Kĩ thuật sử dụng bất đẳng thức cauchy-schwarz

Kĩ thuật sử dụng bất đẳng thức cauchy-schwarz

kĩ thuật sử dụng bất đẳng thức

cauchy-schwarz

`

Đầu tiên xin được nhắc lại nội dung bất đẳng thức Cauchy-Schwarz Với hai

bộ số thực bất kì a1, a2, …, an và b1, b2, …, bn ta có bất đẳng thức:

(a1

2

+a2

2+ …+an

2 )(b1

2 +b2

2+ …+bn

2) ≥(a1b1+a2b2+…+anbn)2 Dấu bằng chỉ xảy ra khi và chỉ khi aibj=ajbi với mọi i≠j

Ta hãy nhìn bất đẳng thức trên dưới dạng khác như sau: Với hai bộ số thực bất kì a1, a2, …, an và b1, b2, …, bn thoả mãn bi dương ta có:

a a

  

   Đẳng thức cũng chỉ xảy ra khi và chỉ khi aibj=ajbi với mọi i≠j Để sử dụng thật tốt bất đẳng thức này các bạn phải có cái nhìn hai chiều với bất đẳng thức trên Nói chung thì bất đẳng trên ứng dụng giải toán nhiều hơn hay dễ

sử dụng hơn bất đẳng thức dạng chính tắc

Bây giờ ta đi vào xét các ví dụ để thấy được sức mạnh của bất đẳng thức cauchy-schwarz

Ví dụ 1 Ta sẽ chứng minh bất đẳng thức Nettbits ba biến

a,b,c là các số dương Chứng minh rằng:

3

2

b cc aa b 

Lời giải

Lời giải bài toán trên rất đơn giản Sử dụng bất đẳng Cauchy-Schwarz ta được

b c c a a b ab ac bc ab ac bc ab bc ca ab bc ca

Đẳng thức xảy ra khi và chỉ khi a=b=c.♠

Ví dụ 2 a, b, c là các số dương tuỳ ý Chứng minh bất đẳng thức

b c a c a b a b c

 

Lời giải

Ta sử dụng nhận xét sau để giải bài toán trên:

b c a  a b a c  a ba c  a ba c

Từ đánh giá trên ta được

, ,

1

2 2 2 4a b c 4

b c a c a b a b c a b a b

 

Đây là điều phải chưúng minh Đẳng thức xảy ra khi và chỉ khi a=b=c.♠

Lời giải trên thật thú vị phải không các bạn, điều đáng chú ý trong cách giải trên là việc phát hiện hằng đẳng thức sau

, ,

a b c

ab ac

a b c

a ba b   



Cố gắng tạo ra các đẳng thức bằng cách tách nhóm thích hợp ta sẽ có được những lời giải đẹp Kĩ thuật này có thể ứng dụng cho các ví dụ tiếp theo sau đây

Ví dụ 3 a,b,c là các số dương có tổng bằng 3 Chứng minh bất đẳng thức sau

2 12 2 2 12 2 2 12 2 1

Lời giải

Sử dụng tư tưởng như trên Ta cố gắng tìm một đẳng thức Ta chú ý đến hằng đẳng thức sau

2 2 2 2 , ,

a b c

a b

a b a b 



Ta chú ý đến đẳng thức sau 4a2+b2+c2=2a2+(a2+b2)+(a2+c2) và sử dụng bất đẳng thức Cauchy-Schwarz ta được phân tích sau

 

Từ phân tích trên ta được

a b c  a  a b a c 

Từ đó ta được điều phải chứng minh

Đẳng thức chỉ xảy ra khi và chỉ khi a=b=c=1.♠

Qua các ví dụ trên ta thấy kĩ thuật tách nhóm để sử dụng bất đẳng Cauchy-Schwarz thật đơn giản nhưng cho được những lời giải đẹp, vừa hay lại vừa độc đáo Khi phương pháp tách nhóm để đưa về hằng đẳng thức không còn hiệu quả nữa thì ta nên sử lí thế nào? Nói chung việc ước lượng thông qua hằng đẳng thức cũng không quan trọng lắm, miễn là sau khi sử dụng Bất đẳng thức Cauchy-Schwarz thì ta vẫn còn có thể ước lượng các bước tiếp theo Thay vì cố gắng tìm kiếm hằng đẳng thức ta có thể ước lượng thông qua các bất đẳng thức

Ta sẽ xem xét các ví dụ sau để thấy được điều đó

Ví dụ 4 Chứng minh rằng với mọi số thực dương a,b,c ta đều có bất đẳng thức:

1

a b a c  b a b c  c a c b 

Lời giải

Ta chú ý đến đẳng thức (2a+b)(2a+c)=(2a2+bc)+a(a+b+c)+a(a+b+c)

Từ đó sử dụng Bất đẳng Cauchy-Schwarz ta được

2

2

a b a c a bc a a b c a a b c

a b a c a bc a b c

Sử dụng ước lượng trên ta được

a b a c  a bc a b c  a bc

Cuối cùng ta sẽ chứng minh bất đẳng thức

a bc b ca c ab

Thật vậy ta có

a bc   a bc    a bc

Nhưng mà theo bất bất đẳng thức Cauchy-Schwarz ta có

1

2 2 ( ) ( ) 2

bc bc ab bc ca

a bc a bc bc ab a bc

 

Ta được điều phải chứng minh

Bất đẳng thức đã cho được minh hoàn toàn Có đẳng thức khi và chỉ khi a=b=c.♠

Ví dụ 5 a,b,c là 3 số thực không âm và có nhiều nhất 1 số bằng không khi

đó ta có

1

a b c  b a c  c a b 

Lời giải

Chú ý là đẳng thức chỉ xảy ra tại điểm (a,b,c)=(t,t,0) (tR) và các hoán vị

Ta chú ý đến đẳng thức 3a2+(b+c)2=(2a2+2bc)+(a2+b2+c2)

Từ đó sử dụng bất đẳng Cauchy-Schwarz ta được

a b c  a bc a b c  a bca b c

Sử dụng ước lượng trên ta được

a b c  a bc a b c  a bc

Cuối cùng ta cần chứng minh

a bc b ca c ab 

Bất đẳng này chính là bất đẳng thức (*) mà ta đã chứng minh.♠

Nói chung kĩ thuật tách nhóm thường cho được những lời giải rất đẹp và gọn gàng Nhưng trong trường hợp ta không tìm đựoc cả hằng đẳng thức lẫn bất

đẳng thức thì ta phải sử lí ra sao? Trong trường hợp này ta phải sử dụng đến

kĩ thuật thêm-bớt Ta hãy xem xét các ví dụ sau

Ví dụ 6 Cho a,b,c là độ dài 3 cạnh của một tam giác Chứng minh rằng

1

a b ca b c a b c

Lời giải

Cả tử số và mẫu số các phân thức của bất đẳng thức đều dương có vẻ như nếu áp dụng trực tiếp bất đẳng thức Cauchy-Schwarz sẽ được nhưng các bạn thử trực tiếp thì sẽ thấy bất đẳng thức đổi chiều Bây giờ ta sẽ làm giảm đi tử

số một lượng nhưng vẫn đảm bảo tử số vẫn còn dương (nghĩa là dương càng nhỏ càng tốt) Với chú ý rằng 4a-(3a-b+c)=a+b-c>0 Từ đó ta thấy bớt đi 1 lượng ¼ là thích hợp Viết bất đẳng thức đã cho dưới dạng tương đương

1

a b c a b c a b c

a b c a b c a b c

Đến đây sử dụng bất đẳng thức Cauchy-Schwarz ta cần chứng minh

2

(a b c  ) (a b c  )(3a b c  )

Nhưng bất đẳng thức này chính là hằng đẳng thức Ta có điều phải chứng minh.♠

Hi vọng các bạn sẽ ứng dụng tốt kĩ thuật này và thấy được vẻ đẹp của bất đẳng thức Cauchy-Schwarz cổ điển Cuối cùng chúc các bạn thành công.!