SKKN: Kỹ thuật chọn điểm rơi trong bài toán bất đẳng thức

Chia sẻ: Lê Thị Diễm Hương | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:13

Thêm vào BST

Báo xấu

289
lượt xem 43
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Để làm rõ vai trò quan trọng của việc chọn điểm rơi trong việc định hướng giải quyết bài toán bất đẳng thức tác giả nêu ra một phương pháp mới để giải bài toán. Mời quý thầy cô cùng các bạn tham khảo sáng kiến trên.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: SKKN: Kỹ thuật chọn điểm rơi trong bài toán bất đẳng thức

SÁNG KIẾN KINH NGHỆM KỸ THUẬT CHỌN ĐIỂM RƠI TRONG BÀI TOÁN BẤT ĐẲNG THỨC
I. BÀI TOÁN MỞ ĐẦU  a, b  0 1 1 Bài toán 1. Cho  , tìm GTNN của P  2 2  a  b  1 a b 2ab Giải 1 1 4 4 Ta có: 2 2   2 2  4 a b 2ab a  2ab  b (a  b)2  1  ab a  2  1 Dấu “=” xảy ra     MinP  4 khi x  y  a  b  1 b  1 2   2  a, b  0 1 1 Bài toán 2. Cho  , tìm GTNN của P  2 2  a  b  1 1 a  b 2ab Giải 1 1 4 4 4 Lời giải 1. Ta có: P  2 2   2 2  2  2 1 a  b 2ab a  2ab  b  1 (a  b)  1 2 1  a 2  b 2  2ab  ( a  b ) 2  1  0  Dấu “=” xảy ra    . Vô nghiệm   a b 1   a b 1 Vậy không tồn tại MinP...?..? Lời giải 2. Ta có: 1 1 1 4 1 4 1 P 2 2    2 2   2  1 a  b 6ab 3ab a  6ab  b  1 3ab (a  b)  1  4ab 3ab 2 ab 1 4 1 8 Mặt khác ab     . Vậy P  2  2   2  4 ab ab 3 2  6   2   2  1  a 2  b2  3ab  1 Dấu “=” xảy ra  a  b ab . a  b  1 2  Lời bình: Bài toán 1 và bài toán 2 gần như tương tự nhau, cùng áp dụng bất đẳng thức 1 1 4 1 1 1   . Lời giải 1 tại sao sai? Lời giải 2 tại sao lại tách   ?..? Làm a b ab 2ab 6ab 3ab sao nhận biết được điều đó…?...Đó chính là kỹ thuật chọn điểm rơi trong bất đẳng
thức. Và qua chuyên đề này chúng ta sẽ hiểu sâu hơn về kỹ thuật “chọn điểm rơi” trong việc giải các bài toán cực trị II. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Có thể nói tằng bài toán bất đằng thức nói chung và bài toán tìm GTNN, GTLN nói riêng là một trong nhửng bài toán được quan tâm đến nhiều ở các kỳ thi Học sinh giỏi, tuyển sinh Đại học,…và đặc biệt hơn nữa là với xu hước ra đề chung của Bộ GD – ĐT. Trong kỳ thi tuyển sinh Đại học thì bài toán bất đẳng thức là bài toán khó nhất trong đề thi mặc dù chỉ cần sử dụng một số bất đẳng thức cơ bản trong Sách giáo khoa nhưng học sinh vẫn gặp nhiều khó khăn do một số sai lầm do thói quen như lời giải 1 trong bài toán mở đầu là một ví dụ. Để giúp học sinh hiểu sâu hơn về bài toán cực trị đặc biệt là các trường hợp dấu đẳng thức xảy ra, tôi viết chuyên đề “Chọn điểm rơi trong giải toán bất đẳng thức”. III. NỘI DUNG 1. Bổ túc kiến thức về bất đẳng thức a) Tính chất cơ bản của bất đẳng thức Định nghĩa: a  b  a  b  0 a  b   ac b  c  a b  ac bc a  b   acbd c  d 1 1  ab0  a b b) Một số bất đẳng thức cơ bản  Bất đẳng thức Cauchy Cho n số thực không âm a1 , a2 ,..., an (n  2) ta luôn có a1  a2    an n  a1a2 ...an . Dấu “=” xảy ra khi và chỉ khi a1  a2    an . n  Một vài hệ quả quan trọng: 1 1 1   (a1  a2    an )        n2 vôùi ai  0, i  1, n  a1 a2 an  1 1 1 n2      vôùi ai  0, i  1, n a1 a2 an a1  a2    an  Cho 2n số dương ( n  Z , n  2 ): a1 , a2 ,..., an , b1, b2 ,..., bn ta có: n (a1  b1 )(a2  b2 )...(an  bn )  n a1a2 ...an  n b1b2 ...bn
 Bất đẳng thức BCS Cho 2n số dương ( n  Z , n  2 ): a1 , a2 ,..., an , b1, b2 ,..., bn ta có: (a1b1  a2b2    anbn )2  (a1  a2    an )(b1  b2    bn ) 2 2 2 2 2 2 a1 a2 a Dấu “=’ xảy ra      n (quy öôùc neáu bi  0  ai  0) b1 b2 bn  Hệ quả(Bất đẳng thức Svác-xơ) Cho hai dãy số a1 , a2 ,..., an vaø b1 , b2 ,..., bn vôùi bi  0 i  1, n ta luôn có: 2 a1 a22 an (a1  a2    an )2 2     b1 b2 bn b1  b2    bn a1 a2 a Dấu “=’ xảy ra     n b1 b2 bn 2. Giá trị lớn nhất, giá trị nhỏ nhất Cho f ( x1 , x2 ,..., xn ) là một hàm n biến thực trên D  n : f :D n   f ( x1 , x2 ,..., x n )  M ( x1 , x2 ,..., xn )  D   Max f  M   0 0 0 0 0 0 D ( x1 , x2 ,..., xn )  D : f ( x1 , x2 ,..., xn )  M   f ( x1 , x2 ,..., x n )  m ( x1 , x2 ,..., xn )  D   Min f  m   0 0 0 0 0 0 D ( x1 , x2 ,..., xn )  D : f ( x1 , x2 ,..., xn )  M  3. Phương pháp chọn điểm rơi Nhận xét: Các bất đẳng thức trong các đề thi đại học thông thường là đối xứng với các biến, và ta dự đoán dấu bằng xảy ta khi các biến bằng nhau và xảy ra tại biên. a) Kỹ thuật chọn điểm rơi trong bất đẳng thức Cauchy Sử dụng hệ quả (1) và (2)  a, b  0 1 1 Bài 1. Cho  , tìm GTNN của biểu thức P  2 2   4ab . a  b  1 a b ab Sai lầm thường gặp: Sai lầm 1: Ta có : 1 1 1 4 1 4  1  P 2 2    4ab  2 2   4ab  2   4ab  . a b 2ab 2ab a  b  2ab 2ab (a  b)  2ab  1 1 Mặt khác  4ab  2 .4ab  2 2 . Vậy P  4  2 2 nên MinP  2(2  2) 2ab 2ab Sai lầm 2: 1 1  1  1 4 1 1 1 1 P 2 2    4ab    2 2 4ab.   42 6 a b ab  4ab  4ab (a  b) 2ab 4ab 4ab 4ab
a 2  b 2  2ab   1 1 1 Dấu bằng xảy ra  a 2b2   a  b  . Thay a  b  vào ta được P  7  16 2 2 a  b  1  1  MinP  7 khi a  b  . 2 Nguyên nhân sai lầm: 1 1 1 Sai lầm 1: Học sinh chưa có khái niệm “điểm rơi”, việc tách   là do thói ab 2ab 2ab a  b  1 2 2 2  quen để làm xuất hiện a  b  2ab  (a  b) . MinP  4  2 2    4ab  VN . Dấu  2ab a  b  1  “=” bất đẳng thức không xảy ra  không kết luận được MinP  4  2 2 1 Sai lầm 2: Học sinh đã có khái niệm điểm rơi, dự đoán được dấu bằng khi a  b  nên 2 1 đã tách các số hạng và MinP  7 khi a  b  là đúng, nhưng bước cuối học sinh làm sai 2 ví dụ như (1  x)2  x  x , dấu bằng xảy ra khi x  1  Min ( x  1)2  x   1?? .   1 Lời giải đúng: Do P là biểu thức đối xứng với a, b , ta dự đoán MinP đạt tại a  b  , ta 2 có: 1 1  1  1 4 1 1 P    4ab     2 4ab.  7 a 2  b2 2ab  4ab  4ab (a  b)2 2ab  ab 2 4   2  a 2  b 2  2ab   1 1 Dấu bằng xảy ra  a 2b2  ab .  16 2 a  b  1 
 a, b  0 1 1 1 Bài 2. Cho  , tìm GTNN của biểu thức S  3 3  2  2 . a  b  1 a b a b ab Sai lầm thường gặp: 1 1 1 2 2 9 2 1 1  Ta có: S  3 3  2  2  2  2  3 3 2 2   2  2 a  b 3a b 3ab 3a b 3ab a  b  3a b  3ab 3  a b ab  9 2 1 1 1 2 4 59  3  .    9 2 .  (a  b) 3 ab  a b   ab ab 3 3.    2  59 MinS  3 a 3  b3  3a 2b 59  Nguyên nhân sai lầm: MinS   a  b (vn) 3 a  b  1  Lời giải đúng 1 Ta dự đoán dấu bằng xảy ra khi a  b  , và ta thấy a3  b3  3a 2b  3ab2  (a  b)3 vì thế 2 1 1 1 ta muốn xuất hiện (a  b)3 ; ta áp dụng bất đẳng thức 3 3  2  và nếu vậy: a b 2a b 2ab2 1 1 1 9  2   , ta không đánh giá tiếp được cho nên ta phải áp a 3  b3 2a b 2ab2 (a  b)3  ab(a  b) dụng bất đẳng thức cho 5 số: 1 1 1 1 1 25 25 S 3 3  2  2  2  2  3   20 a b 2a b 2ab 2a b 2ab (a  b)  ab(a  b) 3 (a  b)3 (a  b)  4 1 Dấu bằng xảy ra khi a  b  . 2  x, y , z  0  1 1 1 Bài 3. Cho  1 1 1 . Tìm GTLN của P    .   4 x y z 2x  y  z x  2 y  z x  y  2z  Sai lầm thường gặp: 1 1 1 1 11 1 1 11 1 1  5 1 1 1 10 Sai lầm 1: Ta có P                     9  2 x y z  9  x 2 y z  9  x y 2 z  18  x y z  9 10  MaxP  9 Sai lầm 2:
1 1 1 1 1  1 1 1  1 1  1 1 1  1 1  1 1 1  10 P                3 3 2 xyz 3 3 x.2 yz 3 3 xy 2 z 3 3  2 x y z  3 3  x 2 y z  3 3  x y 2 z  9 Nguyên nhân sai lầm: Cả hai lời giải trên đều đã biết hướng “đích” song chưa biết chọn 2 x  y  z 2 y  x  z 10   10 điểm rơi. MaxP   2 z  x  y (vn) , tức là không tồn tại ( x, y, z )  D : P  9 1 1 1 9    4 x y z  4 Lời giải đúng: Từ hai lời giải trên với dự đoán MaxP đạt được tại x  y  z  nên tách 3 các số 2x  x  x ra cho dấu bằng xẩy ra. 1 1 1 1 1 1 1 Cách 1: Ta có        , tương tự và ta có: 2 x  y  z x  x  y  z 16  x x y z  1  2 1 1   1 2 1   1 1 2   4 P                 1 , vậy MaxP  1 khi x  y  z  . 16  x y z   x y z   x y z   3 1 1 Cách 2: Ta có 2 x  y  z  x  x  y  z  4 4 x.x. y.z   , mặt khác: 2 x  y  z 4 4 x 2 yz 1 1 1 1 11 1 1 1 1 1 2 1 1 4 . . .            , tương tự ta có: x x y z 4  x x y z  2 x  y  z 16  x y z  1 1 1 1 1 P .4      1 . Dấu “=” xảy ra khi x  y  z  , suy ra: 16  x y z  4 1 MaxP  1 khi x  y  z  . 4 Nhận xét: Ta có thể mở rộng bài 3:  x, y , z  0  1 1 1 Cho  1 1 1 . Tìm GTLN của P    .   4 x y z x   y  z  x  y z  x  y   z  Với  ,  ,   N  : Cách làm tương tự như bài 3, ta tách  x    ,... . Nếu x    x x   soá   ,  ,   R , thì bài toán có còn giải quyết được không? Câu trả lời dành cho độc giả trong phần sau” Kỹ thuật chọn điểm rơi trong BCS”  a , b, c  0 Bài 4. Cho  . Chứng minh rằng: 3 a  2b  3 b  2c  3 c  2a  3 3 3 . a  b  c  3 Sai lầm thương gặp:
1  1  (a  2b) 2  a  2b Ta có: 3 1.1(a  2b)   , tương tự ta có: 3 3 3 2  a  2b 2  b  2c 2  c  2a a  2b  3 b  2c  3 c  2a     5, 3 3 3 mà 5  3 3 3  ñeà ra sai...?...? a  2b  1 b  2c  1  Nguyên nhân sai lầm: P  VT  5. MaxP =5   (vn) , vậy P  5 c  2 a  1 a  b  c  3  Lời giải đúng: Ta dự đoán dấu “=” trong bất đẳng thức xảy ra khi a  b  c  1 . Vậy ta áp dụng Cauchy cho ba số a  2b,3,3 ta có: 3 1 3 1 3  3  (a  2b) 6  a  2b a  2b  3.3(a  2b)  3 . 3  , tương tự ta có: 9 9 3 33 9 6  a  2b 6  b  2c 6  c  2a P 3  3  3  3 3 3 , dấu bằng xảy ra khi a  b  c  1 3 9 3 9 3 9  x, y , z  0 x2 y2 z2 3 Bài 5. Cho  , chứng minh rằng:     xyz  1 1 y 1 z 1 x 2 Sai lầm thường gặp: 1  y  2 y x 2 y z 2 2 ( xyz ) 2   Sai lầm 1: P     33 , mặt khác 1  z  2 z , suy ra: 1 y 1 z 1 x (1  y )(1  z )(1  x)  1  x  2 x  3 (1  y )(1  z )(1  x)  8 xyz  8 . Vậy P  , dấu “=” xảy ra khi x  y  z  1 2  x2   (1  y )  2 x  1 y  y2  Sai lầm 2: ta có:   (1  z )  2 y  P  2( x  y  z )  ( x  y  z )  3  x  y  z  3 ,  1 z  z2   (1  x)  2 z  1 x  mặt khác x  y  z  3 3 xyz  3  P  0 Nguyên nhân sai lầm: 1 1 Ở sai lầm 1: Học sinh quên tính chất cơ bản của bất đẳng thức: a  b  0   a b
x  y  z  2  x y2 z2 Ở sai lầm 2: Dấu “=” xảy ra    1  y,  1  z,  1  x (vn)  1 y 1 z 1 x  xyz  1  Lời giải đúng: Ta dự đoán dấu “=” xảy ra khi x  y  z  1 . Vì vậy khi áp dụng Cauchy x2 1 y x2 1 y 1 2 cho và :     4 1 y  1 y  2   x2 1 y   x  1 y 4  y2 1  z  1 3 3 3 3 Ta có:    y  P  (x  y  z)  (x  y  z)   (x  y  z)   1  z 4 4 4 4 4 2  z 2 1 x   z  1 x 4  Dấu “=” xảy ra khi x  y  z  1 . Bài tập tương tự(trích dẫn trong các đề thi đại học)  x, y , z  0 Bài 1. Cho  , chứng minh rằng  xyz  1 m  x3  y 3 m  y3  z3 m  z 3  x3    3 3 , với m  N  . Nếu m = 1 là đề thi Đại xy yz zx học Khối D năm 2005 Bài 2. Cho x, y, z là 3 số thỏa x  y  z  0 , chứng minh rằng: 3  4 x  3  4 y  3  4 z  6 (đề tham khảo 2005) ab c  4  bc a  2  ca b  3 Bài 3. Cho a  2, b  3, c  4 , tìm GTLN: P  abc 3 Bài 4. Cho a, b, c là các số dương thỏa mãn a  b  c  . 4 Chứng minh rằng: 3 a  3b  3 b  2c  3 c  3a  3 (ĐTK 2005) a, b, c  0 Bài 5. Cho  , tìm GTNN của các biểu thức sau: a  b  c  1 1 1 1 1 P 22 2    a b c ab bc ca 1 1 1 1 1 1 S 2 2  2 2 2 2    a b b c c a ab bc ca 1 1 1 1 1 1 Q 2  2  2    a  bc b  ca c  ab ab bc ca
2 2  1   2 1 25 Bài 6. Cho u 2  v 2  1 , chứng minh rằng:  u 2    v  2   .  u2   v  2 Bài 7. Cho a, b, c là các số dương. Tìm GTNN của: a3 b3 c3 3  3  3 Q b c a (ĐHQGHN 2001-2002) a b c   b c a Bài 8. Cho a, b, c dương thỏa abc  1 , tìm GTNN của biểu thức: bc ca ab Q 2  2  2 (ĐH 2000 – 2001) a (b  c) b (c  a) c (a  b)  x, y , z  0 x y Bài 9. Cho  , tìm GTNN của P   (ĐHNT 2001 – 2002) x  y  1 1 x 1 y Bài 10. Cho x, y, z là ba số dương và x  y  z  1 , chứng minh rằng: 1 1 1 x2   y 2  2  z 2  2  82 (ĐH 2003) x2 y z b) Kỹ thuật chọn điểm rơi trong bất đẳng thức BCS. Bài 1. Cho x, y, z là ba số dương và x  y  z  1 , chứng minh rằng: 1 1 1 x2  2  y 2  2  z 2  2  82 x y z Nhận xét: chúng ta có thể dùng bất đẳng thức Cauchy như ở phần 1 2  2 1  2 2 1 1 1 1  1 Sai lầm :  x     x x 2  x  2  1 1   x    x   x  2  x x  2 x 1   1 1 1  2 1 1 1 Tương tự ta có: P  ( x  y  z )        ( x  y  z)      3 2 2  x y z  2 x y z Vậy P  3 2....? x 1 y 1 z 1   ,  ,  Nguyên nhân sai lầm: P  3 2   1 x 1 y 1 z (vn) x  y  z  1 
1 Lời giải đúng: Ta dự đoán dấu đẳng thức xảy ra khi x  y  z  ; và biểu thức trong căn 3 2 1      x     gợi cho tam sử dụng BCS:  x 2  2   2   2    x   với  ,  là những số thỏa y mãn: 1 x x 1  1    x 2   , chọn   1,   9   x  9 2 1  9 1 1  9   x     Ta có  x 2  2  12  92   x    x 2  2   x x  x   , tương tự ta có: 82  x 1   1 1 1  1 1 1 P 9 x  y  z )  9      , do x  y  z  1;    9 nên ta tách: 82   x y z  x y z 1  1 1 1  80  1 1 1  2  1 1 1  80 9 ( x  y  z)            ( x  y  z)       82 9 x y z  9  x y z  3  x y z 9 x yz 1 Vậy P  82 , dấu “=” xảy ra khi x  y  z  . 3  x, y, z.0  1 1 1 Bài 2. Cho  1 1 1 , tìm GTLN của P    x  y  z 1 2x  y  z x  2 y  z x  y  2z  Giải 2 1 1 (  z )2 Áp dụng hệ qua (1) ta có:    , ta chọn  sao cho x  y  z  3 và 2x y z 2x  y  z  1 1     1  2 2x y z 2  2 1 1 (2  2)2      2x y z 2x  y  z 1  Vậy ta có:   1 1   (2  2)2 P 2 2   1  1  1  1     x y z 2 2 2 x 2y z x  2y  z 2 2 1 1 (2  2)2    1  x y  2z x  y  2z 1 Dấu bằng xảy ra khi x  y  z  3  MaxP  khi x  y  z  3 2 2
Bài tập áp dụng  a , b, c  0 1 1 1 3 Bài 1. Cho  ,chứng minh rằng 3  3  3  abc  1 a (b  c) b (c  a ) c (a  b) 2  a , b, c  0 a3 b3 c3 Bài 2. Cho  , tìm GTNN của P    abc  1 (1  b)(1  c) (1  c)(1  a ) (1  a )(1  b) Bài 3. Cho a, b, c, d  0 , tìm GTNN của a b c d P    b  2c  3d c  2d  3a d  2a  3b a  2b  3c  xi  0, i  1, n  Bài 4. Cho  n , tìm GTNN của P  1  x1  1  x2    1  xn  xi  1  i 1 a b c Bài 5. Cho a, b, c  0 , chứng minh rằng:   1 a 2  8bc b2  8ca c 2  8ab IV. THAY CHO LỜI KẾT Để làm rõ vai trò quan trọng của việc chọn điểm rơi trong việc định hướng giải quyết bài toán và cũng là kết lại phần chuyên đề này, tôi xin nêu một phương pháp mới giải bài toán sau: 3 3 Bài toán: Chứng minh rằng trong mọi tam giác ABC ta luôn có sin A  sin B  sin C  2 Phân tích để đi đến lời giải: Ta dự đoán dấu đẳng thức xảy ra khi tam giác ABC là tam  giác đều A  B  C  . 3 Vì A  B  C   ta giảm bớt số biến bằng sin C  sin A cos B  sin B cos A P  sin A  sin B  sin C  sin A  sin B  sin A cos B  sin B cos A , ta nghĩ đến: sin 2 A  cos2 A  1   2 2 ; A, B không còn quan hệ ràng buộc, làm thế nào để xuất hiện sin B  cos B  1  a 2  b2 sin 2 A,cos2 A , ta nghĩ ngay đến bất đẳng thức ab  , 2 3 1 sin A  sin B  ,cos A  cos B  , Ta áp dụng Cauchy: 2 2  sin A sin B  3  sin2 A   sin 2 B   3 cos B  cos A 3    cos2 B     cos2 A    3  2  3    3  1  2 3  2 3  Ta có: sin A  sin B   sin A  4    sin B  4   . Vậy: 3    
3  sin 2 A   sin 2 B   1  2 3  2 3  3 3 VT    cos2 B     cos2 A      sin A     sin B     2  3    3  3  4  4  2