223 9 1 1 1 1 1 1 333 + ≥ ++ + ++ + ++ bacacbcba Lưu ý: Trong số những kết quả đưa ra ở trên (trừ kết quả 8,35,36,37), những kết quả nào có chứa biểu thức ( ) ( ) ( )333 ,, accbba +++ , theo thứ tự lần lượt thay bằng ( ) ( ),4,4 cbbcbaab ++ ( )acca +4 hoặc theo thứ tự lần lượt thay bằng ( ) ( ) ( )232323 8,8,8 cabcab . Thì sẽ lại được những bài toán b.đ.t mới tương ứng nhưng không chặt so với bài toán b.đ.t trước khi chưa thay. www.MATHVN.com – Toán học Việt Nam Biên soạn: Ngô Văn Thái Trang - 12 - Tài liệu tham khảo [1] Vũ Dương Thụy, Nguyễn Văn Nho, 2003,40 năm OLYMPIC toán học quốc tế, Nhà xuất bản G.D [2] Phạm Văn Thuận, Lê Vĩ, 2007, Bất đẳng thức suy luận và khám phá, Nhà xuất bản ĐHQG HN [3] Trần Phương, Trần Tuấn Anh, Nguyễn Anh Cường,2009, Những viên kim cương trong bất đẳng thức toán học, Nhà xuất bản Tri thức [4] Phạm Kim Hùng,2006,Sáng tạo bất đẳng thức,Nhà xuất bản Tri thức [5] Ngô Văn Thái, 2014, Phương pháp bất đẳng thức Chebyshev, Tạp chí Dạy và học ngày nay [6] Ngô Văn Thái, 2015,Phát triển mở rộng bất đẳng thức Nesbitt, đẳng thức Nesbitt, www.MATHVN.com [7] Tạp chí Toán học và tuổi trẻ, Việt nam [8] Tạp chí Dạy và học ngày nay, Việt nam [9] www.MATHVN.com
Tài liệu đính kèm: