skkn phương pháp sử dụng đạo hàm chứng minh bất đẳng thức

Các tài liệu viết về BĐT hiện nay rất nhiều, tuy nhiên một số chuyên đề viếtriêng về việc vận dụng đạo hàm vào chứng minh BĐT và giải các bài toán tìm giátrị lớn nhất GTLN và giá trị nhỏ

A MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Bất đẳng thức (BĐT) trong các kì thi chọn HSG Tỉnh, HSG Quốc gia, HSG khuvực và Quốc tế có thể coi là “điểm nóng”, thường trở thành đề tài giành được nhiềulời giải nhất và được thảo luận nhiều nhất trên các diễn đàn cũng như các tạp chí vềToán học

Cùng với BĐT AM-GM, BĐT Cauchy-Schwarz, BĐT Chebyshes, BĐT Jensenthì đạo hàm cũng là một phần kiến thức quan trọng không thể thiếu trong nhiều bàitoán đại số cũng như BĐT Nó thực sự là một công cụ hiệu quả và có ứng dụngrộng rãi trong giải toán, cũng là một phương pháp chuẩn mực nhất khi ta gặp phảicác BĐT thông thường

Các tài liệu viết về BĐT hiện nay rất nhiều, tuy nhiên một số chuyên đề viếtriêng về việc vận dụng đạo hàm vào chứng minh BĐT và giải các bài toán tìm giátrị lớn nhất (GTLN) và giá trị nhỏ nhất (GTNN) có tính hệ thống và tính phân loạicũng như tinh sát thực phù hợp cho việc giảng dạy, bồi dưỡng HSG và ôn luyệncho học sinh thi Đại học và cao đẳng là rất cần thiết Do vậy tôi chọn chuyên đềnày nhằm phần nào đáp ứng được những yêu cầu trên cũng như góp phần nâng caochất lượng bồi dưỡng HSG của tỉnh nhà

2 Các nhiệm vụ của đề tài

Chuyên đề nghiên cứu và trình bày các nội dung sau:

Phần I: Các kiến thức cơ bản cần thiết

Phần II: Sử dụng đạo hàm vào giải các bài toán chứng minh bất đẳng thức và tìmgiá trị lớn nhất, giá trị nhỏ nhất

Dạng 3: Khảo sát theo hàm số từng biến

3 Mở rộng một số bài toán thi vô địch Quốc tế

3 Mục đích của đề tài

Chuyên đề hệ thống hóa, phân loại toán và trình bày theo từng ý tưởng cũngnhư các kỹ năng vận dụng đạo hàm vào việc giải một lớp các bài toán về chứngminh BĐT, tìm GTLN và GTNN cùng loại

Qua các ví dụ cụ thể của chuyên đề giúp cho người học nâng cao thêm về “cáinhìn” định hướng phương pháp giải toán Đồng thời thông qua lời giải các bài toán

đó giúp học sinh thấy được bản chất Toán học ẩn chứa trong nó Giúp cho học sinhhình thành được phương pháp giải toán chứng minh BĐT, tìm GTLN và GTNNbằng đạo hàm, học sinh có được kỹ năng, kỹ xảo cần thiết nhất để nâng cao nănglực giải các bài toán này

Chuyên đề còn góp phần phát huy trí thông minh, tính sáng tạo, khả năng tưduy linh hoạt, có được các suy luận logic, chính xác, tinh thần vượt khó

4 Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu tài liệu về cơ sở lý luận có liên quan đến đề tài.

- Nghiên cứu các dạng thức toán nhằm rút ra phương pháp giải.

- Tích lũy kinh nghiệm thường xuyên trong quá trình giảng dạy bồi dưỡng HSG

và quá trình tự học, tự bồi dưỡng nghiên cứu của bản thân

5 Đối tượng nghiên cứu

- Các tài liệu: SGK, STK, các đề thi ĐH và HSG các cấp,…

- Học sinh trường THPT Chuyên Hưng Yên và học sinh các đội tuyển HSG tỉnh,

đội tuyển HSG Quốc gia

6 Những đóng góp mới của đề tài

- Về mặt lý luận, đề tài xây dựng hệ thống lý thuyết cần thiết và tư duy phương

pháp trong việc bồi dưỡng học sinh giỏi toán Đồng thời, thông qua chuyên đề hìnhthành kỹ năng, kỹ xảo cho học sinh

B NỘI DUNG

I CÁC KIẾN THỨC CƠ BẢN CẦN THIẾT

1 Định lý 1: Cho hàm số y = f(x) xác định và liên tục trên [a; b].

*) Nếu f x( ) 0,  x a b;  thì f(x) đồng biến trên [a; b] và khi đó ta có

*) Nếu f x( ) 0,  x x0 ;x0 và f x( ) 0,  x x x0; 0 thì x0 là điểm cựcđại

4 Định lý 4: Giả sử y = f(x) xác định trên [a; b] và x0a b;  Trong một lân cận

đủ bé  của x0, hàm số y = f(x) có đạo hàm cấp hai liên tục, đồng thời f x( ) 00 

và f x( ) 0 thì x0 là một điểm cực trị của hàm số

*) Nếu f x( ) 00  và f x( ) 0 thì x0 là một điểm cực tiểu của hàm số

*) Nếu f x( ) 00  và f x( ) 0 thì x0 là một điểm cực đại của hàm số

II ỨNG DỤNG ĐẠO HÀM ĐỂ CHỨNG MINH CÁC BÀI TOÁN BẤT ĐẲNG THỨC VÀ GIẢI CÁC BÀI TOÁN TÌM GIÁ TRỊ LỚN NHẤT, GIÁ TRỊ NHỎ NHẤT CỦA HÀM SỐ.

1 Bất đẳng thức một biến số

1.1 Dạng 1: Khảo sát trực tiếp cực trị của hàm số để tìm tập giá trị của hàm số

Bài toán 1: ( ĐHBK Hà Nội, 1997)

Cho tam giác ABC có ba góc thỏa mãn A > B > C Tìm GTNN của hàm số

Chú ý: Từ kết quả trên ta suy ra được phương trình

x A x B x C

có đúng một nghiệm vì trên sin ;A  Hàm số f(x) đồng biến có f(sinA) < 0 ( vì

0 < sinA – sinB < sinA – sinC)

Bài toán 2: ( Thi HSG Quốc gia, 1992)

Chứng minh rằng với mọi số tự nhiên n > 1 ta có

Vậy f(x) nghịch biến [0; 1) nên f(x) < f(0) = 2,  x 0;1 (đpcm).

Bài toán 3: (ĐH An ninh, 1997)

Cho n là số lẻ lớn hơn 3 Chứng minh rằng với mọi x 0ta có

Cho số nguyên dương n Chứng minh rằng

1 1

Bài 3 (Toán học và tuổi trẻ)

Cho số nguyên dương n Chứng minh rằng

trên  0;  Hàm số đồng biến trên  0;  suy ra f x( ) f(0), đpcm

Bài 4: Cho x > 0 Chứng minh rằng

 f(x) đồng biến trên [a; b] thì f(x) > f(a) với mọi x > a.

 f(x) nghịch biến trên [a; b] thì f(x) > f(b) với mọi x < b.

Bài toán 5: Chứng minh rằng với mọi x 0ta có 3 sinx

Ta có f x( ) 1 cos  x  0, x 0;  f x( )f(0) 0 , nên f’(x) đồng biến

trên  0;  Suy ra ( )f x f(0) 0  f x( ) đồng biến trên  0;  Do đó

Từ (1) và (2) ta có đpcm

Bài toán 6: Tìm GTNN của hàm số 2 2

2

Từ bảng biến thiên suy ra min ( ) 2 f x   x  0

Bài toán 7: Cho a, b, x > 0 và a b Chứng minh rằng

Giải: Áp dụng BĐT AM-GM ta có 2sinx  2t anx  2 2 2sinx t anx Ta chứng minh

Xét hàm số f x( ) sinx t anx 2   x liên tục trên 0;

    0 0, 0;

2

f x  f     x      

Nhận xét: Khi trong BĐT có chứa các loại hàm số khác nhau ta thường cô lập mỗi

loại hàm số để dễ xét dấu của đạo hàm, hoặc ta có thể đạo hàm liên tiếp để khử bớt một loại hàm số như trong bài toán 5

Cách 2: Theo bài 5 ta có 3 sinx

Bài toán 11: (VMO – 2003, Bảng B)

Cho hàm số f xác định trên tập số thực, lấy giá trị trên R và thỏa mãn điều kiện

, 1

2 Bất đẳng thức có hai hay nhiều biến số

Để chứng minh BĐT có chứa nhiều biến số bằng phương pháp đạo hàm thì điềuquan trọng nhất là chúng ta đưa được về một biến và khảo sát hàm số theo biếnđó

2.1 Dạng 1: Khảo sát hàm đặc trưng

Bài toán 12: Chứng minh rằng

2, 1

2 1

Trong một số bài toán ta có thể nhìn thấy ngay hàm đặc trưng, tuy nhiên một số bài ta cần phải biến đổi mới nhìn thấy hàm đặc trưng Xét bài toán sau

Bài toán 13: Cho A, B, C là ba góc của một tam giác nhọn Chứng minh rằng

Nhận xét: Trong BĐT trên A, B, C bình đẳng nên ta dễ dàng kiểm tra được dấu

bằng xảy ra khi và chỉ khi

3

A B C     Vì vậy ta cần chọn một hàm số có dạng

0Suy ra f x      0, x R  f a    f b    f c    0

Nhận xét: Các bạn thử nghĩ xem tại sao không xét hàm số f x      2x 3  2x?

Trong một số bài toán BĐT hai biến ta phải biến đổi cô lập mỗi biến về một vế, khi đó xuất hiện hàm đặc trưng cần khảo sát

Bài toán 15: (Đại học khối D, 2006)

nên f là hàm nghịch biến trên  0;  Do đó f a    f b   (đpcm)

Nhận xét: Trong bài toán trên ta đã sử dụng kêt quả:

Cho hàm số f(x) đồng biến trên (a; b) Khi đó với    ,  a b ;  ta có

Bài toán 16: Chứng minh rằng với mọi x y ,   0;1 ,  x y  ta có

Bài toán 18: (Đại học khối A, 2004)

Cho tam giác ABC không tù, thỏa mãn điều kiện

 

Tính các góc của tam giác ABC

Giải: Từ giả thiết 0

Cho hai số x, y khác 0 thay đổi thỏa mãn  x y xy x    2  y2  xy   *

Chứng minh rằng 13 13

16

x  y  . Giải: Nhận thấy x, y đối xứng nên đặt :



 nên ta chỉ cần chứng minh: 3

4

u u



 với u 1 hoặc u 3

Còn 0 < f(-3) < f(u) <1, u > -3, từ đó ta có đpcm

Bài toán 20: (VMO, 2004)

Cho x, y, z là các số thực dương thỏa mãn  x y z   3  32 xyz Tìm GTLN

Nhân các BĐT trên ta được 5 5 1

Bài 4: Cho x y ,  0; x3  y3  1 Tìm GTLN của A  x  2 y

Bài 5: Tìm ba góc của tam giác ABC biết

2

Bài 6: Cho các số không âm x, y, z thỏa mãn điều kiện : xy + yz + xyz = 4 (*)

CMR : x y z xy yz zx     (1) Hỏi đẳng thức xảy ra khi nào

2.2 Dạng 2: Kết hợp với các BĐT khác như BĐT AM-GM, BĐT Schwarz, BĐT Chebyshes,…

Cauchy-Đối với các bài toán phức tạp, ta cần phối hợp với phương pháp chặnkhoảng các biến và các BĐT phụ khác như BĐT AM-GM, BĐT Cauchy-Schwarz,BĐT Chebyshes,… hoặc các đánh giá khác , hoặc phối hợp với các phương phápkhác như phương pháp tọa độ,

Ta thường ước lượng T(x, y, z, ) bởi một hàm số chỉ phụ thuộc vào mộtbiến số, từ đó khảo sát hàm số này để đạt được mục đích

Bài toán 21: Cho các số x y z  , ,  0;1  thỏa mãn xyz    1 x   1  y   1  z  Chứng minh rằng

3 2

x y z   

.

Bài toán 22: ( Tuyển sinh Đại học Vinh, 2001)

Chứng minh rằng nếu a, b, c là độ dài ba cạnh của một tam giác có chu vi bằng 3 thì

a b

ab     

  , suy ra

ra a = b = 1, tức là tam giác ABC đều.

Bài toán 23: (Tuyển sinh Đại học khối B, 2006)

Cho x, y là các số thực dương thay đổi Tìm GTNN của biểu thức

Bài toán 24: (Tuyển sinh Đại học khối A, 2011)

Cho x, y, z là các số thực thuộc đoạn [1; 4] và x y x z ,  Tìm GTNN của biểu thức

Áp dụng (*) với x, y thuộc đoạn [1; 4] và x y x z ,  ta có

2

t P

4 3

1 3

Ta được f c    12 3 Dấu bằng xảy ra khi c  3 3 Suy ra P  12 3.

Bài 3: (Đại học xây dựng Hà Nội, 2001)

Cho các số x, y, z thay đổi trên đoạn [0; 1] và thỏa mãn 3

2

x y z    TìmGTLN và GTNN của A c  os  x2  y2  z2.

2.3 Dạng 3: Khảo sát hàm số theo từng biến

Đối với các BĐT nhiều biến, ta có thể chọn một biến là biến số biến thiên và cốđịnh các biến còn lại, bài toán lúc này trở thành BĐT một biến

Bài toán 27: Cho0a b, 1 Chứng minh rằng

tan tana btanab

Giải: Giả sử a b Đặt f x    tan tan b x  tan bx với b x 1 Ta có

Suy ra g b    g   0   0 tan2b  tan b2  0   2

Từ (1) và (2) suy ra đpcm

Bài toán 28: Chứng minh rằng

2 x  y  z  x y y z z x    3,  x y z , ,  0;1

Giải: BĐT đã cho tương đương với

f x  x  yx  z x  y  z  y z  .

Ta có

1

2

1

6 6

0

1

6 6

f x







Vì x 0 nên x 1  0;1  Xét hai trường hợp

 Nếu x2  0;1   f x       0, x  0;1  Suy ra f(x) giảm trên [0; 1] Do đó

x

 Nếu x 2  0;1  thì ta có bảng biến thiên

x 0 x2 1

f’ - 0 +

f

f x  2

Từ bảng biên thiên suy ra ax0;1   ax    0 ,   1 

x

Như vậy trong cả hai trường hợp ta đều có ax0;1   ax    0 ,   1 

x

Mặt khác

f  y  z  y z  y  z  y z   y z   f

Ta sẽ chứng minh f   1  3 Thật vậy, đặt

f g y  y z  y z  y z

2 1

2

2 2

1

6

1

6 6







 Nếu y2  0;1   g y       0, y  0;1  Suy ra g(y) giảm trên [0; 1] Do đó

ax0;1   ax    0 , 1   

y

 Nếu y 2  0;1  thì ta có bảng biến thiên

y 0 y2 1

g’ - 0 +

g

g y  2

Từ bảng biên thiên suy ra ax0;1   ax    0 , 1   

y

Như vậy trong cả hai trường hợp ta đều có ax0;1   ax    0 , 1   

y

Ta có

Với mọi z   0;1  .

Bài toán 29: Cho 1

3

a b c        Tìm GTLN của biểu thức

S

a b b c c a

Giải: Đặt f a   a b c

a b b c c a

   Xét hai trường hợp sau:

 TH1: a b c  Ta có

 

2

f a

Suy ra

b b c c

Mặt khác

 

2

3 3 3

0

b

g c



Suy ra

b

 

 

Ta có

 

0

h b

Ta có bảng biến thiên

f   b  

  +

-1 3; ; 3

trên miền D    x y ,  | 0   x 1,0   y 2  Tìm GTNN của hàm f trên miền D.

Giải: Biến đổi hàm số đã cho thành

Bài toán 32: (Đề thi HSG THPT toàn quốc bảng A, 1999)

Xét các số thực dương a, b, c thỏa mãn abc + a + c = b Tìm GTLN của biểu thức

c  va qua c0 thì g’(c) đổi dấu từ dương sang

âm nên g(c0) là giá trị cực đại, suy ra 1 10

3 8

Bài toán 33: (VMO, 2001)

Xét các số thực dương x, y, z thỏa mãn hệ điều kiện

2 15

1

3 5

xz yz

Bài toán 32: (Đề thi chọn ĐTQG, 2001)

Xét các số thực dương a, b, c thỏa mãn 21ab + 2bc + 8ac 12 Tìm GTNN củabiểu thức

 (1)Suy ra

  và qua x0 thì f’(x) đổi dấu từ âm sang dương nên f(x)

đạt cực tiểu tại x0nên

5 2

Đặt t = 32y 2 14 với t > 0, thì phương trình trên trở thành

Nhận xét: Phương pháp khảo sát lần lượt từng biến cho thấy đường lối giải rõ ràng

hơn so với cách vận dụng BĐT, đồng thời giải hàng loạt các bài toán tìm cực trị của hàm nhiều biến khác

3 Mở rộng một số bài toán thi vô địch Quốc tế

Trong kì thi IMO 2004 có bài toán sau:

Cho n là một số tự nhiên lớn hơn 2 và n số thực dương thỏa mãn

Mở rộng ta có bài toán sau:

Giả sử n và k là hai số tự nhiên thỏa mãn n k 2 Tìm số thực lớn nhất g(n, k) có tính chất: bất kì k trong n số thực dương x x1, , ,2 xn sẽ là độ dài k cạnh của một đa giác lồi nếu

Để làm điều đó ta sẽ thiết lập biểu thức liên hệ giữa g(n+1; k) và g(n; k)

Giả sử rằng giá trị g(n; k) đã xác định và đẳng thức xảy ra tại  x x1, , ,2 xn với

g n  k  g n k  Đẳng thức xảy ra tại

C KẾT LUẬN

Mỗi bài toán có một đặc trưng riêng, có những bài toán mà đặc thù của nó là cơ

sở để các chứng minh mang tính kỹ thuật trở nên hữu dụng Thường là các chứngminh đó rất hấp dẫn bởi tính đơn giản của nó Tuy nhiên, việc tìm ra các chứngminh đẹp đẽ như vậy trong đa số trường hợp là rất mơ hồ Trái lại, phương pháp sửdụng đạo hàm có vẻ cồng kềnh, nặng nề về tính toán có thể lại là con đường dễthực hiện nhất

Chuyên đề đã hệ thống và phân loại các bài toán có thể áp dụng đạo hàm vàogiải, đồng thời thông qua các ví dụ cụ thể giúp học sinh khi đứng trước bài toánliên quan đến đạo hàm biết cách vận dụng

Các bài toán trong chuyên đề đã được chọn lọc kĩ càng, khá đa dạng và phongphú Thông qua đó giúp học sinh hình thành được phương pháp giải toán khi gặpcác bài toán cùng loại

Chuyên đề này đã được đưa vào giảng dạy cho đội tuyển HSG Quốc gia củatỉnh Hưng Yên từ năm 2007 đến nay Và đã gây được sự hứng thú, say mê học tập,kích thích được sự ham hiểu biết, tìm tòi sáng tạo của học sinh Kết quả là trongcác năm gần đây các đội tuyển Toán của tỉnh ta đều đạt giải HSG Quốc gia như: 3giải năm 2009, 3 giải năm 2010, 5 giải năm 2011, 6 giải năm 2012, 8 giải 2013.Chuyên đề “ Phương pháp sử dụng đạo hàm chứng minh BĐT” tôi viết với tinhthần trách nhiệm cao, với mong muốn phần nào giúp các thầy cô dạy Toán, các emTHPT, các em trong ĐTQG có tài liệu tham khảo và học tập, cũng hi vọng các thầy

cô giáo và các em tìm thấy nhiều bổ ích và lí thú ở chuyên đề Tuy nhiên chuyên đềchắc chắn sẽ không thể tránh khỏi những thiếu sót Tôi rất mong nhận được sựđộng viên, đóng góp chân thành của quý thầy cô và các em học để được ngày cànghoàn thiện hơn

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Phạm Văn Dũng

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Vẻ đẹp Bất đẳng thức trong các kì thi Olympic Toán học, Trần Phương, NXB

ĐHQG Hà Nội, 2010

[2] Những viên kim cương trong bất đẳng thức Toán học, Trần Phương, 2009 [3] Sáng tạo bất đẳng thức, Phạm Kim Hùng, 2006.

[4] Tạp chí Toán học và tuổi trẻ các số 298, 299, năm 2002

[5] Các đề thi HSG Quốc gia, thi tuyển sinh Đại học