Sáng kiến kinh nghiệm Dùng phép thế lượng giác trong bất đẳng thức
I. Dùng các hệ thức lượng giác cơ bản
Vào bài toán có các biểu thức dạng
- Chứng minh rằng các bất đẩng thức sau đúng với mọi
a);
b);
Bạn đang xem tài liệu "Sáng kiến kinh nghiệm Dùng phép thế lượng giác trong bất đẳng thức", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên.
Tóm tắt nội dung tài liệu: Sáng kiến kinh nghiệm Dùng phép thế lượng giác trong bất đẳng thức

2Dïng phÐp thÕ l−îng gi¸c trong bÊt ®¼ng thøc I. Dïng c¸c hÖ thøc l−îng gi¸c c¬ b¶n 1 + tg2x = 1 cos2 x ; 1 + cotg 2x = 1 sin2 x ; sin2 x+ cos2 x = 1. Vµo bµi to¸n cã c¸c biÓu thøc d¹ng x2 + a2, √ x2 ± a2, √a2 − x2 1. Chøng minh r»ng c¸c bÊt ®¼ng thøc sau ®óng víi mäi a, b a) ∣∣∣(a2 − b2)(1− a2b2) (1 + a2)2(1 + b2)2 ∣∣∣ 1 4 ; b) ∣∣∣2(a+ b)(1− ab) (1 + a2)(1 + b2) ∣∣∣ 1; HD: §Æt a = tgα, b = tgβ; α, β ∈ ( − π 2 ; π 2 ) . Khi ®ã ∣∣∣(a2 − b2)(1− a2b2) (1 + a2)2(1 + b2)2 ∣∣∣ = | sin(α + β) sin(α− β) cos(α− β) cos(α + β) = 1 4 sin[2(α + β)] sin[2(α− β)] 1 4 2. Chøng minh r»ng nÕu |x| < 1 vµ 2 n ∈ N, th× (1 + x)n + (1− x)n < 2n. HD: §Æt x = cosα, α ∈ (0;π). Khi ®ã (1 + x)n + (1− x)n = (1 + cosα)n + (1− cosα)n = 2n(cosn α 2 ) + sinn α 2 ) < 2n(cos2 α 2 + sin2 α 2 ) = 2n 3. (Latvia-2002) Cho a, b, c, d lµ c¸c sè thùc d−¬ng tháa m/n 1 1 + a4 + 1 1 + b4 + 1 1 + c4 + 1 1 + d4 = 1. Chøng minh r»ng abcd 3. 2NguyÔn V¨n NhiÖm 22 HD: §Æt a2 = tgα, b2 = tgβ, c2 = tgγ, d2 = tgδ, víi α, β, γ, δ ∈ (0; π 2 ). Th× tõ gi¶ thiÕt ta cã cos2 α+ cos2 β + cos2 γ + cos2 δ = 1 ¸p dông bÊt ®¼ng thøc gi÷a trung b×nh nh©n vµ trung b×nh céng, ta cã: sin2 α = 1− cos2 α = cos2 β + cos2 γ + cos2 δ 3 3 √ (cos2 β cos2 γ cos2 δ)2. Chøng minh t−¬ng tù ta cã: sin2 β 3 3 √ (cos2 α cos2 γ cos2 δ)2; sin2 γ 3 3 √ (cos2 α cos2 β cos2 δ)2; sin2 δ 3 3 √ (cos2 α cos2 β cos2 γ)2. Nh©n tõng vÕ c¸c bÊt ®¼ng thøc trªn, suy ra ®iÒu ph¶i chøng minh. 4. Cho a, b, c, d lµ c¸c sè thùc tháa m/n (1 + a2)(1 + b2)(1 + c2)(1 + d2) = 16. Chøng minh r»ng: −3 ab++ac+ ad+ bc+ bd+ cd− abcd 5. HD: §Æt a = tgα, b = tgβ, c = tgγ, d = tgδ, víi α, β, γ, δ ∈ (−π 2 ; π 2 ). P = ab+ ac+ ad+ bc+ bd+ cd− abcd− 1 ⇒ 4. cosα cos β cos γ cos δ = 1 vµ P = (b+ c)(a+ d)− (1− ad)(1− bc) = 4 sin(β + γ) sin(α + δ) − 4 cos(α + δ) cos(β + γ) = −4 cos(α+ β + γ + δ)⇒ (®pcm). 5. (APMO-2004) Chøng minh r»ng víi mäi sè thùc d−¬ng a, b, c ta cã (a2 + 2)(b2 + 2)(c2 + 2) 9(ab+ bc+ ca). HD: §Æt a = √ 2tgα, b = √ 2tgβ, c = √ 2tgγ; α, β, γ ∈ (0; π 2 ). §iÒu ph¶i chøng minh t−¬ng ®−¬ng víi 4 9 cosα cosβ cos γ(cosα cos β cos γ − cos(α + β + γ)) §¨t λ = α + β + γ 3 . ¸p dông bÊt ®¼ng thøc gi÷a trung b×nh céng vµ trung b×nh nh©n, bÊt ®¼ng thøc cosx+ cos y 2 cos x+ y 2 víi x, y ∈ (0; π 2 ), ta cã cosα cosβ cos γ (cosα + cosβ + cos γ 3 )3 cos3 λ. 23 Ta sÏ chøng minh bÊt ®¼ng thøc sau 4 9 cos3 λ(cos3 λ− cos 3λ).(3) mµ cos 3λ = 4 cos3 λ− 3 cosλ do ®ã (3)⇔ 4 27 cos4 λ(1− cos2 λ). MÆt kh¸c theo bÊt ®¼ng thøc gi÷a trung b×nh céng vµ trung b×nh nh©n, ta cã(cos2 λ 2 · cos 2 λ 2 · (1− cos2 λ) ) 1 3 1 3 (cos2 λ 2 + cos2 λ 2 + (1− cos2 λ) ) = 1 3 . II. BÊt ®¼ng thøc cã ®iÒu kiÖn rµng buéc d¹ng a+ b+ c = abc, ab+ bc+ ca = 1 1. T×m mèi quan hÖ ®¹i sè gi÷a x, y, z trong c¸c tr−êng hîp sau biÕt r»ng: a) tgx.tgy + tgy.tgz + tgz.tg x = 1. §S: x+ y + z = π 2 + kπ, x, y, z = π 2 + kπ. b) tgx+ tgy + tgz = tgx.tgy.tgz. §S: x+ y + z = kπ, x, y, z = π 2 + kπ. 2. Cho 0 < x, y, z < 1 vµ xy + yz + zx = 1. Chøng minh r»ng: x 1− x2 + y 1− y2 + z 1− z2 3 √ 3 2 . 3. Cho c¸c sè thùc d−¬ng x, y, z tháa m/n xy + yz + zx = 1. Cmr: x 1 + x2 + y 1 + y2 + z 1 + z2 2x(1− x2) (1 + x)2 + 2y(1− y2) (1 + y)2 + 2z(1− z2) (1 + z)2 HD: §Æt a = tgα, b = tgβ, c = tgγ; α, β, γ ∈ (0; π 2 ) ⇒ 2α + 2β + 2γ = π. BÊt ®¼ng thøc ph¶i chøng minh t−¬ng ®−¬ng víi sin 2α + sin 2β + sin 2γ (sin 4α + sin 4β + sin 4γ). 4. (HKong-94) Cho c¸c sè thùc d−¬ng x, y, z tháa m/n xy+yz+zx = 1. Cmr x(1− y2)(1− z2) + y(1− z2)(1− x2) + z(1− x2)(1− y2) 4 √ 3 9 . 24 HD: §Æt a = tgα, b = tgβ, c = tgγ; α, β, γ ∈ (0; π 2 )⇒ 2α + 2β + 2γ = π. 2.V T = sin 2α cos 2β cos 2γ + sin 2β cos 2α cos 2γ + sin 2γ cos 2α cos 2β cos2 α cos2 β cos2 γ = sin(2α + 2β + 2γ) + sin 2α sin 2β sin 2γ cos2 α cos2 β cos2 γ = 8tgαtgβtgγ 8 √ 3 9 . 5. Cho c¸c sè thùc d−¬ng x, y, z tháa m/n x+ y + z = xyz. Cmr: xy + yz + zx 3 + √ 1 + x2 + √ 1 + y2 + √ 1 + z2. HD: §Æt a = tgα, b = tgβ, c = tgγ; α, β, γ ∈ (0; π 2 )⇒ α + β + γ = π. Ta cã V T = xy+yz+zx = sinα sinβ cos γ + sinβ sin γ cosα + sin γ sinα cos β cosα cosβ cos γ = cosα cosβ cos γ − cos(α+ β + γ) cosα cosβ cos γ = 1 + 1 cosα cosβ cos γ VP = 3 + 1 cosα + 1 cosβ + 1 cos γ . VËy bµi to¸n t−¬ng ®−¬ng víi cosα cosβ + cosβ cos γ + cos γ cosα + 2 cosα cosβ cos γ 1. BÊt ®¼ng thøc trªn ®−îc suy ra tõ hÖ thøc cos2 α + cos2 β + cos2 γ + 2 cosα cosβ cos γ = 1. III. BÊt ®¼ng thøc chøa rµng buéc d¹ng a2 + b2 + c2 + 2abc = 1 1. T×m mèi quan hÖ ®¹i sè gi÷a x, y, z trong c¸c tr−êng hîp sau. BiÕt c¸c sè d−¬ng x, y, z thuéc ®o¹n [0; π 2 ] tháa m/n: cos2 x+ cos2 y + cos2 z + 2 cosx cos y cos z = 1. (1) HD: (1)⇔ 4 cos x+ y + z 2 cos x+ y − z 2 cos x− y + z 2 cos x− y − z 2 = 0. Tõ ®ã suy ra x+ y + z = π. 2. Chøng minh r»ng: 25 a) cos(x+ y + z) = cosx cos y cos z − cosx sin y sin z − cos y sinx sin z − cos z sinx sin y. b) sin(x+ y + z) = sinx cos y cos z + sin y cosx cos z + sin z cosx cos y − sinx sin y sin z. 3. (USA-2001) Cho a, b, c lµ c¸c sè thùc kh«ng ©m tháa m/n a2 + b2 + c2 + abc = 4. Chøng minh r»ng: 0 ab+ bc+ ca− abc 2. HD: • NÕu a, b, c > 1 th× a2 + b2 + c2 + abc > 4. M©u thuÉn. • NÕu a 1 th× ab+ bc+ ca− abc bc(1− a) 0. B©y giê ta sÏ chøng minh ab+ bc+ ca− abc 2. §Æt a = 2p, b = 2q, c = 2r, ta ®−îc p2 + q2 + r2 + 2pqr = 1. Suy ra a = 2 cosα, b = 2 cosβ, c = 2 cos γ víi α, β, γ ∈ [0; π 2 ] vµ α+β+γ = π. §iÒu ph¶i chøng minh t−¬ng ®−¬ng víi cosα cosβ + cosβ cos γ + cos γ cosα− 2 cosα cosβ cos γ 1 2 . Kh«ng mÊt tæng qu¸t gi¶ sö π 2 α π 3 ⇒ 1−2 cosα 0 vµ sö dông kÕt qu¶ cosβ+cos γ 3 2 −cosα, 2 cosβ cos γ = cos(β−γ)+cos(β+γ) 1−cosα. Ta cã cosα cosβ + cosβ cos γ + cos γ cosα− 2 cosα cosβ cos γ = cosα(cosβ + cos γ) + cos β cos γ(1− 2 cosα) cosα( 3 2 − cosα) + (1− cosα 2 ) (1− 2 cosα) = 1 2 . 4. Cho a, b, c lµ c¸c sè thùc d−¬ng cho tr−íc. T×m x, y, z d−¬ng tháa m/n:{ x+ y + z = a+ b+ c, 4xyz − (a2x+ b2y + c2z) = abc. HD: GT⇒ a 2 yz + b2 zx + c2 xy + abc xyz = 4. §Æt x1 = a√ yz , y1 = b√ zx , z1 = c√ xy ⇒ x2 1 +y2 1 +z2 1 +x1y1z1 = 4 (⇒ 0 < x1, y1, z1 < 2)⇒ ∆z1 = (4−x21)(4−y21). 26 §Æt x1 = 2 cosA, y1 = 2 cosB, z1 = 2 cosC (0 < A,B,C < π 2 ) ⇒ A+ B + C = π. ⇒ a = 2√yz cosA, b = 2√zx cosB, c = 2√xy cosC = = 2(sinA sinB − cosA cosB)√xy, thay vµo x+ y + z = a+ b+ c. Suy ra: ( √ x sinB −√y sinA)2 + (√x cosB +√y cosA−√z)2 = 0. ⇒ sinA√ x = sinB√ y = sinC√ z ⇔ sin 2A x = sin2 b y = sin2C z = sin2A+ sin2B + sin2C a+ b+ c IV. Sö dông quan ®ång ph«i gi÷a (−π 2 ; π 2 ) vµ tËp sè R, bëi hµm sè tgx 1. Cho 6 sè thùc ph©n biÖt. Chøng minh r»ng lu«n tån t¹i hai sè x vµ y trong chóng sao cho 0 < x− y 1 + xy √ 3 3 Kh«ng mÊt tÝnh tæng qu¸t ta gi¶ sö x1 < x2 < ... < x6, gi¶ sö xi = tgαi, víi −π 2 < αi < π 2 . Khi ®ã 0 < xi − xj 1 + xixj = tg(αi − αj). Bëi v× 6 sè d−¬ng α2 − α1, α3 − α2, ..., α6 − α5, π + α1 − α6 cã tæng b»ng π cho nªn tån t¹i mét trong chóng nhá h¬n hoÆc b»ng π 6 vµ do ®ã tg cña nã nhá h¬n hoÆc b»ng tg π 6 = √ 3 3 . Tæng qu¸t. Gi¶ sö n lµ sè nguyªn d−¬ng lín h¬n 2. H/y x¸c ®Þnh sè d−¬ng Cn nhá nhÊt víi tÝnh chÊt sau: Cho n sè thùc kh¸c nhau bÊt k×, tån t¹i hai sè x vµ y trong sè chóng sao cho 0 < x− y 1 + xy Cn §S: Cn = tg π n . PhÐp chän α2 − α1 = α3 − α2 = ..., αn − αn−1 = π + α1 − αn = π n chøng tá 27 gi¸ trÞ Cn = tg π n lµ tèt nhÊt. 2. Chøng minh r»ng nÕu x, y, z > 0 vµ arctgx+ arctgy + arctgz < π th× x+ y + z > xyz. HD: §Æt arctgx = α, arctgy = β, arctgz = γ. Ta cã x+ y + z − xyz = tgα + tgβ + tgγ − tgαtgβtgγ = sin(α + β + γ) cosα cosβ cos γ > 0 do 0 < α + β + γ < π vµ −π 2 < α, β, γ < π 2 . III. Bµi tËp 1. a) Cho x2 + y2 = u2 + v2 = 1. Chøng minh r»ng |x(u+ v) + y(u− v)| √ 2. b) Chøng minh r»ng víi mäi x, ta cã 5 2 3 + 4x2 + 3x4 (1 + x2)2 3. 2. Cho x, y, z lµ c¸c sè thùc d−¬ng tháa m/n x+ y + z = xyz. Cmr a) (Korea-1998) 1√ 1 + x2 + 1√ 1 + y2 + 1√ 1 + z2 3 2 . b) x√ 1 + x2 + y√ 1 + y2 + z√ 1 + z2 3 √ 3 2 . 3. a) Gäi f(x; y) = |x− y|√ (1 + x2)(1 + y2) . Chøng minh r»ng: f(x; y) + f(y; z) f(x; z), ∀x, y, z. HD: §Æt x = tgα, y = tgβ, z = tgγ, vµ sö dông | sin(α− γ)| | sin(α− β)|+ | sin(β − γ)| b) Chøng minh r»ng bÊt ®¼ng thøc sau ®óng víi mäi a, b∣∣∣(1− ab)2 − (a+ b)2 (1 + a2)(1 + b2) ∣∣∣ 1 28 4. Cho a, b, c lµ c¸c sè thùc. Chøng minh r»ng: (a2 + 1)(b2 + 1)(c2 + 1) (ab+ bc+ ca− 1)2. HD: §Æt a = tgα, b = tgβ, c = tgγ. B§T cÇn chøng minh t−¬ng ®−¬ng víi: 1 cos2 α cos2 β cos2 γ (− cos(α + β + γ) cosα cosβ cos γ )2 . 5. Cho c¸c sè thùc a, b, c thuéc kho¶ng (0; 1) sao cho ab+bc+ ca = 1. Cmr: a 1− a2 + b 1− b2 + c 1− c2 3 4 (1− a2 a + 1− b2 b + 1− c2 c ) HD: §Æt a = tgα, b = tgβ, c = tgγ; α, β, γ ∈ (0; π 4 ). B§T cÇn cm ⇔ tgα+ tgβ + tgγ 3(cotg γ + cotg β + cotg γ) ⇔ (tgα+ tgβ + tgγ)2 3(tgαtgβ + tgβtgγ + tgγtgα) 6. Cho x, y, z lµ c¸c sè thùc d−¬ng tháa m/n x2 + y2 + z2 + 2xyz = 1. Chøng minh r»ng: a) xyz 1 8 . b) xy + yz + zx 3 4 . c) x2 + y2 + z2 3 4 . d) xy + yz + zx 2xyz + 1 2 . e) (1 + 1 x )(1 + 1 y )(1 + 1 x ) 27. 7. Cho a, b, c > 0. Chøng minh r»ng: 2 √ ab+ bc+ ca √ 3 3 √ (a+ b)(b+ c)(c+ a). HD: §Æt t = √ ab+ bc+ ca; a1 = a t , b1 = b t , c1 = c t . Suy ra a1b1+b1c1+ c1a1 = 1. Ta cÇn chøng minh: √ 3 3 √ (a1 + b1)(b1 + c1)(c1 + a1) 2. Tõ gi¶ thiÕt 29 a1b1 + b1c1 + c1a1 = 1, suy ra tån t¹i A,B,C lµ ba gãc cña tam gi¸c nhän sao cho; a1 = tg A 2 , b1 = tg B 2 , c1 = tg C 2 Ta cã a1 + b1 = cos C 2 cos a 2 cos B 2 , t−¬ng tù vµ thay vµo bÊt ®¶ng thøc cÇn chøng minh sÏ t−¬ng ®−¬ng víi cos A 2 cos C 2 cos C 2 3 √ 3 8 (®óng) Chó ý. NÕu dïng bÊt ®¼ng thøc Bunhiacèpki më réng th× cã thÓ chøng minh nh− sau: Ta cã (a+ b)2(b+ c)2(c+ a)2 = (a2+2ab+ b2)(b2+2bc+ c2)(c2+2ca+ a2). §Æt x1 = a 2, y1 = 2ab, z1 = b 2 , x2 = c 2, y2 = b 2, z2 = 2bc, x3 = 2ac, y3 = a 2, z3 = c 2, th× (x1+y1+z1)(x2+y2+z2)(x3+y3+z3) ( 3 √ x1x2x3+ 3 √ y1y2y3+ 3 √ z1z2z3) 3 ⇒ (®pcm) 8. Cho a, b, c > 0; ab+ bc+ ca = 1. Chøng minh r»ng: a) 2 (1− a2 1 + a2 ) + 1− b2 1 + b2 + 1− c2 1 + c2 9 8 . b) 3 (1− a2 1 + a2 ) + 2 (1− b2 1 + b2 ) + 2 (1− c2 1 + c2 ) 11 3 . 9. Cho a, b, c > 0; ab+ bc+ ca = 1 a+ b+ c+ abc > 2. Chøng minh r»ng: 1− a2 1 + a2 + 1− b2 1 + b2 + 1− c2 1 + c2 √ 2. HD: GT⇒ tån t¹i c¸c gãc A,B,C cña tam gi¸c ABC sao cho tgA 2 = a, tg B 2 = b, tg C 2 = c. Còng tõ gi¶ thiÕt suy ra (1− a)(1− b)(1− c) 0⇒ 1− a2 1 + a2 ·1− b 2 1 + b2 ·1− c 2 1 + c2 = cosA cosB cosC 0⇒ cosA+cosB+ cosC √2 10. Gi¶ sö f(x) = √ 1 + x2 − x. H/y tÝnh gi¸ trÞ cña biÓu thøc f(x)f(y) + f(y)f(z) + f(z)f(x) 30 nÕu x, y, z lµ c¸c sè d−¬ng thay ®æi tháa m/n xy + yz + zx = 1. Chó ý. NÕu bá gi¶ thiÕt x, y, z > 0 th× gi¸ trÞ biÓu thøc x¸c ®Þnh kh«ng duy nhÊt. 11 a) Cmr, trong sè 7 sè thùc x1, x2, ..., x7, tån t¹i hai sè xi vµ xj, sao cho 0 xi − xj 1 + xixj 1√ 3 . b) Cho 4 sè d−¬ng. Chøng minh r»ng bao giê còng chän ®−îc 2 sè ai, aj, i = j sao cho 0 ai − aj 2 + ai + aj + aiaj < 2− √ 3 HD: §Æt bi = 1 + ai > 1 vµ xÐt 4 sè bi, víi chó ý tg π 12 = 2−√3. 12. Víi nh÷ng gi¸ trÞ nµo cña a hÖ sau cã nghiÖm:{ x2 + y2 = a2, xy(2x2 − a2) = 2005. 13. XÐt a, b ∈ R sao cho: √1− x2|ax+ b| 1,∀|x| 1. X¸c ®Þnh max |a|; max |b|; max |a+ b|; max |ax+ b|. HD: §Æt x = sin t; t ∈ [−π 2 ; π 2 ]⇒ cos t 0. GT⇒ { | cos t(a sin t+ b)| 1, | cos t(a sin t− b)| 1. ⇒ 2 cos t(|a sin t+ b|+ |a sin t− b|) 2 cos t|a|| sin t|. Cho t = π 4 , suy ra |a| 2⇒ max |a| = 2 khi b = 0. ë gi¶ thiÕt cho x = 0⇒ |b| 1⇒ max |b| = 1 khi a = 0. Cho x = ± 1√ 2 , ta ®−îc 1√ 2 | a√ 2 + b| 1, 1√ 2 |−a√ 2 + b| 1, ⇒ |a|+√2|b| 2 ⇒ |a+ b| |a|+ |b| |a|+√2|b| 2⇒ max |a+ b| = 2, khi a = 2, b = 0. max |ax+ b| = max{|a+ b|; |a− b|} = |a|+ |b| 2 ⇒ max |ax+ b| = 2, khi a = 2, b = 0, x = 1. 14. XÐt a, b, c ∈ R sao cho: √1− x2|ax2 + bx+ c| 1, ∀|x| 1. 31 a) X¸c ®Þnh max |a|, max |b|, max |c|, max |a+ b+ c|. b) X¸c ®Þnh max |ax2 + bx+ c|, max |2ax+ b|, víi |x| 1. HD: Cho x = 0⇒ |c| 1⇒ max |c| = 1, khi khi a = b = 0. ∀|x| 1⇒ √ 1− x2|ax2 + bx+ c| 1, √ 1− x2|ax2 − bx+ c| 1. ⇒ √1− x2(|ax2+c|+ |bx|) 1 (∗) Tõ (*)⇒ √1− x2|ax2 + c| 1. cho x = √ 3 2 ⇒ |3a 4 + c| 2 ⇒ |3a 4 | 2 + |c| 3⇒ |a| 4⇒ max |a| = 4, khi b = 0, c = −1. Trong (*) thay x = √ 3 2 , ta ®−îc |3a 4 | + √ 3 4 |b| 2 (1) ⇒ |3a 4 | + √ 3 2 |b| 2 + |c| 3. Suy ra 1 4 |a|+ √ 3 6 |b| 1 (2), tõ (1) vµ (2) céng l¹i ta ®−îc 3 |3a 4 + c|+ √ 3 2 |b|+ 1 4 |a|+ √ 3 6 |b| |3a 4 + c+ 1 4 a+ b|+ ( 2√ 3 − 1 ) |b|. |a+b+c| ⇒ max |a+b+c| = 3, x¶y ra ch¼ng h¹n khi a = 4, b = 0, c = −1. max |2ax+ b| = max{|2a+ b|, |2a− b|} = 2|a|+ |b|. MÆt kh¸c tõ (2) suy ra 2|a|+ 4 √ 3 2 |b| 8⇒ 2|a|+ |b| 8⇒ max |2ax+ b| = 8, x¶y ra ch¼ng h¹n khi a = 4, b = 0, c = −1, x = 1. 32
File đính kèm:
sang_kien_kinh_nghiem_dung_phep_the_luong_giac_trong_bat_dan.pdf