Luận văn Sử dụng một số bất đẳng thức thông dụng để chứng minh bất đẳng thức

MỤC LỤC Trang Mục lục 1 Lời cảm ơn 2 Lời nói đầu 3 Chương 1 – Phương pháp sử dụng bất đẳng thức Côsi 4 1.1 – Bất đẳng thức Côsi 4 1.2 – Sử dụng bất đẳng thức Côsi cơ bản 5 1.3 – Sử dụng trực tiếp bất đẳng thức Côsi 14 1.4 – Thêm bớt hằng số khi sử dụng bất đẳng thức Côsi 23 1.5 – Thêm bớt biến số khi sử dụng bất đẳng thức Côsi 27 1.6 – Nhóm các số hạng khi sử dụng bất đẳng thức Côsi 33 Chương 2 – Phương pháp sử dụng bất đẳng thức Bunhiacopski 42 2.1 – Bất đẳng thức Bunhiacopski 42 2.2 – Bất đẳng thức Bunhiacopski mở rộng 55 Chương 3 – Phương pháp sử dụng bất đẳng thức với các dãy đơn điệu 59 3.1 – Bất đẳng thức với các dãy đơn điệu 59 3.2 – Một số ví dụ minh hoạ 60 Chương 4 – Phương pháp sử dụng bất đẳng thức Trêbưsép 67 4.1 – Bất đẳng thức Trêbưsép 67 4.2 – Một số ví dụ minh hoạ 68 Chương 5 – Phương pháp sử dụng bất đẳng thức Jensen 81 5.1 – Định nghĩa hàm lồi 81 5.2 – Điều kiện đủ về tính lồi của hàm số 82 5.3 – Bất đẳng thức Jensen 82 5.4 – Một số ví dụ minh hoạ 84 Tài liệu tham khảo 98

pdf99 trang | Chia sẻ: maiphuongtl | Ngày: 17/05/2013 | Lượt xem: 305 | Lượt tải: 0download
Tóm tắt tài liệu Luận văn Sử dụng một số bất đẳng thức thông dụng để chứng minh bất đẳng thức, để tải tài liệu về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
a b c c a c bÛ + + + ³ + + + + + ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )2 2 2 2 2a a bc b b ca c c ab a b ca b a bc c ac bcÛ + + + + + ³ + + + + + . (2) Do vai trò bình đẳng giữa , ,a b c nên giả sử 0a b c³ ³ > 2 2a bc b caÞ + ³ + . Áp dụng với hai dãy cùng thứ tự: ( ),a b và ( )2 2,a bc b ca+ + ta có: ( ) ( ) ( ) ( )2 2 2 2a a bc b b ca a b ca b a bc+ + + ³ + + + , (3) tiếp tục áp dụng với hai dãy cùng thứ tự: ( ),b c và ( ),a c ta có: 2ab c bc ba+ ³ + ( ) ( )2c c ab c bc abÞ + ³ + . (4) Cộng từng vế của (3),(4) Þ (2) đúng Þđpcm. Đẳng thức xảy ra Û đồng thời đẳng thức trong (3),(4) xảy ra a b c ABCÛ = = ÛD đều. Nhận xét: · Có cách giải khác cho thí dụ trên: Ta có (1) ( ) ( ) ( )2 2 2 2 2 2 2 2 2 3a b c a b c a b c a b c abcÛ + - + + - + + - £ . (5) Theo định lý hàm số cosin trong tam giác thì: (5) 2 . os 2 .cos 2 .cos 3abc c A abc B abc C abcÛ + + £ 3cos cos cos 2 A B CÛ + + £ . (6) Dễ thấy (6) đúng (đây là bất đẳng thức lượng giác cơ bản trong tam giác )Þđpcm. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên www.VNMATH.com 63 ·Cách giải trên vẫn đúng khi , , 0a b c> . Chú ý rằng khi , , 0a b c> thì không thể dùng cách giải ngắn gọn nhờ hệ thức lượng giác trong tam giác được. Lúc này phương pháp sử dụng bất đẳng thức với các dãy đơn điệu tỏ rõ hiệu quả của nó. Thí dụ 3.5 (Bất đẳng thức Nesbit ba biến). Cho , , 0a b c> . Chứng minh rằng: 3 2 a b c b c c a a b + + ³ + + + . Bài giải Không mất tính tổng quát, giả sử: 0a b c³ ³ > 1 1 1 b c c a a b Þ ³ ³ + + + . Áp dụng cho hai dãy cùng thứ tự: ( ), ,a b c và 1 1 1, , b c c a a b æ ö÷ç ÷ç ÷çè ø+ + + ta có: a b c b c a b c c a a b b c c a a b + + ³ + + + + + + + + (1) và a b c c a b b c c a a b b c c a a b + + ³ + + + + + + + + . (2) Cộng từng vế của (1),(2) ta được: 2 a b c b c c a a b b c c a a b b c c a a b æ ö + + +÷ç + + ³ + +÷ç ÷çè ø+ + + + + + Û 3 2 a b c b c c a a b + + ³ + + + Þđpcm. Đẳng thức xảy ra a b cÛ = = . Thí dụ 3.6 (Bất đẳng thức Côsi) Cho , , 0a b c³ . Chứng minh: 3 3 a b c abc+ + ³ . Bài giải · Nếu 0 0 0a b c= Ú = Ú = thì 0VP= , 0VT ³ ÞBất đẳng thức đúng. · Xét khi , , 0a b c> . Đặt 3B abc= , khi đó ta có hai dãy sau là ngược thứ tự: 2 3, , a ab abc B B B æ ö÷ç ÷ç ÷çè ø và 2 3 , ,B B B a ab abc æ ö÷ç ÷ç ÷ç ÷è ø theo hệ quả 2 ta có: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên www.VNMATH.com 64 2 3 3 2 2 3 2 3. a B ab B abc B a B ab B abc B B a ab abc B abc a abB B B B + + £ + + 3 a b c B + + Û £ Û 3 3 a b c abc+ + ³ Þđpcm. Đẳng thức xảy ra a b cÛ = = . Nhận xét: Hoàn toàn tương tự như chứng minh trên cũng dễ dàng chứng minh được bất đẳng thức Côsi dạng tổng quát: Cho 1 2, ,..., 0na a a ³ . Chứng minh: 1 2 1 2 ... . ...n n n a a a a a a n + + + ³ . Thí dụ 3.7 (Bất đẳng thức Trêbưsép). Cho hai dãy đơn điệu cùng chiều: 1 2, ,..., na a a và 1 2, ,..., nb b b .ta có: ( )1 2 ... na a a+ + + ( )1 2 ... nb b b+ + + ( )1 1 2 2 ... n nn a b a b a b£ + + + . Bài giải Áp dụng liên tiếp bất đẳng thức về các dãy đơn điệu cùng chiều, ta có: 1 1 2 2 1 1 2 2... ...n n n na b a b a b a b a b a b+ + + ³ + + + 1 1 2 2 1 2 2 3 1... ...n n na b a b a b a b a b a b+ + + ³ + + + 1 1 2 2 1 3 2 4 2... ...n n na b a b a b a b a b a b+ + + ³ + + + ................................................................. 1 1 2 2 1 2 1 1... ...n n n n na b a b a b a b a b a b -+ + + ³ + + + . Cộng từng vế n bất đẳng thức trên ta có: ( )1 1 2 2 ... n nn a b a b a b+ + + ( ) ( ) ( )1 1 2 2 1 2 1 2... .... ... ...n n n na b b b a b b b a b b b³ + + + + + + + + + + + + . Þ ( )1 2 ... na a a+ + + ( )1 2 ... nb b b+ + + ( )1 1 2 2 ... n nn a b a b a b£ + + + Þđpcm. Đẳng thức xảy ra 1 2 1 2 ... ... n n a a a b b b é = = = êÛ ê = = =ë . Nhận xét: · Với hai dãy ngược chiều, ta có bất đẳng thức theo chiều ngược lại: ( )1 2 ... na a a+ + + ( )1 2 ... nb b b+ + + ( )1 1 2 2 ... n nn a b a b a b³ + + + . · Bất đẳng thức Trêbưsép là một trong các bất đẳng thức thông dụng, Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên www.VNMATH.com 65 thường dùng (và rất hiệu quả) làm bất đẳng thức trung gian để chứng minh bất đẳng thức khác (xem ứng dụng của bất đẳng thức Trêbưsép Chương 4). Thí dụ 3.8 Cho n số nguyên dương phân biệt: 1 2, ,..., na a a . Chứng minh: 2 1 1 1n nk k k a kk= = ³å å . Bài giải Xếp lại n số đã cho theo thứ tự tăng dần: 1 2 ... ni i i a a a< < < , trong đó 1 2, ,..., ni i i là một hoán vị của 1, 2,...,n . Áp dụng cho hai dãy ngược thứ tự: 1 2 , ,..., ni i i a a a và 2 2 2 1 1 1, ,..., 1 2 n , ta có: 2 2 1 1 k n n i k k k a a k k= = £å å . (1) Đẳng thức trong (1) xảy ra Û ki k a a= , 1,k n" = . Vì 1 2 ... ni i i a a a< < < là n số nguyên dương phân biệt, nên hiển nhiên ta có: ki a k³ , 1,k n" = . Do vậy: 2 2 1 1 1 1kn n ni k k k a k kk k= = = ³ =å å å . (2) Đẳng thức trong (2) xảy ra Û ka k= , 1,k n" = . Từ (1),(2) Þ 2 1 1 1n nk k k a kk= = ³å å Þđpcm. Đẳng thức xảy raÛ đồng thời đẳng thức trong (1),(2) xảy ra Û ka k= , 1,k n" = . Thí dụ 3.9 Cho 1 2, ,..., 0na a a > . Chứng minh: 31 2 2 11 2 1 2. ... . ...n a aa a a a n na a a a a a³ . Bài giải Do vai trò bình đẳng giữa các , 1,ia i n" = , nên giả sử: 1 20 ... .na a a< £ £ £ 1 2ln ln ... ln na a aÞ £ £ £ . Áp dụng với hai dãy cùng thứ tự: ( )1 2, ,..., .na a a và ( )1 2ln , ln ,..., ln na a a ta có: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên www.VNMATH.com 66 1 1 2 2 1 2 1 1.ln .ln ... .ln .ln .ln ... .lnn n n n na a a a a a a a a a a a -+ + + ³ + + + ( ) ( )31 2 2 11 2 1 2ln . ... ln . ...na aa a a an na a a a a aÛ ³ Û 31 2 2 11 2 1 2. ... . ...na aa a a an na a a a a a³ Þđpcm. Đẳng thức xảy ra 1 2 ... 0na a aÛ = = = > . Thí dụ 3.10 Cho 1 2 ... nx x x³ ³ ³ và 1 2 ... ny y y³ ³ ³ . Giả sử 1 2, ,..., nz z z là một hoán vị bất kỳ của 1 2, ,..., ny y y . Chứng minh: ( ) ( ) 2 2 1 1 n n i i i i i i x y x z = = - £ -å å . Bài giải Do 1 2, ,..., nz z z là một hoán vị bất kỳ của 1 2, ,..., ny y y , nên theo bất đẳng thức với hai dãy đơn điệu cùng chiều ta có: 1 1 n n i i i i i i x y x z = = ³å å . (1) Theo giả thiết, hiển nhiên ta có: 2 2 1 1 n n i i i i y z = = =å å . (2) Từ (1),(2)Þ 2 2 2 2 1 1 1 1 1 1 2 2 n n n n n n i i i i i i i i i i i i i i x y x y x z x z = = = = = = + - £ + -å å å å å å Û ( ) ( ) 2 2 1 1 n n i i i i i i x y x z = = - £ -å å Þđpcm. Đẳng thức xảy ra i i ix y zÛ = = , 1,i n" = . Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên www.VNMATH.com 67 Chương 4 PHƯƠNG PHÁP SỬ DỤNG BẤT ĐẲNG THỨC TRÊBƯSÉP 4.1 BẤT ĐẲNG THỨC TRÊBƯSÉP(T.B.S). 4.1.1 Định lý. Cho hai dãy đơn điệu cùng chiều: 1 2 ... na a a£ £ £ và 1 2 ... nb b b£ £ £ (hoặc: 1 2 ... na a a³ ³ ³ và 1 2 ... nb b b³ ³ ³ ) . Khi đó ta có: ( )1 2 ... na a a+ + + ( )1 2 ... nb b b+ + + ( )1 1 2 2 ... n nn a b a b a b£ + + + . Đẳng thức xảy ra 1 2 1 2 ... ... n n a a a b b b é = = = êÛ ê = = =ë . Chứng minh Đặt 1 2 ... na a aa n + + + = , do: 1 2 ... na a a£ £ £ , nên tồn tại chỉ số i sao cho: 1 2 1... ...i i na a a a a a+£ £ £ £ £ £ £ . Lấy số b tuỳ ý sao cho: 1 2 1... ...i i nb b b b b b+£ £ £ £ £ £ £ . Ta có: ( )( ) 0k ka a b b- - ³ ,( )1,k n" = 0k k k ka b ba ab abÞ - - + ³ ,( )1,k n" = . (1) Cộng từng vế n bất đẳng thức dạng (1), ta được: 1 1 1 0 n n n k k k k k k k a b b a a b nab = = = - - + ³å å å . (2) Ta có: ( )1 2 1 1 ... 0 n n k n k k k nab b a b a a a a = = é ù ê ú- = + + + - =ê úë û å å . Từ (2) suy ra: 1 1 1 1 1 10 . 0 n n n n n k k k k k k k k k k k k a b a b a b a b n= = = = = - ³ Û - ³å å å å å . Û ( )1 2 ... na a a+ + + ( )1 2 ... nb b b+ + + ( )1 1 2 2 ... n nn a b a b a b£ + + + Þđpcm. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên www.VNMATH.com 68 4.1.2 Nhận xét. · Bất đẳng thức Trêbưsép (T.B.S) được phát biểu dưới dạng tương đương sau: Cho hai dãy đơn điệu ngược chiều: 1 2 ... na a a£ £ £ và 1 2 ... nb b b³ ³ ³ (hoặc: 1 2 ... na a a£ £ £ và 1 2 ... nb b b³ ³ ³ ). Khi đó ta có: ( )1 2 ... na a a+ + + ( )1 2 ... nb b b+ + + ( )1 1 2 2 ... n nn a b a b a b³ + + + . Đẳng thức xảy ra 1 2 1 2 ... ... n n a a a b b b é = = = êÛ ê = = =ë . Thật vậy, đặt 'k kb b=- ,( )1,k n" = thì ta có: ' ' '1 2 ... nb b b£ £ £ . Áp dụng bất đẳng thức T.B.S cho hai dãy cùng chiều { } { }';k ka b ,( )1,k n" = ta có: ' ' 1 1 1 . n n n k k k k k k k a b n a b = = = £å å å Û 1 1 1 . n n n k k k k k k k a b n a b = = = - £-å å å 1 1 1 . n n n k k k k k k k a b n a b = = = Û ³å å å Þđpcm. · Bất đẳng thức Trêbưsép là hệ quả của bất đẳng thức với các dãy đơn điệu (xem thí dụ 3.7). · Sử dụng bất đẳng thức Trêbưsép để chứng minh bất đẳng thức là một trong những phương pháp hiệu quả thường được sử dụng. Nó có nhiều ứng dụng hay và làm cho bài toán được giải quyết đơn giản hơn trong khá nhiều trường hợp. Điểm đặc biệt của bất đẳng thức Trêbưsép (cũng như bất đẳng thức với các dãy đơn điệu) là bất đẳng thức dùng cho hai dãy số sắp thứ tự (hai dãy đơn điệu cùng chiều hoặc ngược chiều) và số hạng của các dãy không cần phải dương. Tuy nhiên bất đẳng thức Trêbưsép ít được dùng đại trà trong nhà trường phổ thông. 4.2 MỘT SỐ THÍ DỤ MINH HOẠ. Thí dụ 4.1 (Bất đẳng thức Côsi cơ bản). Cho 1 2, ,..., 0na a a > . Chứng minh: ( ) 21 2 1 2 1 1 1... ...n n a a a n a a a æ ö÷ç ÷+ + + + + + ³ç ÷ç ÷çè ø . Bài giải Do vai trò bình đẳng giữa 1 2, ,..., na a a , không làm mất tính tổng quát có thể giả sử: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên www.VNMATH.com 69 1 2 ... 0na a a³ ³ ³ > 1 2 1 1 1... na a a Þ £ £ £ . Áp dụng bất đẳng thức T.B.S cho hai dãy trên, ta có: ( )1 2 1 2 1 2 1 2 1 1 1 1 1 1... ... . . ... .n n n n a a a n a a a a a a a a a æ ö æ ö÷ ÷ç ç÷ ÷+ + + + + + ³ + +ç ç÷ ÷ç ç÷ ÷ç çè ø è ø Û ( ) 21 2 1 2 1 1 1... ...n n a a a n a a a æ ö÷ç ÷+ + + + + + ³ç ÷ç ÷çè ø Þđpcm. Đẳng thức xảy ra 1 2 ... na a aÛ = = = . Thí dụ 4.2 (Bất đẳng thức Nesbit ba biến). Cho , , 0a b c> . Chứng minh: 3 2 a b c b c c a a b + + ³ + + + . Bài giải Không làm mất tính tổng quát, giả sử: 0a b c³ ³ > b c c a a bÞ + £ + £ + (1) và a b c b c c a a b ³ ³ + + + . (2) Áp dụng bất đẳng thức T.B.S cho hai dãy ngược chiều (1),(2), ta có: ( ) ( ) ( ) a b cb c c a a b b c c a a b æ ö÷çé ù+ + + + + + + ³÷çë û ÷çè ø+ + + ( )3 a b c+ + Û ( )2 a b ca b c b c c a a b æ ö÷ç+ + + + ³÷ç ÷çè ø+ + + ( )3 a b c+ + . (3) Do 0a b c+ + > , nên từ (3)Þ 3 2 a b c b c c a a b + + ³ + + + Þđpcm. Đẳng thức xảy raÛ đẳng thức trong (1),(2) xảy ra a b c a b ca b c b c c a a b é = = ê êÛ Û = = ê = =ê + + +ë . Nhận xét: Hoàn toàn tương tự như chứng minh trên, ta cũng chứng minh được bất đẳng thức sau: Cho , , 0a b c> và n là số nguyên dương, khi đó ta có: 3 . 2 n n n n n na b c a b c b c c a a b a b c + + + + ³ + + + + + . Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên www.VNMATH.com 70 Thí dụ 4.3 Cho , , 0a b c> và 2 2 2 1a b c+ + ³ . Chứng minh: 3 3 3 1 2 a b c b c c a a b + + ³ + + + . Bài giải Không làm mất tính tổng quát, giả sử: 0a b c³ ³ > 2 2 2a b cÞ ³ ³ (1) và a b c b c c a a b ³ ³ + + + . (2) Áp dụng bất đẳng thức T.B.S cho hai dãy cùng chiều (1),(2) ta có: ( )2 2 2a b c+ + a b c b c c a a b æ ö÷ç + + ÷ç ÷çè ø+ + + 3 3 3 3 a b c b c c a a b æ ö÷ç ÷£ + +ç ÷ç ÷+ + +è ø . (3) Theo thí dụ 4.2 ta có: 3 2 a b c b c c a a b + + ³ + + + và theo giả thiết 2 2 2 1a b c+ + ³ . Nên từ (3) suy ra: 3 3 3 1 2 a b c b c c a a b + + ³ + + + Þđpcm. Đẳng thức xảy ra 2 2 2 2 2 2 3 3 1 a b c a b c a b c b c c a a b a b c ìéï = =ïêïïêïêÛ Û = = == =íêï + + +ëïïï + + =ïïî . Thí dụ 4.4 Cho , , 0a b c> . Chứng minh: 2009 2009 2009 2008 2008 2008 .3 a b c a b c a b c + + + + ³ + + (*) Bài giải Không làm mất tính tổng quát, giả sử: 0a b c³ ³ > (1) 2008 2008 2008a b cÞ ³ ³ . (2) Áp dụng bất đẳng thức T.B.S cho hai dãy cùng chiều (1),(2) ta có: ( )( ) ( )2008 2008 2008 2009 2009 20093a b c a b c a b c+ + + + £ + + Û 2009 2009 2009 2008 2008 2008 3 a b c a b c a b c + + + + ³ + + Þđpcm. Đẳng thức xảy ra 2008 2008 2008 a b c a b c a b c é = =êÛ Û = =ê = =ë . Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên www.VNMATH.com 71 Nhận xét: · Nếu thêm điều kiện 1abc³ vào thí dụ 4.4 và do , , 0a b c> , nên theo bất đẳng thức Côsi ta có: 33 3a b c abc+ + ³ = . Khi đó: (*)Û 2009 2009 2009 2008 2008 2008a b c a b c+ + ³ + + ta được dạng khác của thí dụ 4.4. ·Vậy, theo cách lập luận trên và theo lời giải của thí dụ 4.4 ta cũng chứng minh được dạng tổng quát sau: Cho 1 2, ,..., 0na a a > và 1 2. ... 1na a a ³ . Chứng minh rằng, với mọi m nguyên dương thì ta có: 1 1 11 2 1 2... ...m m m m m mn na a a a a a+ + ++ + + ³ + + + . Đẳng thức xảy ra 1 2 ... 1na a aÛ = = = = . Thí dụ 4.5 Cho 1 2, ,..., 0nx x x > . Chứng minh: ( ) ( )1 2 1 2 1 ... 1 2 1 2. ... . ... n n x x x xx xn n nx x x x x x + + + £ . (1) Bài giải Có (1) ( ) ( )1 2 1 2 1 1 2 2 1 ... ln . ... ln ln ... lnn n n nx x x x x x x x x x x xn Û + + + £ + + + ( )( ) ( )1 2 1 2 1 1 2 2... ln ln ... ln ln ln ... lnn n n nx x x x x x n x x x x x xÛ + + + + + + £ + + + . (2) Không làm mất tính tổng quát, giả sử: 1 2 ... 0nx x x³ ³ ³ > (3) 1 2ln ln ... ln nx x xÞ ³ ³ ³ . (4) Áp dụng bất đẳng thức T.B.S cho hai dãy cùng chiều (3),(4) ta có: ( )( ) ( )1 2 1 2 1 1 2 2... ln ln ... ln ln ln ... lnn n n nx x x x x x n x x x x x x+ + + + + + £ + + + . Vậy (2) đúng Þđpcm. Đẳng thức xảy ra 1 2 1 2 1 2 ... ... ln ln ... ln n n n x x x x x x x x x é = = = êÛ Û = = =ê = = =ë . Thí dụ 4.6 Cho 1 2, ,..., na a a là các cạnh của một đa giác lồi n cạnh. Gọi C là chu vi của đa giác đó. Chứng minh: 1 2 1 2 ... 2 2 2 2 n n aa a n C a C a C a n + + + ³ - - - - . Bài giải Không làm mất tính tổng quát, giả sử: 1 2 ... 0na a a³ ³ ³ > Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên www.VNMATH.com 72 1 22 2 ... 2 nC a C a C aÞ - £ - £ £ - (1) và 1 2 1 2 ... 2 2 2 n n aa a C a C a C a ³ ³ ³ - - - . (2) Áp dụng bất đẳng thức T.B.S cho hai dãy ngược chiều (1),(2) ta có: ( )1 22 2 ... 2 nC a C a C a- + - + + - 1 2 1 2 ... 2 2 2 n n aa a C a C a C a æ ö÷ç ÷+ + +ç ÷ç ÷ç - - -è ø ³ ( )1 2 ... nn a a a³ + + + . ( )1 22 ... nnC a a aé ùÛ - + + +ë û 1 2 1 2 ... 2 2 2 n n aa a C a C a C a æ ö÷ç ÷+ + +ç ÷ç ÷ç - - -è ø nC³ 1 2 1 2 ... 2 2 2 2 2 n n aa a nC n C a C a C a nC C n Û + + + ³ = - - - - - Þđpcm. Đẳng thức xảy ra 1 2 1 21 2 1 2 2 2 ... 2 ... ... 2 2 2 n nn n C a C a C a Ca a aaa a n C a C a C a é - = - = = - ê êÛ Û = = = =ê = = =ê - - -ë . Û đa giác đã cho là đa giác đều. Thí dụ 4.7 Cho 1 2, ,..., 0na a a > và 2 2 21 2 ... 1na a a+ + + ³ . Chứng minh: 33 3 1 2 1 2 1... 1 n n aa aM a a a a a a n = + + + ³ - - - - , với 1 2 ... na a a a= + + + . Bài giải Không làm mất tính tổng quát, giả sử: 1 2 ... 0na a a³ ³ ³ > 2 2 21 2 ... na a aÞ ³ ³ ³ (1) và 1 2 1 2 ... n n aa a a a a a a a ³ ³ ³ - - - . (2) Áp dụng bất đẳng thức T.B.S cho hai dãy cùng chiều (1),(2) ta có: ( )2 2 21 2 ... na a a+ + + 1 2 1 2 ... n n aa a a a a a a a æ ö÷ç ÷+ + +ç ÷ç ÷ç - - -è ø .n M£ 1M n Û ³ . 1 2 1 2 ... n n aa a a a a a a a æ ö÷ç ÷+ + +ç ÷ç ÷ç - - -è ø . (3) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên www.VNMATH.com 73 Ta có: 1 2 1 2 1 2 1 2 ... 1 1 ... 1n n n n a aa a a a n a a a a a a a a a a a a æ öæ ö æ ö ÷÷ ÷ çç ç ÷÷ ÷+ + + = + + + + + + -çç ç ÷÷ ÷ çç ç÷ ÷ ÷ç ç ç- - - - - -è ø è ø è ø = 1 2 1 1 1... n a n a a a a a a æ ö÷ç ÷+ + + -ç ÷ç ÷ç - - -è ø . (4) Theo thí dụ 4.1, ta có: 2 2 1 2 1 2 1 1 1... ...n n n n a a a a a a a a a a a a na a + + + ³ = - - - - + - + + - - . (5) Từ (3),(4),(5) 21 1. 1 nM a n n na a n æ ö÷ç ÷Þ ³ - =ç ÷ç ÷- -è ø Þđpcm. Đẳng thức xảy ra 1 2 ... n na a a n Û = = = = . (Nếu 3n= ta có được thí dụ 4.3). Thí dụ 4.8 Cho ABCD nhọn. Chứng minh: tan .tan .tan cos 3 sinA sinB sinC A B C A cosB cosC + + £ + + . Bài giải Do vai trò bình đẳng giữa , ,A B C nên giả sử: 0 2 C B A p< £ £ < cosA cosB cosCÞ £ £ (1) và tan tan tanA B C³ ³ . (2) Áp dụng bất đẳng thức T.B.S cho hai dãy ngược chiều (1),(2) ta có: ( )( )cos tan tan tanA cosB cosC A B C+ + + + ( )3 cos .tan cos .tan cos .tanA A B B C C³ + + Û ( )( )cos tan tan tanA cosB cosC A B C+ + + + ( )3 sin sin sinA B C³ + + . (3) Do ABCD nhọn Þ cos 0A cosB cosC+ + > và tan tan tan tan .tan .tanA B C A B C+ + = , nên Þ (3) Û tan .tan .tan cos 3 sinA sinB sinC A B C A cosB cosC + + £ + + Þđpcm. Đẳng thức xảy ra cos cos cos tan tan tan A B C A B C ABC A B C é = = êÛ Û = = ÛDê = =ë đều. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên www.VNMATH.com 74 Nhận xét: Theo lời giải trên, để ý rằng nếu 0 2 C B A p< £ £ < thì: sin sin sinA B C³ ³ và cot cot cotA B C£ £ . Nên theo bất đẳng thức T.B.S cũng dễ dàng suy ra được lời giải cho thí dụ sau: Cho ABCD nhọn. Khi đó ta luôn có: cos cos cos cot cot cot sin sin sin 3 A B C A B C A B C + + + + £ + + . Đẳng thức xảy ra A B C ABCÛ = = ÛD đều. Thí dụ 4.9 Chứng minh rằng, trong mọi ABCD ta luôn có: 3 2b c c a a b a b c R h h h h h h r + + £ + + + . Bài giải Không làm mất tính tổng quát, giả sử a b c£ £ (1) 2 2 2 a b c b c c a a b a b c S S S h h h h h h h h h h h h Þ £ £ Þ ³ ³ Þ + £ + £ + 1 1 1 b c c a a bh h h h h h Þ ³ ³ + + + . (2) Áp dụng bất đẳng thức T.B.S cho hai dãy ngược chiều (1),(2) ta có: ( ) 1 1 1 3 b c c a a b b c c a a b a b ca b c h h h h h h h h h h h h æ ö æ ö÷ ÷ç ç÷ ÷+ + + + ³ + +ç ç÷ ÷ç ç÷ ÷ç ç+ + + + + +è ø è ø . (3) Trong mọi tam giác ABCD , ta luôn có: ( ) 3 32 sin sin sin 2 . 3 3 2 a b c R A B C R R+ + = + + £ = . (4) Theo bất đẳng thức Côsi cơ bản, thì: 4 4 4 1 1 1 1 1 1 b c c a a b b c c a a bh h h h h h h h h h h h æ ö æ ö æ ö÷ ÷ ÷ç ç ç÷ ÷ ÷+ + £ + + + + +ç ç ç÷ ÷ ÷ç ç ç÷ ÷ ÷ç ç ç+ + + è ø è ø è ø 1 1 1 1 1 1 1 1 2 2b c c a a b a b ch h h h h h h h h r æ ö÷ç ÷Þ + + £ + + =ç ÷ç ÷ç+ + + è ø . (5) Từ (4),(5) Þ (3)Û 3 2b c c a a b a b c R h h h h h h r + + £ + + + Þđpcm. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên www.VNMATH.com 75 Đẳng thức xảy raÛ đồng thời đẳng thức trong (3),(4),(5) xảy ra a b c ABCÛ = = ÛD đều. Thí dụ 4.10 Cho ABCD không có góc tù. Chứng minh: ( )3 a b ca b c A B C p æ ö÷ç+ + £ + + ÷ç ÷çè ø . (1) Bài giải Theo định lý hàm số sin trong ABCD , ta có: (1) ( ) sin sin sin3 sin sin sin A B CA B C A B C p æ ö÷çÛ + + £ + + ÷ç ÷çè ø . (2) Dễ thấy hàm số ( ) s inxf x x = nghịch biến khi 0 2 x p< £ , nên giả sử sin sin sinA B CA B C A B C ³ ³ Þ £ £ . Áp dụng bất đẳng thức T.B.S cho hai dãy ngược chiều trên, ta có: ( ) ( )sin sin sin 3 sin sin sinA B CA B C A B C A B C æ ö÷ç+ + + + ³ + +÷ç ÷çè ø ( )sin sin sin 3 sin sin sinA B C A B C A B C p æ ö÷çÛ + + ³ + +÷ç ÷çè ø Þ (2) đúng Þđpcm. Đẳng thức xảy ra A B C ABCÛ = = ÛD đều. Nhận xét: · Trong thí dụ này, để xác định được hai dãy tỉ lệ khi chứng minh (2) ta phải sử dụng đến tính đơn điệu của hàm số, cụ thể trong thí dụ này là tính nghịch biến của hàm ( ) s inxf x x = , với 0; 2 x p æ ùç ú" Îçç úè û . · Với lập luận như trên, ta có được các bất đẳng thức tương tự (2) sau: * Hàm ( ) tanxf x x = đồng biến trên 0; 2 pæ ö÷ç ÷ç ÷çè ø , nên nếu A B C³ ³ thì t anA t anB t anC A B C ³ ³ . Theo bất đẳng thức T.B.S ta có: ( ) tan tan tan3 tan tan tan A B CA B C A B C p æ ö÷ç+ + ³ + + ÷ç ÷çè ø , với ABC"D nhọn. Đẳng thức xảy ra A B C ABCÛ = = ÛD đều. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên www.VNMATH.com 76 *Hàm ( ) cos xf x x = nghịch biến trên 0; 2 pæ ö÷ç ÷ç ÷çè ø , ta có: ( ) cos cos cos3 cos cos cos A B CA B C A B C p æ ö÷ç+ + £ + + ÷ç ÷çè ø , với ABC"D nhọn. Đẳng thức xảy ra A B C ABCÛ = = ÛD đều. Thí dụ 4.11 Chứng minh rằng, trong mọi ABCD ta luôn có: ( )sin 2 sin 2 sin 2 3 cos cos cosA B C A B C+ + £ + + . Bài giải Không làm mất tính tổng quát, giả sử A B C³ ³ . Do cosy x= nghịch biến khi 0 x p< < , nên cos cos cosA B C£ £ . (1) · Nếu 0 sin sin 2 B A A Bp< £ £ Þ ³ . · Nếu 0 2 2 A B Cp pp Vậy trong mọi ABCD nếu A B C³ ³ ta có: sin sin sinA B C³ ³ . (2) Áp dụng bất đẳng thức T.B.S cho hai dãy ngược chiều (1),(2) ta có: ( )( ) ( )3sin sin sin cos cos cos sin 2 sin 2 sin 2 2 A B C A B C A B C+ + + + ³ + + . (3) Trong mọi ABCD ta luôn có: 3 3sin sin sin 2 A B C+ + £ . (4) Từ (3),(4) Þ ( )sin 2 sin 2 sin 2 3 cos cos cosA B C A B C+ + £ + + Þđpcm. Đẳng thức xảy raÛ đồng thời đẳng thức xảy ra trong (3),(4) A B C ABCÛ = = ÛD đều. Thí dụ 4.12 Chứng minh rằng, trong mọi ABCD ta luôn có: 2 2 2 2 2 24tan tan tan sin sin sin 2 2 2 3 2 2 2 A B C A B Cæ ö÷ç+ + ³ + + ÷ç ÷çè ø . Bài giải Không làm mất tính tổng quát, giả sử A B C³ ³ 2 2 2sin sin sin sin sin sin 2 2 2 2 2 2 A B C A B C Þ ³ ³ Þ ³ ³ , (1) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên www.VNMATH.com 77 và 2 2 2 1 1 1os os os 2 2 2 os os os 2 2 2 A B Cc c c A B Cc c c £ £ Þ ³ ³ . (2) Áp dụng bất đẳng thức T.B.S cho hai dãy cùng chiều (1),(2) ta có: 2 2 2 2 2 2 2 2 2 1 1 1sin sin sin 3 tan tan tan 2 2 2 2 2 2os os os 2 2 2 A B C A B C A B Cc c c æ ö÷ç ÷çæ ö æ ö÷ç ÷÷ ÷ç çç+ + + + £ + +÷÷ ÷ç çç ÷÷ ÷ç ççè ø è ø÷ç ÷÷ç ÷çè ø . (3) Theo bất đẳng thức Côsi cơ bản, ta có: 2 2 2 2 2 2 1 1 1 9 os os os os os os 2 2 2 2 2 2 A B C A B Cc c c c c c + + ³ + + . (4) Mặt khác, trong mọi ABCD ta luôn có: 2 2 2 333 cos cos cos 92os os os 2 2 2 2 2 4 A B C A B Cc c c ++ + + + + = £ = . (5) Từ (3),(4),(5)Þ 2 2 2 2 2 24tan tan tan sin sin sin 2 2 2 3 2 2 2 A B C A B Cæ ö÷ç+ + ³ + + ÷ç ÷çè ø Þđpcm. Đẳng thức xảy ra Û đồng thời đẳng thức trong (3),(4),(5) xảy ra A B C ABCÛ = = ÛD đều. Thí dụ 4.13 Chứng minh rằng, trong mọi ABCD ta có: a b c a b c b c a c a b a b c + + ³ + + + - + - + - . Bài giải Không làm mất tính tổng quát, giả sử a b c a b c³ ³ Þ ³ ³ (1) và a b c b c a c a b a b c ³ ³ + - + - + - . (2) Áp dụng bất đẳng thức T.B.S cho hai dãy cùng chiều (1),(2) ta có: ( ) a b ca b c b c a c a b a b c æ ö÷ç ÷+ + + +ç ÷ç ÷ç + - + - + -è ø £ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên www.VNMATH.com 78 3£ a b c b c a c a b a b c æ ö÷ç ÷+ +ç ÷ç ÷çè ø+ - + - + - . (3) Áp dụng bất đẳng thức Côsi, ta có: ( )( )( ) 63. a b c abc b c a c a b a b c b c a c a b a b c + + ³ + - + - + - + - + - + - . (4) Ta lại có: ( )( )( )abc b c a c a b a b c³ + - + - + - . (5) Từ (3),(4),(5)Þ a b c a b c b c a c a b a b c + + ³ + + + - + - + - Þđpcm. Đẳng thức xảy raÛ đồng thời đẳng thức trong (3),(4),(5) xảy ra a b c ABCÛ = = ÛD đều. Nhận xét: · Đặt 0x b c a= + - > ; 0y c a b= + - > ; 0z a b c= + - > . Ta có: ( )( )( ) 8x y y z z x abc+ + + = . Theo bất đẳng thức Côsi, thì: ( )( )( ) 8x y y z z x xyz+ + + ³ Þ (5) đúng. ·Theo lời giải trên, ta có lời giải cho dạng tổng quát của thí dụ 4.13 sau: Trong mọi ABCD và với , 0x y" > ; x y³ , ta có: ( ) ( ) ( ) x x x x y x y x y y y y a b c a b c b c a c a b a b c - - -+ + ³ + + + - + - + - . (6) Thật vậy, giả sử a b c³ ³ a b c b c a c a b a b c Þ ³ ³ + - + - + - x y x y x y y y y a b c a b c b c a c a b a b c - - -ìï ³ ³ïïïÞíæ ö æ ö æ ö÷ ÷ ÷ïç ç ç³ ³÷ ÷ ÷ïç ç ç÷ ÷ ÷ç ç çïè ø è ø è ø+ - + - + -ïî . (*) Áp dụng bất đẳng thức T.B.S cho hai dãy cùng chiều trong (*), ta có: ( ) ( ) ( ) x x x y y y a b c b c a c a b a b c + + + - + - + - ³ ( )1 3 y y y x y x y x y a b ca b c b c a c a b a b c - - - é ùæ ö æ ö æ öê ú÷ ÷ ÷ç ç ç³ + + + +÷ ÷ ÷ç ç çê ú÷ ÷ ÷ç ç çè ø è ø è ø+ - + - + -ê úë û Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên www.VNMATH.com 79 ( ) ( )( )( ) 3. . y x y x y x y x y x y x yabca b c a b c b c a c a b a b c - - - - - - é ù ê ú³ + + ³ + +ê ú+ - + - + -ê úë û ( Theo (4),(5) ). Vậy (6) được chứng minh. Đẳng thức xảy ra a b c ABCÛ = = ÛD đều. Thí dụ 4.14 Chứng minh rằng, trong mọi ABCD ta có: ( )( )2 2 2 2 2 2 227a b c a b cm m m h h h S+ + + + ³ , (1) với , , ; , ,a b c a b cm m m h h h lần lượt tương ứng là độ dài ba đường trung tuyến và ba đường cao của ABCD , ABCS SD= . Bài giải Trong ABCD , ta có: 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 22 2 2 2 2 2; ; 4 4 4a b c b c a c a b a b cm m m+ - + - + -= = = ( )2 2 2 2 2 23 4a b c m m m a b cÞ + + = + + Þ (1) ( )( )2 2 2 2 2 2 236a b ca b c h h h SÛ + + + + ³ . (2) Không làm mất tính tổng quát, giả sử a b c³ ³ 2 2 2a b cÞ ³ ³ (3) và 2 2 2 a b c S S S h h h a b c £ £ Û £ £ . (4) Áp dụng bất đẳng thức T.B.S cho hai dãy ngược chiều (1),(2) ta có: ( )( ) ( )2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 23a b c a b ca b c h h h a h b h c h+ + + + ³ + + . (5) Mặt khác, trong mọi ABCD ta luôn có: 2 2 2 2 2 2 24a b ca h b h c h S= = = . (6) Từ (5),(6) Þ ( )( )2 2 2 2 2 2 236a b ca b c h h h S+ + + + ³ Þ (2) đúng Þđpcm. Đẳng thức xảy ra a b c ABCÛ = = ÛD đều. Nhận xét: Với phép suy luận trên, ta cũng có thể chứng minh được cho dạng tổng quát của (2) sau: Chứng minh rằng trong mọi ABCD , và với *n" Î¥ ta có: ( )( ) 9.2 .n n n n n n n na b ca b c h h h S+ + + + ³ . Đẳng thức xảy ra a b c ABCÛ = = ÛD đều. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên www.VNMATH.com 80 Thí dụ 4.15 Cho ABCD không tù. Tìm giá trị lớn nhất của biểu thức sau: 2 2 2cos cos cosa A b B c CM bc ca ab = + + . Bài giải Ta có: ( )2 2 21 sin 2 sin 2 sin 2 4 M a A b B c C S = + + . Không làm mất tính tổng quát, giả sử: 0 2 C B A p< £ £ £ 2 2 2a b c a b cÞ ³ ³ Þ ³ ³ (1) và sin 2 sin 2 sin 2A B C£ £ . (2) Áp dụng bất đẳng thức T.B.S cho hai dãy (1),(2) ta có: ( )( )2 2 21 sin 2 sin 2 sin 2 12 M a b c A B C S £ + + + + 2 2 2 sin .sin .sin 3 a b c A B C S + + = . 2 2 2 2 2 2 2 2 2. . 3 32 4 a b c S a b cM S R R + + + + Þ £ = ( )2 2 22 sin sin sin 3 A B C= + + 2 9 3. 3 4 2 MÞ £ = . Đẳng thức xảy ra a b c ABCÛ = = ÛD đều. Vậy 3ax 2 M M = đạt được khi ABCD đều. Nhận xét: Trong chứng minh trên, đã sử dụng một số hệ thức lượng cơ bản trong tam giác: · sin 2 sin 2 sin 2 4sin .sin .sinA B C A B C+ + = . · 2sin .sin .sin 2 SA B C R = . · 2 2 2 2 2 2 2sin sin sin 4 a b cA B C R + + + + = . · 2 2 2 9sin sin sin 4 A B C+ + £ . Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên www.VNMATH.com 81 Chương 5 PHƯƠNG PHÁP SỬ DỤNG BẤT ĐẲNG THỨC JENSEN 5.1 ĐỊNHNGHĨA HÀM LỒI. Cho hàm số ( )y f x= xác định trên [ ],a b . Hàm số ( )f x được gọi là lồi trên đó, nếu như thoả mãn điều kiện sau: [ ]1 2, ,x x a b" Î và , 0a b" ³ sao cho 1a b+ = thì 1 2 1 2( ) ( ) ( )f x x f x f xa b a b+ £ + . (1) Về mặt hình học, thì (1) có ý nghĩa như sau: Nếu gọi ( ) ( )1 1 2 2, ( ) ; , ( )A x f x B x f x là hai điểm nằm trên đường cong ( )y f x= ; với 1 2a x x x b£ < < £ , thì mọi điểm nằm trên cung AB của đồ thị đều nằm dưới cát tuyến AB . Có thể thấy ngay toạ độ của điểm C là ( )1 2 1 2; ( ) ( )C x x f x f xa b a b+ + , còn toạ độ của điểm D là ( )1 2 1 2; ( )D x x f x xa b a b+ + . (Hình vẽ). Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên www.VNMATH.com 82 Nhận xét: Ngược lại, nếu hàm số ( )y f x= xác định trên [ ],a b được gọi là lõm trên đó, nếu như thoả mãn các điều kiên sau: [ ]1 2, ,x x a b" Î và , 0a b" ³ sao cho 1a b+ = thì 1 2 1 2( ) ( ) ( )f x x f x f xa b a b+ ³ + . 5.2 ĐIỀU KIỆN ĐỦ VỀ TÍNH LỒI CỦA HÀM SỐ. Cho hàm số ( )y f x= liên tục đến đạo hàm cấp 2 trên ( ),a b . · Nếu ( )''( ) 0, ,f x x a b> " Î thì ( )f x là hàm lồi trên ( ),a b . · Ngược lại, nếu ( )''( ) 0, ,f x x a b< " Î thì ( )f x là hàm lõm trên ( ),a b . 5.3 BẤT ĐẲNG THỨC JENSEN. 5.3.1 Định lý. Cho ( )f x là hàm lồi trên [ ],a b . Giả sử [ ]1 2, ,..., ,nx x x a bÎ ; 0ia > ( )1,i n" = sao cho: 1 1 n i i a = =å . Chứng minh: 1 1 ( ) n n i i i i i i f x f xa a = = æ ö÷ç £÷ç ÷ç ÷è øå å . (1) Chứng minh · Với 2n= thì (1) đúng (theo định nghĩa hàm lồi). · Giả sử (1) đúng đến 1n k= - . · Xét khi n k= . Giả sử [ ]1 2, ,..., ,kx x x a bÎ và 0ia > ( )1,i k" = sao cho: 1 1 k i i a = =å . Ta có: 2 1 1 1 1 k k i i i i k k k k i i x x x xa a a a - - - = = = + +å å . (2) Đặt 2 1 k i i i xa a - = =å 0 1aÞ < < , vì thế từ (2) suy ra: ( ) 2 1 1 1 1 1 . 1 1 k k k k i i i i k k i i x x x x a a a a a a a - - - = = é ù ê ú= + - + ê ú- -ë û å å , do 1 11 1 k ka a a a - + = - - mà [ ]1, ,k kx x a b- Î * 1 11 1 k k k kx x x a a a a - -Þ = + Î- - [ ],a b . Áp dụng giả thiết qui nạp với 1k- điểm *1 2 2, ,..., ,kx x x x- và bộ số: 1 2 2, ,..., ,1ka a a a- - (ta có: 1 2 2... 1 1ka a a a-+ + + + - = ). Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên www.VNMATH.com 83 Þ ( ) 2 2 * * 1 1 1 1 ( ) (1 ) ( ) k k k i i i i i i i i i f x f x x f x f xa a a a a - - = = = æ ö æ ö÷ ÷ç ç= + - £ + -÷ ÷ç ç÷ ÷ç ç÷ ÷è ø è øå å å . (3) Mặt khác, theo định nghĩa hàm lồi ta có: * 1 1 1 1( ) ( ) ( )1 1 1 1 k k k k k k k kf x f x x f x f x a a a a a a a a - - - - æ ö÷ç= + £ +÷ç ÷çè ø- - - - . (4) Thay (4) vào (3), ta được: 2 1 1 ( ) (1 ) k k i i i i i i f x f xa a a - = = æ ö÷ç £ + -÷ç ÷ç ÷è øå å 1 1( ) ( )1 1 k k k kf x f x a a a a - - é ù ê ú+ ê ú- -ë û 2 1 1 ( ) k k i i i i i i f x f xa a - = = æ ö÷çÛ £ +÷ç ÷ç ÷è øå å 1 1 1. ( ) . ( )k k k k kf x f xa a a- - -+ 1 1 ( ) k k i i i i i i f x f xa a = = æ ö÷çÛ £÷ç ÷ç ÷è øå å . Vậy bất đẳng thức Jensen đúng khi n k= . Theo nguyên lý qui nạp suy ra điều phải chứng minh. 5.3.2 Hệ quả. Từ định lý, nếu 1 2 1... n n a a a= = = = ta suy ra trực tiếp được hệ quả quan trọng sau: Cho ( )f x là hàm lồi trên [ ],a b , thì [ ]1 2, ,..., ,nx x x a b" Î , ta có: ( ) ( ) ( )1 2 1 2 ... 1 ...n n x x xf f x f x f x n n æ ö+ + + ÷ç é ù£ + + +÷ç ë û÷çè ø . 5.3.3 Nhận xét. · Bất đẳng thức Jensen còn được phát biểu dưới dạng sau: Cho ( )f x là hàm lõm trên [ ],a b . Giả sử [ ]1 2, ,..., ,nx x x a bÎ ; 0ia > ( )1,i n" = sao cho: 1 1 n i i a = =å .Ta có: 1 1 ( ) n n i i i i i i f x f xa a = = æ ö÷ç ³÷ç ÷ç ÷è øå å . · Phương pháp dùng bất đẳng thức Jensen là một phương pháp hiệu quả để chứng minh bất đẳng thức. Tuy nhiên, vì bất đẳng thức Jensen không được giới thiệu trong chương trình toán trong nhà trường phổ thông, nên học sinh phổ thông ít có điều kiện tiếp xúc và sử dụng bất đẳng thức này. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên www.VNMATH.com 84 5.4 MỘT SỐ THÍ DỤ MINH HOẠ. Thí dụ 5.1 (Bất đẳng thức Côsi). Cho 1 2, ,..., 0na a a ³ . Chứng minh: 1 2 1 2 ... . ...n n n a a a a a a n + + + ³ . (1) Bài giải · Xét hàm số ( ) lnf x x=- , với 0x> . Ta có: 1'( )f x x =- ; 2 1''( ) 0f x x = > , 0x" > . ( ) lnf x xÞ =- lồi khi 0x> . Theo bất đẳng thức Jensen, ta có: ( ) ( ) ( )1 2 1 2 ... 1 ...n n x x xf f x f x f x n n æ ö+ + + ÷ç é ù£ + + +÷ç ë û÷çè ø 1 2 1 2... ln ln ... lnln n nx x x x x x n n + + + + + + Û- £- 1 2 1 2 ...ln ln . ...n n n x x x x x x n + + + Û ³ 1 2 1 2 ... . ...n n n x x x x x x n + + + Û ³ . (2) Đẳng thức xảy ra 1 2 ... 0nx x xÛ = = = > . ·Xét n số: 1 2, ,..., 0na a a ³ , có hai khả năng xảy ra: ­ Nếu 0ia = , 1,i n= thì (1) hiển nhiên đúng. ­ Nếu 0ia > , 1,i n= theo (2) ta có: 1 2 1 2 ... . ...n n n a a a a a a n + + + ³ . Vậy (1) đúng 0ia" ³ , 1,i n= Þđpcm. Đẳng thức xảy ra 1 2 ... na a aÛ = = = . Thí dụ 5.2 (Bất đẳng thức Bunhiacópski). Cho 2n số thực: 1 2, ,..., na a a và 1 2, ,..., nb b b . Chứng minh: ( )( ) ( )22 2 2 2 2 21 2 1 2 1 1 2 2... ... ...n n n na a a b b b a b a b a b+ + + + + + ³ + + + . (1) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên www.VNMATH.com 85 Bài giải Xét hàm số 2( )f x x= , với x Ρ . Ta có: '( ) 2f x x= ; ''( ) 2 0,f x x= > " Ρ Þ 2( )f x x= là hàm lồi trên ¡ . Theo bất đẳng thức Jensen, ta có: 0, ,i ixa" ³ 1,i n= và 1 0 n i i a = >å , thì: ( )1 21 2 1 1 1 1 1 ... . n n k n kn n n n k i i i i i i i i f x x x f xa aa a a a a a= = = = = æ ö÷ç ÷ç ÷ç ÷ç ÷+ + + £ç ÷ç ÷ç ÷÷ç ÷ç ÷çè ø å å å å å . ( ) 2 2 2 2 1 1 2 2 1 1 2 2 2 11 ... ...n n n n nn ii ii x x x x x xa a a a a a aa == + + + + + + Þ £ æ ö÷ç ÷ç ÷ç ÷è ø åå Þ ( ) ( )( )2 2 2 21 1 2 2 1 2 1 1 2 2... ... ...n n n n nx x x x x xa a a a a a a a a+ + + £ + + + + + + . (2) Giả sử 0ib ¹ , 1,i n= (vì nếu tồn tại 0ib = , ta chỉ cần loại cặp ( ),i ia b đi, và cứ làm như thế cho đến khi chỉ còn lại các cặp ( );j ja b với 0jb ¹ ). Đặt 2i iba = và ii i ax b = , 1,i n= . Nên từ (2) suy ra: ( ) ( )( )2 2 2 2 2 2 21 1 2 2 1 2 1 2... ... ...n n n na b a b a b a a a b b b+ + + £ + + + + + + Þđpcm. Đẳng thức xảy ra 1 21 2 1 2 ... ... nn n aa ax x x b b b Û = = = Û = = = . Thí dụ 5.3 (Bất đẳng thức Minkowski). Cho ( ), 0, 1,i ia b i n> = . Chứng minh: ( )( ) ( )1 2 1 2 1 1 2 2. ... . ... ...n n nn n n na a a b b b a b a b a b+ £ + + + . Bài giải Xét hàm số ( )( ) ln 1 xf x e= + , với " x Ρ . Có '( ) 1 x x ef x e = + ; ''( )f x = ( )21 x x e e+ > 0, " xΡ . Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên www.VNMATH.com 86 Þ ( )( ) ln 1 xf x e= + là hàm lồi trên ¡ . Theo bất đẳng thức Jensen, ta có: ( ) ( ) ( )1 2 1 2 ... 1 ...n n x x xf f x f x f x n n æ ö+ + + ÷ç é ù£ + + +÷ç ë û÷çè ø . Chọn ln ii i bx a = , 1,i n= . Ta có: 1 1 1 ln ... ln 1 2 1 2 1ln 1 . ln 1 ln 1 ... ln 1 n n bb n a a n n bb be n a a a æ ö÷ç ÷ç + + ÷ç ÷çè ø æ ö é ùæ öæ ö æ ö÷ç ÷÷ ÷÷ çç çç ê ú÷÷ ÷÷+ £ + + + + + +çç çç ÷÷ ÷÷ ê úçç çç ÷ ÷ ÷ç ç ç÷ è ø è ø è øç ÷ ê úë ûè ø . ( )( ) ( )1 1 2 21 2 1 2 1 2 .... ...ln 1 ln . ... . ... n nn nn n n a b a b a bb b b a a a a a a æ ö + + +÷ç ÷Û ç + £÷ç ÷çè ø ( )( ) ( )1 1 2 21 2 1 2 1 2 .... ...1 . ... . ... n nn nn n n a b a b a bb b b a a a a a a + + + Û + £ Û ( )( ) ( )1 2 1 2 1 1 2 2. ... . ... ...n n nn n n na a a b b b a b a b a b+ £ + + + Þđpcm. Đẳng thức xảy ra Û 1 2 1 2 ... n n aa a b b b = = = . Thí dụ 5.4 (Bất đẳng thức Svacxơ). Cho ,i ia b và ( )0 1,ib i n> = . Chứng minh: ( ) 222 2 1 21 2 1 2 1 2 ... ... ... nn n n a a aaa a b b b b b b + + + + + + ³ + + + . (1) Bài giải Xét hàm số 2( )f x x= , với x Ρ . Ta có: '( ) 2f x x= ; ''( ) 2 0,f x x= > " Ρ Þ 2( )f x x= là hàm lồi trên ¡ . Theo bất đẳng thức Jensen, ta có: ( )1 1 2 2 1 1 2 2... ( ) ( ) ... ( )n n n nf x x x f x f x f xa a a a a a+ + + £ + + + . (2) Với 0ia > ( )1,i n" = sao cho: 1 1 n i i a = =å . Chọn 1 i i n j j b b a = = å ; ii i bx a = , 1,i n" = . Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên www.VNMATH.com 87 Từ (2) 2 22 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 . ... . . ... .n n n nn n n n n n j j j j j j j j b a b ab a b a b b b bb b b b = = = = æ ö÷ç ÷ç ÷ç æ öæ ö÷ç ÷÷÷ ççç ÷÷Þ + + £ + +÷ çç ÷ç ÷÷ çç ÷ ÷ç çç ÷ è ø è ø÷ç ÷ç ÷ç ÷è ø å å å å Û ( ) 2 22 2 1 2 1 2 1 2 1 2 ... ... ... n n n n a a a aa a b b b b b b + + + £ + + + + + + Þđpcm. Đẳng thức xảy ra Û 1 2 1 2 ... n n aa a b b b = = = . Thí dụ 5.5 (Bất đẳng thức Nesbit ba biến). Cho , , 0a b c> . Chứng minh: 3 2 a b c b c c a a b + + ³ + + + . (1) Bài giải Đặt 0A a b c= + + > . Khi đó (1) 3 2 a b c A a A b A c Û + + ³ - - - . Xét hàm số ( ) xf x A x = - , với (0; )x AÎ . Có 2'( ) ( ) Af x A x = - ; 3 2''( ) 0 ( ) Af x A x = > - , với " (0; )x AÎ . Þ ( ) xf x A x = - là hàm lồi trên (0; )A . Áp dụng bất đẳng thức Jensen, ta có: ( ) ( ) ( )1 2 3 1 2 3 1 3 3 x x x f f x f x f x æ ö+ + ÷ç é ù£ + +÷ç ë û÷çè ø . 1 3 ( ) 3 a b c a b c A a b c A a A b A c æ ö+ + ÷çÛ £ + + ÷ç ÷çè ø- + + - - - Û 3 2 a b c b c c a a b £ + + + + + Þđpcm. Đẳng thức xảy ra 0a b cÛ = = > . Nhận xét: · Bất đẳng thức Nesbit ba biến ngoài cách chứng minh trên, đã được chứng minh bằng các phương pháp: bất đẳng thức Côsi (thí dụ 1.2), bất đẳng thức Bunhiacopski (thí dụ 2.3.1), bất đẳng thức với các dãy đơn điệu (thí dụ 3.5) và bất đẳng thức Trêbưsép (thí dụ 4.2). Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên www.VNMATH.com 88 · Cũng như bất đẳng thức Nesbit: bất đẳng thức Côsi cơ bản, bất đẳng thức Svacxơ và một số bất đẳng thức, thí dụ khác cho thấy, một bất đẳng thức có thể chứng minh bằng nhiều cách khác nhau. Qua đó cũng cho thấy được sự đa dạng và phong phú về các phương pháp trong chứng minh bất đẳng thức. Thí dụ 5.6 Cho 1 2, ,..., 1na a a > . Chứng minh: 1 2 1 2 1 1 1... 1 1 1 1 . ...nn n n a a a a a a + + + ³ + + + + . Bài giải Xét hàm số 1( ) 1 x f x e = + . Có 2'( ) (1 ) x x ef x e - = + ; 3 ( 1)''( ) (1 ) x x x e ef x e - = + , 0x" > . Þhàm số 1( ) 1 x f x e = + lồi khi 0x> . Theo hệ quả của bất đẳng thức Jensen, ta có: ( ) ( ) ( )1 2 1 2 ... 1 ...n n x x xf f x f x f x n n æ ö+ + + ÷ç é ù£ + + +÷ç ë û÷çè ø . Chọn lni ix a= , 1,i n" = . Ta có: 1 21 2 1 1 1 1 1... 1 1 11 . ...n nn n a a aa a a æ ö÷ç ÷£ + + +ç ÷ç ÷ç + + ++ è ø . Þ 1 2 1 2 1 1 1... 1 1 1 1 . ...nn n n a a a a a a + + + ³ + + + + Þđpcm. Đẳng thức xảy ra 1 2 ... 1na a aÛ = = = > . Thí dụ 5.7 Cho , , 0a b c> . Chứng minh: ( ) ( ) ( ) ( )2 3 a b c a b cb c c a a b a b c + +é ù ê ú+ + + £ + + ê úë û . (1) Bài giải Có (1) ( ) ( ) ( ) ( ) ln ln ln 2ln 3 a b c b c a c a b a b c a b c + + + + + é ù ê úÛ £ + + ê ú+ + ë û . (2) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên www.VNMATH.com 89 Xét hàm số ( )( ) lnf x a b c x=- + + - , với ( )0,x a b cÎ + + . Có 1'( )f x a b c x = + + - ; 2 1''( ) 0 ( ) f x a b c x = > + + - , với ( )0,x a b cÎ + + . Þ ( )f x là hàm lồi trên ( )0,a b c+ + . Áp dụng bất đẳng thức Jensen, ta có: . ( ) ( ) ( ). . .a b c a f a bf b cf cf a b c a b c a b c a b c a b c æ ö + +÷ç + + £÷ç ÷çè ø+ + + + + + + + . ( ) ( ) ( ) 2 2 2 ln ln ln ln a b c b c a c a ba b ca b c a b c a b c æ ö - + - + - ++ + ÷ç ÷Û- + + - £ç ÷ç ÷+ + + +è ø 2 2 2ln ab bc ca a b c + + Û ³ + + ( ) ( ) ( )ln ln lna b c b c a c a b a b c + + + + + + + . (3) Dễ thấy, với , , 0a b c> 2 2 2a b c ab bc caÞ + + ³ + + ( ) ( )2 3a b c ab bc caÞ + + ³ + + ( ) ( )22 3 ab bc ca a b c a b c + + Þ + + ³ + + Þ ( ) ( )22ln ln 3 ab bc ca a b c a b c é ù+ +é ù ê úê ú+ + ³ ê úê ú + +ë û ë û . (4) Từ (3),(4) Þ (2) đúng Þđpcm. Đẳng thức xảy ra Û đồng thời đẳng thức trong (3),(4) xảy ra 0a b cÛ = = > . Thí dụ 5.8 Cho , , 0a b c> . Chứng minh: 3 a b c a b c a b ca b c + +æ ö+ + ÷ç³ ÷ç ÷çè ø . Bài giải Xét hàm số ( ) lnf x x x= , với 0x> . Ta có: '( ) 1 lnf x x= + ; 1''( ) 0f x x = > , 0x" > . Þ ( ) lnf x x x= là hàm lồi khi 0x> . Áp dụng bất đẳng thức Jensen, ta có: [ ]1 ( ) ( ) ( ) 3 3 a b cf f a f b f c æ ö+ + ÷ç £ + +÷ç ÷çè ø . Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên www.VNMATH.com 90 ln ln lnln 3 3 3 a b c a b c a a b b c c+ + + + + + Û £ Û ( )ln ln 3 a b c a b ca b c a b c + +æ ö+ + ÷ç £÷ç ÷çè ø Û 3 a b c a b ca b c a b c + +æ ö+ + ÷ç £÷ç ÷çè ø Þđpcm. Đẳng thức xảy ra 0a b cÛ = = > . Nhận xét: Với cách giải trên ta cũng chứng minh được dạng tổng quát cho thí dụ 5.8 sau: Cho 1 2, ,..., 0na a a > . Chứng minh rằng: 1 2 1 2 ... 1 2 1 2 .... ... n n a a a aa a n n a a aa a a n + + +æ ö+ + + ÷ç³ ÷ç ÷çè ø . Đẳng thức xảy ra 1 2 ... 0na a aÛ = = = > . (Nếu 3n= ta thu được thí dụ 5.8). Thí dụ 5.9 Cho , , , 0a b x y> . Chứng minh: ( )ln ln lnx y x yx y x y a b a b + + ³ + + . Bài giải Xét hàm số ( ) lnf x x x= , với 0x> . Có '( ) ln 1f x x= + ; 1''( ) 0f x x = > , với 0x" > . ( )f xÞ là hàm lồi khi 0x> . Đặt 1 a a b a = + ; 2 b a b a = + 1 2 ; 0a aÞ > và 1 2 1a a+ = . 1 xx a = ; 2 yx b = . Theo bất đẳng thức Jensen, ta có: 1 1 2 2 1 1 2 2( ) ( ) ( )f x x f x f xa a a a+ £ + . x y a x b xf f f a b a b a a b b æ ö æ ö æ ö+ ÷ ÷ ÷ç ç çÛ £ +÷ ÷ ÷ç ç ç÷ ÷ ÷ç ç çè ø è ø è ø+ + + ln ln lnx y x y x x y y a b a b a b a a b b + + Û £ + + + + + Û ( )ln ln lnx y x yx y x y a b a b + + £ + + Þđpcm. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên www.VNMATH.com 91 Đẳng thức xảy ra x y a b ì =ïïÛ íï =ïî . Thí dụ 5.10 Chứng minh rằng, trong mọi ABCD ta luôn có: 2 2 2 1 1 1 12 sin sin sin 2 2 2 A B C + + ³ . Bài giải Xét hàm số 2 1( ) sin f x x = , với (0, )x pÎ . Ta có: 3 2cos'( ) sin xf x x - = ; 2 2 4 2sin 6 os''( ) 0 sin x c xf x x + = > , với " (0, )x pÎ . ( )f xÞ là hàm lồi trên (0, )p . Áp dụng bất đẳng thức Jensen, ta có: 2 2 2 2 1 1 1 1 1 3 sin sin sin 2 2 2 2 2 2sin 3 A B C A B C æ ö÷ç ÷ç ÷ç ÷ç£ + + ÷ç ÷ç ÷ç ÷+ + ÷ç ÷çè ø Û 2 2 2 1 1 1 12 sin sin sin 2 2 2 A B C + + ³ Þđpcm. Đẳng thức xảy ra A B C ABCÛ = = ÛD đều. Nhận xét: · Theo thí dụ trên cho thấy, ngoài các phương pháp đã dùng để chứng minh bất đẳng thức lượng giác thì phương pháp dùng tính lồi của hàm số (Bất đẳng thức Jensen) cũng được vận dụng một cách có hiệu quả để chứng minh bất đẳng thức lượng giác, đặc biệt là các bất đẳng thức lượng giác trong tam giác. · Với cách làm trên có thể xây dựng được các bất đẳng thức tương tự sau: ­ Trong mọi ABCD ta có: 2 2 2 1 1 1 4 sin sin sinA B C + + ³ . ­ Với ( )0, , 1,ix i np" Î = thì: 2 2 2 2 1 21 2 1 1 1... . ...sin sin sin sin nn n x x xx x x n + + + ³ + + + Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên www.VNMATH.com 92 Thí dụ 5.11 Cho ABCD . Chứng minh: 1 1 1 6 sin sin sin 2 2 2 A B C + + ³ . Bài giải Xét hàm số 1( ) s inx f x = , với (0, )x pÎ . Ta có: 2 cos'( ) s in xf x x =- ; 2 2 3 sin 2 os''( ) 0 sin x c xf x x + = > , với " (0, )x pÎ . ( )f xÞ là hàm lồi trên (0, )p . Theo bất đẳng thức Jensen, ta có: 1 1 1 1 1 3 sin sin sin 2 2 2 2 2 2sin 3 A B C A B C æ ö÷ç ÷ç ÷ç ÷ç£ + + ÷ç ÷ç ÷ç ÷+ + ÷ç ÷çè ø Û 1 1 1 6 sin sin sin 2 2 2 A B C + + ³ Þđpcm. Đẳng thức xảy ra A B C ABCÛ = = ÛD đều. Nhận xét: Hoàn toàn tương tự như thí dụ 5.10 ta cũng có được các kết quả tương đương sau: · Trong ABCD ta luôn có: 1 1 1 2 3 sin sin sinA B C + + ³ . · Với ( )0, , 1,ix i np" Î = thì: 1 21 2 1 1 1... . ...sin sin sin sin nn n x x xx x x n + + + ³ + + + Thí dụ 5.12 Trong ABCD ta luôn có: 1 1 1 2 3 os cos os 2 2 2 A B Cc c + + ³ . Bài giải Xét hàm số 1( ) cos f x x = , với (0, ) 2 x pÎ . Có 2 s inx'( ) os f x c x = ; 2 2 3 os 2sin''( ) 0 os c x xf x c x + = > , với " (0, ) 2 x pÎ . Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên www.VNMATH.com 93 Þ 1( ) cos f x x = là hàm lồi trên (0, ) 2 p . Áp dụng bất đẳng thức Jensen, ta có: 1 1 1 1 1 3 os os os 2 2 2 2 2 2os 3 A B C A B Cc c c c æ ö÷ç ÷ç ÷ç ÷ç£ + + ÷ç ÷ç ÷ç ÷+ + ÷ç ÷çè ø Û 1 1 1 2 3 os cos os 2 2 2 A B Cc c + + ³ Þđpcm. Đẳng thức xảy ra A B C ABCÛ = = ÛD đều. Nhận xét: Từ thí dụ trên suy ra được các kết quả sau: · Trong ABCD nhọn, ta luôn có: 1 1 1 6. cos cos cosA B C + + ³ · Với , , 1, 2 2i x i np p æ ö÷ç" Î - =÷ç ÷çè ø thì: 1 21 2 1 1 1... ...cos cos cos os nn n x x xx x x c n + + + ³ + + + . Thí dụ 5.13 Chứng minh rằng, trong mọi ABCD ta luôn có: 2 2 2 1 1 1 4. cos cos cos 2 2 2 A B C + + ³ Bài giải Xét hàm số ( ) 2 1 os f x c x = , với 0, 2 x p æ ö÷çÎ ÷ç ÷çè ø . Có: ( ) 3 2s inx' os f x c x = , ( ) 2 2 4 2 os 6sin'' 0 os c x xf x c x + = > , với 0, 2 x p æ ö÷ç" Î ÷ç ÷çè ø . Þ 2 1( ) cos f x x = là hàm lồi trên (0, ) 2 p . Áp dụng bất đẳng thức Jensen, ta có: 2 2 2 2 1 1 1 1 1 3 os os os 2 2 2 2 2 2os 3 A B C A B Cc c c c æ ö÷ç ÷ç ÷ç ÷ç£ + + ÷ç ÷ç ÷ç ÷+ + ÷ç ÷çè ø . Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên www.VNMATH.com 94 2 2 2 1 1 1 4 os os os 2 2 2 A B Cc c c Û + + ³ Þđpcm. Đẳng thức xảy ra A B C ABCÛ = = ÛD đều. Nhận xét: Từ thí dụ trên suy ra được các kết quả sau: · Trong ABCD nhọn, ta luôn có: 2 2 2 1 1 1 12 os os osc A c B c C Û + + ³ . ·Với , , 1, 2 2i x i np p æ ö÷ç" Î - =÷ç ÷çè ø thì: 2 2 2 2 1 21 2 1 1 1... ...cos cos cos os nn n x x xx x x c n + + + ³ + + + . Thí dụ 5.14 Chứng minh rằng, trong mọi ABCD ta luôn có: 3sin sin sin tan tan tan 3 2 2 2 2 2 2 2 A B C A B C + + + + + ³ + . (1) Bài giải Xét hàm số ( ) sin tan 2 2 x xf x = + , với (0, )x pÎ . Có 2 1 1'( ) os 2 2 2 os 2 xf x c xc = + ; 4 3 sin 2''( ) 4 os 0 24 os 2 x xf x cxc æ ö÷ç= - >÷ç ÷çè ø , với " (0, )x pÎ . ( )f xÞ là hàm lồi trên (0, )p . Theo bất đẳng thức Jensen, ta có: ( )1 ( ) ( ) ( ) 3 3 A B Cf f A f B f C æ ö+ + ÷ç £ + +÷ç ÷çè ø . sin tan 6 6 A B C A B C+ + + + Þ + £ 1 sin sin sin tan tan tan 3 2 2 2 2 2 2 A B C A B Cæ ö÷ç + + + + + ÷ç ÷çè ø Û 3sin sin sin tan tan tan 3 2 2 2 2 2 2 2 A B C A B C + + + + + ³ + Þđpcm. Đẳng thức xảy ra A B C ABCÛ = = ÛD đều. Nhận xét: Trong ABCD ta luôn có: 3sin sin sin 2 2 2 2 A B C + + £ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên www.VNMATH.com 95 và tan tan tan 3 2 2 2 A B C + + ³ . Hai bất đẳng thức này ngược chiều nhau, vì thế không thể cộng từng vế của hai bất đẳng thức này để suy ra bất đẳng thức (1). Cho nên phương pháp sử dụng bất đẳng thức Jensen tỏ rõ hiệu quả trong thí dụ này. Thí dụ 5.15 Chứng minh rằng, nếu n nguyên dương thì ta có: 1 2 1 2sin sin ... sin ...sinn nx x x x x x n n + + + + + + £ , với [ ]( )0, 1,ix i npÎ = . Bài giải Xét hàm số ( ) sinf x x= , với [ ]0,x pÎ . Có '( ) cosf x x= ; ''( ) sin 0f x x=- £ , với [ ]0,x p" Î . Þ ( )f x là hàm lõm trên [0,p ]. Áp dụng bất đẳng thức Jensen ta có: ( ) ( ) ( )1 2 1 2 ... 1 ...n n x x xf f x f x f x n n æ ö+ + + ÷ç é ù³ + + +÷ç ë û÷çè ø Û 1 2 1 2... sin sin ... sinsin n nx x x x x x n n + + + + + + ³ Þđpcm. Đẳng thức xảy ra 1 2 ... nx x xÛ = = = . Nhận xét: · Từ thí dụ trên, áp dụng vào trong tam giác, người ta thường xét các trường hợp riêng quan trọng sau: * 3 3sin sin sin 2 A B C+ + £ . (1) * 3sin sin sin 2 2 2 2 A B C + + £ . (2) · Tương tự với cách giải thí dụ trên, ta có lời giải cho các thí dụ sau: Thí dụ 5.15.1 Chứng minh rằng, nếu n nguyên dương và ; 2 2i x p p é ù ê úÎ - ê úë û , 1,i n= . Thì ta có: 1 2 1 2cos cos ... cos ...osn nx x x x x xc n n + + + + + + £ . Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên www.VNMATH.com 96 Bài giải Xét hàm số ( ) cosf x x= , với ; 2 2 x p p é ù ê úÎ - ê úë û . Có '( ) s inxf x =- ; ''( ) cos 0f x x=- £ , với " ; 2 2 x p p é ù ê úÎ - ê úë û . Þ ( )f x là hàm lõm trên ; 2 2 p pé ù ê ú- ê úë û . Áp dụng bất đẳng thức Jensen, ta có: ( ) ( ) ( )1 2 1 2 ... 1 ...n n x x xf f x f x f x n n æ ö+ + + ÷ç é ù³ + + +÷ç ë û÷çè ø 1 2 1 2... cos cos ... cosos n nx x x x x xc n n + + + + + + Û ³ Þđpcm. Đẳng thức xảy ra 1 2 ... nx x xÛ = = = . Nhận xét: Áp dụng kết quả trên vào trong ABCD ta có: * 3cos cos cos 2 A B C+ + £ . (3) * 3 3os os os 2 2 2 2 A B Cc c c+ + £ . (4) Thí dụ 5.15.2 Cho n là số nguyên dương và 0; 2i x p æ ö÷çÎ ÷ç ÷çè ø , 1,i n= . Chứng minh: 1 2 1 2t anx t anx ... t anx ...tann nx x x n n + + + + + + ³ . Bài giải Xét hàm số ( ) t anxf x = , với 0; 2 x p æ ö÷çÎ ÷ç ÷çè ø . Có 2'( ) 1 t an xf x = + ; ( )2''( ) 2 t anx 1 tan 0f x x= + > , với 0; 2 x p æ ö÷ç" Î ÷ç ÷çè ø . ( )f xÞ là hàm lồi trên 0; 2 pæ ö÷ç ÷ç ÷çè ø . Áp dụng bất đẳng thức Jensen, ta có: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên www.VNMATH.com 97 ( ) ( ) ( )1 2 1 2 ... 1 ...n n x x xf f x f x f x n n æ ö+ + + ÷ç é ù£ + + +÷ç ë û÷çè ø Þ 1 2 1 2... t anx t anx ... t anxtan n nx x x n n + + + + + + £ Þđpcm. Đẳng thức xảy ra 1 2 ... nx x xÛ = = = . Nhận xét: · Áp dụng kết quả của thí dụ trên vào trong ABCD ta có: * tan tan tan 3 3A B C+ + ³ . (5) * tan tan tan 3 2 2 2 A B C + + ³ . (6) · Các bất đẳng thức từ (1) đến (6) được suy ra từ thí dụ 5.15 ; 5.15.1 và 5.15.2 gọi là các bất đẳng thức lượng giác cơ bản trong tam giác, các bất đẳng thức này thường được sử dụng làm bất đẳng thức trung gian để chứng minh các bất đẳng thức lượng giác khác. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên www.VNMATH.com 98 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Phan Đức Chính (2006), Bất đẳng thức, NXB Văn hoá Thông tin. [2] Bộ giáo dục và đào tạo (1996), Đề thi tuyển sinh vào các trường đại học, cao đẳng và trung học chuyên nghiệp, NXB Giáo dục. [3] Bộ giáo dục và đào tạo, Tạp chí toán học và tuổi trẻ, NXB Giáo dục. [4] Phan Huy Khải (2000), Giới thiệu các dạng toán luyện thi đại học (tập 2), NXB Hà Nội. [5] Phan Huy Khải (2001), 500 bài toán chọn lọc về bất đẳng thức (tập 1,2), NXB Hà Nội. [6] Nguyễn Văn Mậu (2006), Bất đẳng thức, NXB Giáo dục. [7] G.H.Hardy, J.E.Littlewood, G.Polya (2002), Bất đẳng thức, NXB Đại học Quốc Gia, Hà Nội. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên www.VNMATH.com

Các file đính kèm theo tài liệu này:

  • pdflv_batdangthuc_socap_nvhieu_3682.pdf