Tài liệu Pp don bien tim max min

www.VNMATH.com Giáo viên: Trần Đình Hiền - Trường THPT Đặng Thúc Hứa - Nghệ An MỤC LỤC Mục lục . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 Lời nói đầu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 Chương 1.Giá trị nhỏ nhất, giá trị lớn nhất của hàm số . . . . . . . . . . . . . 4 1.1.Một số kiến thức cơ sở về đạo hàm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.2.Giá trị nhỏ nhất, giá trị lớn nhất của hàm số . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.3.Một số ví dụ tìm giá trị nhỏ nhất, giá trị lớn nhất của hàm số 6 Chương 2.Kỹ thuật giảm biến trong bài toán tìm giá trị nhỏ nhất, giá trị lớn nhất của biểu thức . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 2.1.Bài toán tìm giá trị nhỏ nhất, giá trị lớn nhất của biểu thức bằng phương pháp thế . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 2.2.Bài toán tìm giá trị nhỏ nhất, giá trị lớn nhất của biểu thức đối xứng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 2.3.Bài toán tìm giá trị nhỏ nhất, giá trị lớn nhất của biểu thức thể hiện tính đẳng cấp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 2.4.Bài toán tìm giá trị nhỏ nhất, giá trị lớn nhất của biểu thức chứa ba biến . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 Kết luận . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 Tài liệu tham khảo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 1 www.VNMATH.com Giáo viên: Trần Đình Hiền - Trường THPT Đặng Thúc Hứa - Nghệ An LỜI NÓI ĐẦU Trong sách giáo khoa lớp 12 Giải tích đã trình bày cách tìm giá trị lớn nhất, giá trị nhỏ nhất của hàm số. Vì vậy một số dạng bài toán tìm giá trị nhỏ nhất, giá trị lớn nhất của một biểu thức chứa một biến trở nên đơn giản. Bài toán tìm giá trị nhỏ nhất, giá trị lớn nhất là một bài toán bất đẳng thức và đây là một trong những dạng toán khó ở chương trình trung học phổ thông. Trong các bài toán tìm giá trị lớn nhất, giá trị nhỏ nhất của một biểu thức dành cho học sinh khá, giỏi thì biểu thức cần tìm giá trị nhỏ nhất, giá trị lớn nhất thường chứa không ít hơn hai biến. Không những thế, các bài toán khó thường có giả thiết ràng buộc giữa các biến. Việc chuyển bài toán tìm giá trị nhỏ nhất, giá trị lớn nhất của một biểu thức không ít hơn hai biến sang bài toán tìm giá trị nhỏ nhất, giá trị lớn nhất của hàm số chứa một biến sẽ giúp chúng ta giải được bài toán tìm giá trị nhỏ nhất, giá trị lớn nhất của một biểu thức. Vấn đề đặt ra là những dạng bài toán tìm giá trị nhỏ nhất, giá trị lớn nhất nào thì chuyển về được dạng bài toán tìm giá trị nhỏ nhất, giá trị nhỏ nhất của hàm số chứa một ẩn. Vì vậy chúng tôi chọn đề tài "Ứng dụng đạo hàm để tìm giá nhỏ nhất, giá trị nhỏ nhất của một biểu thức". Trong quá trình giảng dạy, bồi dưỡng học sinh giỏi và ôn thi đại học, cao đẳng bản thân đã đúc rút được một số kinh nghiệm. Vì vậy trong bài viết này chúng tôi trình bày chi tiết một số dạng bài toán tìm giá trị nhỏ nhất, giá trị lớn nhất của một biểu thức chứa hai biến mà điều kiện ràng buộc của hai biến hoặc biểu thức thể hiện tính đối xứng hoặc tính đẳng cấp, trình bày một số bài toán tìm giá trị nhỏ nhất, giá trị lớn nhất của một biểu thức chứa ba biến mà bằng cách đánh giá chúng ta thế được hai biến qua biến còn lại. Với mục đích như vậy, ngoài lời mở đầu, mục lục và phần tài liệu tham khảo, bài viết được trình bày trong hai chương. 2 www.VNMATH.com Giáo viên: Trần Đình Hiền - Trường THPT Đặng Thúc Hứa - Nghệ An Chương 1. Giá trị nhỏ nhất, giá trị lớn nhất của hàm số. Trong chương này, chúng tôi trình bày các kiến thức cơ sở cần thiết để giải bài toán tìm giá trị nhỏ nhất, giá trị lớn nhất của hàm số. Ở cuối chương, chúng tôi đưa ra một số ví dụ minh hoạ. Chương 2. Kỹ thuật giảm biến trong bài toán tìm giá trị nhỏ nhất, giá trị lớn nhất của biểu thức. Trong chương này, chúng tôi trình bày chi tiết các dạng toán tìm giá trị nhỏ nhất, giá trị lớn nhất của một biểu thức chứa hai biến mà điều kiện ràng buộc của hai biến hoặc biểu thức thể hiện tính đối xứng hoặc tính đẳng cấp, trình bày một số dạng toán tìm giá trị nhỏ nhất, giá trị lớn nhất của một biểu thức chứa ba biến bằng cách đặt ẩn phụ hoặc thế hai biến qua một biến còn lại. Tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các thầy giáo trong tổ Toán, cùng các em học sinh lớp 12A-K30, 10C1-K33 trường THPT Đặng Thúc Hứa đã cộng tác, giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thiện bài biết. Trong quá trình thực hiện bài viết này, mặc dù đã rất cố gắng nhưng không thể tránh khỏi những hạn chế, thiếu sót. Tác giả rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của quý thầy cô, các bạn và các em học sinh để bài viết được hoàn thiện hơn. Xin trân trọng cảm ơn! Thanh Chương, tháng 05 năm 2011 Tác giả 3 www.VNMATH.com Giáo viên: Trần Đình Hiền - Trường THPT Đặng Thúc Hứa - Nghệ An CHƯƠNG 1 GIÁ TRỊ NHỎ NHẤT, GIÁ TRỊ LỚN NHẤT CỦA HÀM SỐ 1.1. Một số kiến thức cơ sở về đạo hàm Trong mục này chúng tôi trình bày lại một số kiến thức về đạo hàm và một số công thức về đạo hàm. 1.1.1 Định lý. Nếu hai hàm số u = u(x) và v = v(x) có đạo hàm trên J thì 1. (u + v) = u + v ; 2. (u − v) = u − v ; 3. (uv) = u v + uv ; 4. (ku) = ku ; 5. ( u ) = v u v−uv v2 , với v(x) = 0 1.1.2 Định lý. Đạo hàm của một số hàm số thường gặp. (c) = 0(c là hằng số) (x) = 1 (xn ) = nxn−1 (n ∈ R) (un ) = nun−1 u 1 1 ( x ) = − x2 u 1 ( u ) = − u2 √ u ( u) = 2√u √ ( x) = 1 √ (x 2 x > 0) (ex ) = ex (eu ) = eu u 1 (ln x) = x (x > 0) (ln u) = u u (sin x) = cos x (sin u) = u cos u (cos x) = − sin x (cos u) = −u sin u (tan x) = 1 + tan2 x(x = π 2 + kπ) (tan u) = u (1 + tan2 u) (cot x) = −(1 + cot2 x)(x = kπ) (cot u) = −u (1 + cot2 u) 4 www.VNMATH.com Giáo viên: Trần Đình Hiền - Trường THPT Đặng Thúc Hứa - Nghệ An 1.1.3 Nhận xét. Đạo hàm của một số hàm phân thức hữu tỉ thường gặp 1. Cho hàm số y = ax+b cx+d 2. Cho hàm số y = ax2 +bx+c mx+n 3. Cho hàm số y = ax2 +bx+c mx2 +nx+p 1.2. với a.c = 0, ad − cb = 0. Ta có y = với a.m = 0. Ta có y = ad−cb . (cx+d)2 amx2 +2anx+bn−mc . (mx+n)2 với a.m = 0. Ta có y = (an−mb)x2 +2(ap−mc)x+(bp−nc) . (mx2 +nx+p)2 Giá trị nhỏ nhất, giá trị lớn nhất của hàm số Trong mục này chúng tôi trình bày lại một số kiến thức về bài toán tìm giá trị nhỏ nhất, giá trị lớn nhất của hàm số. 1.2.1 Định nghĩa. Giả sử hàm số f xác định trên tập hợp D ⊂ R. a) Nếu tồn tại một điểm x0 ∈ D sao cho f (x) ≤ f (x0 ) với mọi x ∈ D thì số M = f (x0 ) được gọi là giá trị lớn nhất của hàm số f trên D, ký hiệu là M = maxf (x). x∈D b) Nếu tồn tại một điểm x0 ∈ D sao cho f (x) ≥ f (x0 ) với mọi x ∈ D thì số m = f (x0 ) được gọi là giá trị nhỏ nhất của hàm số f trên D, ký hiệu là m = minf (x). x∈D 1.2.2 Nhận xét. Như vậy, muốn chứng tỏ rằng số M (hoặc m) là giá trị lớn nhất (hoặc giá trị nhỏ nhất) của hàm số f trên tập hợp D cần chỉ rõ: a) f (x) ≤ M (hoặc f (x) ≥ m) với mọi x ∈ D. b) Tồn tại ít nhất một điểm x0 ∈ D sao cho f (x0 ) = M (hoặc f (x0 ) = m). 1.2.3 Nhận xét. Người ta đã chứng minh được rằng hàm số liên tục trên một đoạn thì đạt được giá trị nhỏ nhất và giá trị lớn nhất trên đoạn đó. Trong nhiều trường hợp, có thể tìm giá trị lớn nhất và giá trị nhỏ nhất của hàm số trên một đoạn mà không cần lập bảng biến thiên của nó. Quy tắc tìm giá trị nhỏ nhất, giá trị lớn nhất của hàm f trên đoạn [a; b] như sau: 1. Tìm các điểm x1 , x2 , ..., xn thuộc khoảng (a; b) mà tại đó f có đạo hàm bằng 0 hoặc không có đạo hàm. 5 www.VNMATH.com Giáo viên: Trần Đình Hiền - Trường THPT Đặng Thúc Hứa - Nghệ An 2. Tính f (x1 ), f (x2 ), ..., f (xn ), f (a) và f (b). 3. So sánh các giá trị tìm được. Số lớn nhất trong các giá trị đó là giá trị lớn nhất của f trên đoạn [a; b], số nhỏ nhất trong các giá trị đó là giá trị nhỏ nhất của f trên đoạn [a; b]. 1.3. Một số ví dụ tìm giá trị nhỏ nhất, giá trị lớn nhất của hàm số Trong mục này chúng tôi trình bày một số ví dụ tìm giá trị nhỏ nhất, giá trị lớn nhất của hàm số. √ 1.3.1 Ví dụ. Tìm giá trị nhỏ nhất và giá trị lớn nhất của hàm số f (x) = x+ 4 − x2 Bài làm. Tập xác định D = [−2; 2], f (x) = 1 − biến thiên √ x , 4−x2 √ t −2 f (t) + f (t)      2 0 √ 2 2   √ 2. Bảng 2 − d d ‚ d −2 f (x) = 0 ⇔ x = 2 √ √ Từ bảng biến thiên ta có min f (x) = f (−2) = −2 và max f (x) = f ( 2) = 2 2. x∈[−2;2] x∈[−2;2] 1.3.2 Bài tập. Tìm giá trị nhỏ nhất và giá trị lớn nhất của hàm số f (x) = 1 − x2 + 2 3 (1 − x2 )2 . Bạn đọc tự giải. 1.3.3 Bài tập. Tìm giá trị nhỏ nhất và giá trị lớn nhất của hàm số f (x) = 5 cos x − cos 5x với − Bạn đọc tự giải. 6 π π ≤x≤ . 4 4 www.VNMATH.com Giáo viên: Trần Đình Hiền - Trường THPT Đặng Thúc Hứa - Nghệ An 1.3.4 Bài tập. Tìm giá trị nhỏ nhất và giá trị lớn nhất của hàm số √ √ √ 2 1 − x4 + 1 + x2 + 1 − x2 + 3 √ √ f (x) = . 1 + x 2 + 1 − x2 + 1 √ √ √ Hướng dẫn. Đặt t = 1 + x2 + 1 − x2 , 2 ≤ t ≤ 2. 1.3.5 Bài tập. Tìm giá trị nhỏ nhất và giá trị lớn nhất của hàm số f (x) = (x + 1) 1 − x2 . Bạn đọc tự giải. 1.3.6 Bài tập. Tìm giá trị nhỏ nhất và giá trị lớn nhất của hàm số f (x) = x6 + 4(1 − x2 )3 , với x ∈ [−1; 1]. Bạn đọc tự giải. 1.3.7 Bài tập. Tìm giá trị nhỏ nhất và giá trị lớn nhất của hàm số π π f (x) = sin 2x − x, với x ∈ [− ; ]. 2 2 Bạn đọc tự giải. 1.3.8 Bài tập. Tìm giá trị nhỏ nhất và giá trị lớn nhất của hàm số 2x + 3 . f (x) = √ x2 + 1 Bạn đọc tự giải. 1.3.9 Bài tập. Tìm giá trị nhỏ nhất và giá trị lớn nhất của hàm số f (x) = x( 1 − x2 + x). Bạn đọc tự giải. 7 www.VNMATH.com Giáo viên: Trần Đình Hiền - Trường THPT Đặng Thúc Hứa - Nghệ An CHƯƠNG 2 KỸ THUẬT GIẢM BIẾN TRONG BÀI TOÁN TÌM GIÁ TRỊ NHỎ NHẤT, GIÁ TRỊ LỚN NHẤT CỦA BIỂU THỨC Từ kết quả của Chương 1 chúng ta thấy rằng việc tìm giá trị nhỏ nhất, giá trị lớn nhất của hàm số khá đơn giản.Việc chuyển bài toán tìm giá trị nhỏ nhất, giá trị lớn nhất của một biểu thức không ít hơn hai biến sang bài toán tìm giá trị nhỏ nhất, giá trị lớn nhất của hàm số chứa một biến sẽ giúp chúng ta giải được bài toán tìm giá trị nhỏ nhất, giá trị lớn nhất của một biểu thức. 2.1. Bài toán tìm giá trị nhỏ nhất, giá trị lớn nhất của biểu thức bằng phương pháp thế Trong phần này chúng tôi trình bày một số dạng bài toán tìm giá trị nhỏ nhất, giá trị lớn nhất của biểu thức chứa hai biến bằng cách thế một biến qua biến còn lại. Từ đó xét hàm số và tìm giá trị nhỏ nhất, giá trị lớn nhất của hàm số. 2.1.1 Ví dụ. Cho x, y > 0 thoả mãn x + y = 5 . Tìm giá trị nhỏ nhất của biểu thức 4 P = Bài làm. Từ giả thiết x + y = số f (x) = 4 x + 1 5−4x , x 5 4 1 4 + . x 4y ta có y = 5 4 − x. Khi đó P = 4 ∈ (0; 5 ). Ta có f (x) = − x2 + 4 4 . (5−4x)2 (loại). Ta có bảng biến thiên x f (x) 0 1 0 − 5 4 + +∞ f (x) +∞ d d ‚ d 8      5   4 x + 1 5−4x . Xét hàm f (x) = 0 ⇔ x = 1 v x = 5 3 www.VNMATH.com Giáo viên: Trần Đình Hiền - Trường THPT Đặng Thúc Hứa - Nghệ An Từ bảng biến thiên ta có min5 f (x) = f (1) = 5. Do đó min P = 5 đạt được khi x∈(0; 4 ) x = 1, y = 1 4. Nhận xét. Bài toán này được giải bằng cách thế một biến qua một biến còn lại và xét hàm số chứa một biến. 2.1.2 Ví dụ. Cho x, y ∈ R thoả mãn y ≤ 0, x2 + x = y + 12. Tìm giá trị nhỏ nhất, giá trị lớn nhất của biểu thức P = xy + x + 2y + 17. Bài làm. Từ giả thiết y ≤ 0, x2 +x = y+12 ta có y = x2 +x−12 và x2 +x−12 ≤ 0 hay −4 ≤ x ≤ 3. Khi đó P = x3 +3x2 −9x−7. Xét hàm số f (x) = x3 +3x2 −9x−7, x ∈ [−4; 3]. Ta có f (x) = 3(x2 + 2x − 3), f (x) = 0 ⇔ x = −3 v x = 1. Ta có bảng biến thiên x −4 f (x) + f (x) −3 0 20        −13 1 − 0 3 + 20 d d ‚ d −12        Từ bảng biến thiên ta có min f (x) = f (1) = −12, max f (x) = f (−3) = f (3) = 20. x∈[−4;3] x∈[−4;3] Do đó min P = −12 đạt được khi x = 1, y = −10 và max P = 20 đạt được khi x = −3, y = −6 hoặc x = 3, y = 0. Nhận xét. Bài toán này được giải bằng cách thế một biến qua một biến còn lại nhưng phải đánh giá biến còn lại. Từ đó tìm giá trị nhỏ nhất, giá trị lớn nhất của hàm số chứa một biến bị chặn. 2.1.3 Ví dụ. Cho x, y > 0 thoả mãn x + y = 1. Tìm giá trị nhỏ nhất của biểu thức P =√ x y +√ . 1−y 1−x Bài làm. Từ giả thiết x, y > 0, x + y = 1 ta có y = 1 − x, 0 < x < 1. Khi đó ta có P = √x 1−x + 1−x √ . x Xét hàm số f (x) = 9 √x 1−x + 1−x √ , x f (x) = 2−x √ 2(1−x) 1−x − x+1 √ , 2x x www.VNMATH.com Giáo viên: Trần Đình Hiền - Trường THPT Đặng Thúc Hứa - Nghệ An 1 f (x) = 0 ⇔ x = 2 . Bảng biến thiên x f (x) 0 − 1 2 1 0 + +∞ f (x) +∞ d      d ‚ d √   2 1 Từ bảng biến thiên suy ra min P = min f (x) = f ( 2 ) = x∈(0;1) √ 2 đạt được khi x = y = 1 . 2 Nhận xét. Bài toán này được giải bằng cách thế một biến qua một biến còn lại và sử dụng các giả thiết để đánh giá biến còn lại. Từ đó tìm giá trị nhỏ nhất, giá trị lớn nhất của hàm số chứa một biến bị chặn. 2.1.4 Ví dụ. Cho x, y > 0 thoả mãn x + y ≥ 4. Tìm giá trị nhỏ nhất của biểu thức P = Bài làm. Ta có P = y y y 2 3x2 +4 4x +( y 2 + 4 + 4 )+ 2 Do đó min P = 9 2 ≥ 3x2 +4 4x + 2 y2 3x2 +4 4x +3 3 3x2 + 4 2 + y 3 + . 4x y2 + y . Áp dụng bất đẳng thức AM -GM ta có P = 2.y.y y y 2 .4.4 + 2 1 = 1 (x+y)+( x + x )+ 3 ≥ 2+2 2 4 2 x.1 3 4.x + 2 = 9. 2 đạt được khi x = y = 2. Nhận xét. Bài toán này được giải bằng cách đánh giá biểu thức P và cố gắng chuyển về một biến. 2.1.5 Bài tập. Cho x, y ∈ [−3; 2] thoả mãn x3 + y 3 = 2. Tìm giá trị nhỏ nhất, giá trị lớn nhất của biểu thức P = x2 + y 2 . Bạn đọc tự giải. 2.1.6 Bài tập. Cho x, y ≥ 0 thoả mãn x + y = 1. Tìm giá trị nhỏ nhất, giá trị lớn nhất của biểu thức P = x y+1 + y x+1 . Bạn đọc tự giải. 10 www.VNMATH.com Giáo viên: Trần Đình Hiền - Trường THPT Đặng Thúc Hứa - Nghệ An 2.1.7 Bài tập. Cho x, y > 0 thoả mãn x + y = 1. Tìm giá trị nhỏ nhất của biểu 1 thức P = x2 + y 2 + x2 + y12 . Bạn đọc tự giải. 2.1.8 Bài tập. Cho x + y = 1. Tìm giá trị nhỏ nhất của biểu thức P = x3 + y 3 + 3(x2 − y 2 ) + 3(x + y). Bạn đọc tự giải. 2.1.9 Bài tập. Cho a, b, x, y ∈ R thoả mãn 0 < a, b ≤ 4, a + b ≤ 7 và 2 ≤ x ≤ 3 ≤ y . Tìm giá trị nhỏ nhất của biểu thức P = 2x2 +y 2 +2x+y . xy(a2 +b2 ) Hướng dẫn. Tìm giá trị lớn nhất của Q = a2 + b2 , Xét hàm số g(y) = f (x, y) với ẩn y và x là tham số, tìm giá trị nhỏ nhất của g(y) là h(x). Sau đó tìm giá trị nhỏ nhất của hàm số h(x) với x ∈ [2; 3]. 2.1.10 Bài tập. Cho x, y ∈ R thoả mãn x3 ≤ y . Tìm giá trị nhỏ nhất của biểu thức P = x2 + y 2 − 8x + 16. Hướng dẫn. Nếu x > 0 thì x6 ≤ y 2 từ đó xét hàm số f (x) = x6 + x2 − 8x + 16. Nếu x ≤ 0 thì x2 + y 2 − 8x + 16 ≥ 16 với mọi x ≤ 0, x3 ≤ y . 2.1.11 Bài tập. Cho x, y ∈ (0; 1) thoả mãn x + y = 1. Tìm giá trị nhỏ nhất của biểu thức P = xx + y y . Hướng dẫn. Xét hàm số f (x) = xx , x ∈ (0; 1). Chứng minh Ta có P = xx + (1 − x)1−x = f (x) + f (1 − x) ≥ 2f ( 1 ) = 2 √ 2. f (x)+f (y) 2 ≥ f ( x+y ). 2 2.1.12 Bài tập. Cho x, y > 0 thoả mãn x + y = 2. Chứng minh rằng xy ≤ xx y y . Bạn đọc tự giải. 11 www.VNMATH.com Giáo viên: Trần Đình Hiền - Trường THPT Đặng Thúc Hứa - Nghệ An 2.2. Bài toán tìm giá trị nhỏ nhất, giá trị lớn nhất của biểu thức đối xứng Trong phần này chúng tôi trình bày một số dạng bài toán tìm giá trị nhỏ nhất, giá trị lớn nhất của biểu thức chứa hai biến mà giả thiết hoặc biểu thức đó thể hiện tính đối xứng. Từ đó xét hàm số và tìm giá trị nhỏ nhất, giá trị lớn nhất của hàm số. 2.2.1 Ví dụ. Cho x2 + y 2 = x + y . Tìm giá trị nhỏ nhất, giá trị lớn nhất của biểu thức P = x3 + y 3 + x2 y + xy 2 . Bài làm. Đặt t = x+y , từ giả thiết x2 +y 2 = x+y ta có 2xy = (x+y)2 −(x+y) = t2 −t hay xy = t2 −t 2 . Áp dụng bất đẳng thức (x + y)2 ≤ 2(x2 + y 2 ) = 2(x + y) hay t2 ≤ 2t suy ra 0 ≤ t ≤ 2. Khi đó biểu thức P = (x + y)3 − 2xy(x + y) = t2 . Do đó ta có max P = 4 đạt được khi t = 2 hay x + y = 2 và xy = 1 suy ra x = 1 và y = 1, ta có min P = 0 đạt được khi t = 0 hay x = 0 và y = 0. Nhận xét. Bài toán này giả thiết và biểu thức P được cho dưới dạng đối xứng với hai biến. Vì vậy, chúng ta nghĩ đến cách đổi biến t = x + y . Nhưng để giải bài toán trọn vẹn thì phải tìm điều kiện của biến t. Sau đây là một số bài toán với định hướng tương tự. 2.2.2 Ví dụ. Cho x, y > 0 thoả mãn x2 + xy + y 2 = 1. Tìm giá trị lớn nhất của biểu thức P = xy x+y+1 . Bài làm. Đặt t = x + y . Từ giả thiết x, y > 0 và x2 + xy + y 2 = 1 suy ra xy = t2 − 1. Áp dụng bất đẳng thức (x + y)2 ≥ 4xy suy ra 0 < t ≤ √ Vì vậy max P = 3−3 3 1 √ . 3 √ Khi đó P = t − 1 ≤ 3−3 3 . 2 1 1 2 đạt được khi (x; y) = ( √3 ; − √3 ) hoặc (x; y) = (− √3 ; √3 ). 2.2.3 Ví dụ. Cho x, y ∈ R thoả mãn x + y = −1 và x2 + y 2 + xy = x + y + 1. Tìm giá trị nhỏ nhất, giá trị lớn nhất của biểu thức P = 12 xy x+y+1 . www.VNMATH.com Giáo viên: Trần Đình Hiền - Trường THPT Đặng Thúc Hứa - Nghệ An Bài làm. Đặt t = x + y . Từ giả thiết x2 + y 2 + xy = x + y + 1 ta có (x + y)2 − xy = (x + y) + 1 hay xy = t2 − t − 1. Áp dụng bất đẳng thức (x + y)2 ≥ 4xy suy ra 2 3t2 − 4t − 4 ≤ 0 hay − 3 ≤ t ≤ 2. Khi đó P = f (t) = t2 +2t , (t+1)2 t2 −t−1 t+1 . Xét hàm số f (t) = t2 −t−1 t+1 , f (t) = 0 ⇔ t = 0 v t = −2(loại). Bảng biến thiên t −2 3 f (t) 0 0 − 2 + 1 3 1 3 f (t) d d ‚ d −1        Từ bảng biến thiên ta có min P = min f (t) = f (0) = −1 đạt được khi (x; y) = 2 t∈[− 3 ;2] (−1; 1) hoặc (x; y) = (1; −1) và max P = max f (t) = f (− 2 ) = f (2) = 3 t∈[− 2 ;2] 3 1 3 đạt được khi x = y = − 1 hoặc x = y = 1. 3 2.2.4 Ví dụ. Cho x, y ∈ R thoả mãn 0 < x, y ≤ 1 và x + y = 4xy . Tìm giá trị nhỏ nhất, giá trị lớn nhất của biểu thức P = x2 + y 2 − xy . Bài làm. Đặt t = x + y . Từ giả thiết 0 < x, y ≤ 1 và x + y = 4xy suy ra xy = t 4 và 3 3 1 ≤ t ≤ 2. Khi đó P = (x+y)2 −3xy = t2 − 4 t. Xét hàm số f (t) = t2 − 4 t, f (t) = 2t− 3 , 4 f (t) = 0 ⇔ t = 3 (loại). Bảng biến thiên 8 t 1 f (t) 2 + 5 2 f (t)      1 4   Từ bảng biến thiên ta có min P = min f (t) = f (1) = t∈[1;2] và max P = max f (t) = f (2) = t∈[1;2] √ √ 2+ 2 2− 2 ( 2 ; 2 ). 5 2 1 4 đạt được khi x = y = √ √ 1 2 đạt được khi (x; y) = ( 2−2 2 ; 2+2 2 ) hoặc (x; y) = 13 www.VNMATH.com Giáo viên: Trần Đình Hiền - Trường THPT Đặng Thúc Hứa - Nghệ An 2.2.5 Ví dụ. Cho x, y ∈ R thoả mãn x, y = 0 và xy(x + y) = x2 + y 2 − x − y + 2. Tìm 1 x giá trị lớn nhất của biểu thức P = 1 + y. Bài làm. Đặt t = x + y . Từ giả thiết xy(x + y) = x2 + y 2 − x − y + 2 hay xy(x + y) = (x + y)2 − 2xy − (x + y) + 2 suy ra xy = suy ra f (t) = t3 −2t2 +4t−8 t+2 t2 +2t t2 −t+2 , t2 −t+2 t+2 . Áp dụng bất đẳng thức (x + y)2 ≥ 4xy ≥ 0 hay t < −2 v t ≥ 2. Khi đó P = f (t) = −3t2 +4t+4 , (t2 −t+2)2 = t2 +2t t2 −t+2 . Xét hàm số f (t) = 0 ⇔ t = 2 v t = − 2 (loại). Bảng biến thiên 3 2 t −∞ −2 − 3 f (t) − 0 1 f (t) x+y xy 2 +0 2 d    d   ‚ 2  d − +∞ − d d ‚ d 7 Từ bảng biến thiên ta có max P = 1 max f (t) = f (2) = 2 đạt được khi x = y = 1. t<−2vt≥2 2.2.6 Ví dụ. Cho x, y > 0 thoả mãn xy + x + y = 3. Chứng minh rằng 3x 3y xy 3 + + ≤ x2 + y 2 + . y+1 x+1 x+y 2 Bài làm. Đặt t = x + y từ giả thiết x, y > 0, xy + x + y = 3, bất đẳng thức (x+y)2 ≥ 4xy ta có xy = 3−t, t > 0 và t2 +4t−12 ≥ 0 hay t ≥ 2 hoặc t ≤ −6(loại). Khi đó bất đẳng thức cần chứng minh trở thành hay 3t2 +9t−18 4 + 3−t t ≤ t2 + 2t − 9 2 3(x+y)2 −6xy+3(x+y) xy + x+y xy+(x+y)+1 ≤ (x+y)2 −2xy+ 3 2 ⇔ t3 − t2 + 4t − 12 ≥ 0 ⇔ (t − 2)(t2 + t + 6) ≥ 0 luôn đúng ∀t ≥ 2, dấu bằng xảy ra khi t = 2 hay x = y = 1. 2.2.7 Ví dụ. Cho x, y > 0 thoả mãn x2 + y 2 = 1. Tìm giá trị nhỏ nhất của biểu 1 1 thức P = (1 + x)(1 + y ) + (1 + y)(1 + x ). Bài làm. Đặt t = x + y . Từ giả thiết x, y > 0 và x2 + y 2 = 1 suy ra xy = và t > 1. Áp dụng bất đẳng thức (x + y)2 ≤ 2(x2 + y 2 ) suy ra 1 < t ≤ đó P = [1 + (x + y) + xy][ x+y ] = xy f (t) = 0 ⇔ t = 1 ± √ t2 +t t−1 . Xét hàm số f (t) = 2(loại). Bảng biến thiên 14 t2 +t t−1 , f (t) = t2 −1 2 √ 2. Khi t2 −2t−1 t−1 , www.VNMATH.com Giáo viên: Trần Đình Hiền - Trường THPT Đặng Thúc Hứa - Nghệ An t f (t) √ 2 1 || +∞ − f (t) d d ‚ d √ 4+3 2 √ √ min f (t) = f ( 2) = 4 + 3 2 đạt được khi √ Từ bảng biến thiên ta có min P = t∈(1; 2] x=y= 1 √ . 2 2.2.8 Ví dụ. Cho x, y > 0 thoả mãn x + y + 1 = 3xy . Tìm giá trị lớn nhất của biểu thức P = 3x y(x+1) + 3y x(y+1) − 1 x2 − 1 y2 . Bài làm. Đặt t = x + y . Từ giả thiết x + y + 1 = 3xy suy ra xy = t+1 3 . Áp dụng bất đẳng thức (x + y)2 ≥ 4xy ta có 3t2 − 4t − 4 ≥ 0 hay t ≥ 2 v t ≤ − 2 (loại). Ta có 3 P = 3xy(x+y)+3(x+y)2 −6xy xy[xy+(x+y)+1] f (t) = 3(5t+2) , 4(t+1)2 f (t) = − (x+y)2 −2xy x2 y 2 3(−5t+3) , 4(t+1)3 = 9(4t2 −t−2) 4(t+1)2 − 3(3t2 −2t−2) (t+1)2 = 3(5t+2) . 4(t+1)2 Xét hàm số f (t) = 0 ⇔ t = 3 (loại). Bảng biến thiên 5 t 2 f (t) 1 f (t) +∞ − d d ‚ d 0 Từ bảng biến thiên ta có max P = max f (t) = f (2) = 1 đạt được khi x = y = 1 t∈[2;+∞) 2.2.9 Ví dụ. Cho x, y không đồng thời bằng 0 thoả mãn x + y = 1. Tìm giá trị nhỏ nhất của biểu thức P = 1 x2 +y 2 + x2 y 2 +1 + y2 x2 +1 . Bài làm. Đặt t = x2 + y 2 , ta có (x + y)2 = 1 suy ra (x2 + y 2 ) + 2xy = 1 hay xy = 1 Áp dụng bất đảng thức (x + y)2 ≤ 2(x2 + y 2 ) suy ra t ≥ 2 . Khi đó P = 1 (x4 + y 4 ) + (x2 + y 2 ) 1 2t2 + 8t − 2 + 2 2 = + 2 . x2 + y 2 x y + (x2 + y 2 ) + 1 t t + 2t + 5 15 1−t 2 . www.VNMATH.com Giáo viên: Trần Đình Hiền - Trường THPT Đặng Thúc Hứa - Nghệ An Xét hàm số f (t) = 1 t + 2t2 +8t−2 t2 +2t+5 , f (t) = − t1 + 2 −4t2 +24t+44 , (t2 +2t+5)2 f (t) = 0 ⇔ (t − 1)(t + 1)2 (t − 5) = 0. Ta có bảng biến thiên t f (t) 1 2 1 0 − 5 +0 − 12 5 12 5 f (t) +∞ d    d   ‚   d d d ‚ d 2 Từ bảng biến thiên ta có max P = 2 max f (t) = f ( 1 ) = f (5) = 2 t∈[ 1 ;+∞] 2 1 (x; y) = ( 2 ; 1 ) hoặc (x; y) = (2; −1); (x; y) = (−1; 2) và min P = 2 12 5 đạt được khi min f (t) = f (1) = 2 t∈[ 1 ;+∞] 2 đạt được khi (x; y) = (1; 0); (x; y) = (0; 1). 2.2.10 Ví dụ. Cho x2 + y 2 = 1. Tìm giá trị nhỏ nhất, giá trị lớn nhất của biểu √ √ thức P = x 1 + y + y 1 + x. Bài làm.Đặt t = x + y , từ giả thiết x2 + y 2 = 1 hay xy = đẳng thức xy ≤ 2 (x+y) 4 √ ta có − 2 ≤ t ≤ √ (x+y)2 −1 2 = t2 −1 2 và bất 2. Khi đó ta có t3 − t (t2 − 1)|t + 1| √ + . 2 2 √ √ √ √ √ Nếu −1 ≤ t ≤ 2 thì P 2 = 1 [(1 + 2)t3 + 2t2 − (1 + 2)t + 2 − 2]. Xét hàm số 2 √ 3 √ 2 √ √ √ √ √ f (t) = 1 [(1 + 2)t + 2t − (1 + 2)t + 2 − 2], f (t) = 1 [3(1 + 2)t2 + 2 2t − 1 − 2], 2 2 √ √ f (t) = 0 ⇔ t = 2 − 1 v t = − 1+3 2 . Ta có bảng biến thiên √ √ √ t −1 − 1+3 2 2−1 2 f (t) + 0√ − 0 + √ 38−6 2 2+ 2 27 P 2 = (x + y)2 − 2xy + 2xy(x + y) + 2xy f (t)      1   1 + (x + y) + xy = 1 + d d ‚ d 16      0   www.VNMATH.com Giáo viên: Trần Đình Hiền - Trường THPT Đặng Thúc Hứa - Nghệ An √ Từ bảng biến thiên ta có f (t) ≤ 2 + 2 đẳng thức xảy ra khi t = √ √ 2 hay P 2 ≤ 2 + 2 √ √ 2 đạt được khi t = 2 hay x = y = 22 . √ √ √ √ √ Nếu − 2 ≤ t ≤ −1 thì P 2 = 1 [(1 − 2)t3 − 2t2 − (1 − 2)t + 2 + 2]. Xét hàm số 2 √ 3 √ 2 √ √ √ √ √ 1 1 g(t) = 2 [(1 − 2)t − 2t − (1 − 2)t + 2 + 2], g (t) = 2 [3(1 − 2)t2 − 2 2t − 1 + 2], √ √ g (t) = 0 ⇔ t = −( 2 + 1)(loại) v t = − 2−1 (loại). Ta có bảng biến thiên 3 √ t − 2 −1 g (t) + 1 suy ra max P = 2+ √ g(t)      2− √   2 Từ bảng biến thiên suy ra g(t) ≤ 1 đẳng thức xảy ra khi t = −1 hay P 2 ≤ 1 suy ra min P = −1 đạt được khi t = −1 hay x = −1, y = 0 hoặc x = 0, y = −1. Nhận xét. Bài toán này giả thiết và biểu thức P được cho dưới dạng đối xứng với hai biến nhưng biểu thức P chưa đưa được về dạng x + y, xy . Vì vậy để giải được bài toán này, chúng ta bình phương biểu thức P . Sau đây là một bài toán tương tự. 2.2.11 Ví dụ. Cho x2 + y 2 = 1. Tìm giá trị nhỏ nhất, giá trị lớn nhất của biểu thức P = √x 1+y + √y . 1+x Bài làm. Đặt t = x + y , từ giả thiết x2 + y 2 = 1 hay xy = đẳng thức xy ≤ (x+y)2 4 √ ta có − 2 ≤ t ≤ √ (x+y)2 −1 2 = t2 −1 2 và bất 2. Khi đó ta có (x + y)3 − 3xy(x + y) + (x + y)2 − 2xy P = + 1 + (x + y) + xy 2 2xy 1 + (x + y) + xy √ 2 −t3 + 3t + 2 2(t − 1) = 2 + với t = −1. t + 2t + 1 |t + 1| √ √ √ √ Nếu −1 < t ≤ 2 thì P 2 = ( 2 − 1)t + 2 − 2. Do đó P 2 ≤ 4 − 2 2 suy ra √ √ √ max P = 4 − 2 2 đạt được khi t = 2 hay x = y = 22 . 17 www.VNMATH.com Giáo viên: Trần Đình Hiền - Trường THPT Đặng Thúc Hứa - Nghệ An √ √ √ √ 2)t + 2 + 2. Do đó P 2 ≤ 4 + 2 2 suy ra √ √ √ 4 + 2 2 đạt được khi t = − 2 hay x = y = − 22 . Nếu − 2 ≤ t < −1 thì P 2 = −(1 + min P = − 2.2.12 Ví dụ. Cho x, y = 0 thay đổi thoả mãn (x + y)xy = x2 + y 2 − xy . Tìm giá trị lớn nhất của biểu thức P = 1 x3 + 1 y3 . 1 Bài làm. Đặt x = a , y = 1 . Khi đó, giả thiết (x + y)xy = x2 + y 2 − xy trở thành b a + b = a2 + b2 − ab hay (a + b) = (a + b)2 − 3ab và biểu thức P = a3 + b3 = (a + b)3 − 3ab(a + b) = (a + b)[(a + b)2 − 3ab] = (a + b)2 . Đặt t = a+b. Áp dụng bất đẳng thức ab ≤ ta cóab = t2 −t 3 ≤ t2 4 (a+b)2 4 , từ giả thiết (a+b) = (a+b)2 −3ab hay t2 − 4t ≤ 0 suy ra 0 ≤ t ≤ 4. Khi đó P = t2 ≤ 16. Vì vậy 1 max P = 16 đạt được khi t = 4 hay a = b = 2 hay x = y = 2 . 2.2.13 Ví dụ. Cho x, y ∈ R thoả mãn x2 + xy + y 2 ≤ 2. Tìm giá trị lớn nhất của biểu thức P = x2 − xy + y 2 . Bài làm. Đặt t = x + y . Từ giả thiết x2 + xy + y 2 ≤ 2 hay (x + y)2 − xy ≤ 2 ta có (x+y)2 4 xy ≥ t2 − 2. Áp dụng bất đẳng thức xy ≤ ta có t2 ≤ 8 3 hay − 8 3 ≤t≤ 8 3. Khi đó P = (x + y)2 − 3xy ≤ −2t2 + 6. Bảng biến thiên hàm số f (t) = −2t2 + 6 t 8 3 − f (t) + f (t)      2 3 8 3 0   − 0 6 d d ‚ 2 d 3 Từ bảng biến thiên ta có max√ f (t) = f (0) = 6 suy ra max P = 6 đạt được khi √3 3 ; ] 8 √ √ √8 √ (x; y) = (− 2; 2) hoặc (x; y) = ( 2; − 2). t∈[− Nhận xét. Bài toán này giả thiết là một bất đẳng thức đối xứng và biểu thức P được cho dưới dạng đối xứng với hai biến. Để giải được bài toán này, chúng ta 18 www.VNMATH.com Giáo viên: Trần Đình Hiền - Trường THPT Đặng Thúc Hứa - Nghệ An đánh giá biểu thức P , đổi biến t = x + y và tìm điều kiện của biến t. Sau đây là một số bài toán với định hướng tương tự. 2.2.14 Ví dụ. Cho x, y > 0 thoả mãn x + y ≤ 1. Tìm giá trị nhỏ nhất của biểu thức P = 3 x2 + y 2 + xy 1 1 + + + . x+y x y xy Bài làm. Đặt t = x + y . Từ giả thiết suy ra 0 < t ≤ 1. Áp dụng bất đẳng thức (x + y)2 ≥ 4xy suy ra xy ≤ f (t) = 3t 4 + 4(t+3) t2 , f (t) = 3 4 t2 4. − 4(t+6) t3 (x+y)2 −xy x+y Khi đó P = 3t3 −16t−96 , 4t3 = t f (t) 0 || +∞ f (t) + x+y+3 ≥ xy 3t 4 + 4(t+3) t2 . Xét hàm số với 0 < t ≤ 1 ta có bảng biến thiên 1 − d d ‚ 67 d 4 Từ bảng biến thiên ta có min f (t) = f (1) = t∈(0;1] 67 4 suy ra min P = 67 4 đạt được khi 1 x = y = 2. 2.2.15 Ví dụ. Cho x, y ∈ R thoả mãn 2(x2 + y 2 ) = xy + 1. Tìm giá trị nhỏ nhất, giá trị lớn nhất của biểu thức P = 7(x4 + y 4 ) + 4x2 y 2 . Bài làm. Đặt t = x2 + y 2 . Từ giả thiết 2(x2 + y 2 ) = xy + 1 ta có xy = 2t − 1 và áp dụng bất đẳng thức x2 + y 2 ≥ 2xy và bất đẳng thức x2 + y 2 ≥ −2xy ta có 2 5 2 ≤ t ≤ 3. Khi đó P = 7(x2 +y 2 )2 −10x2 y 2 = −33t2 +40t−10. Xét hàm số f (t) = −33t2 +40t−10, f (t) = −66t + 40, f (t) = 0 ⇔ t = t f (t) 20 33 . Ta có bảng biến thiên 2 5 20 33 + 0 − 2 3 609 160 f (t)      18 25   19 d d ‚ d 2 www.VNMATH.com Giáo viên: Trần Đình Hiền - Trường THPT Đặng Thúc Hứa - Nghệ An 2 Từ bảng biến thiên ta có min P = min2 f (t) = f ( 5 ) = 2 t∈[ 5 ; 3 ] 18 25 đạt được khi (x; y) = 1 1 1 1 20 (− √5 ; √5 ) hoặc (x; y) = ( √5 ; − √5 ) và max P = max f (t) = f ( 33 ) = √ √ √ √ 34+ 6 √ √ ; 34− 6 ) v (x; y) 33 33 √ √ √ √ 34− 6 − √ 34+ 6 − √ =( ; ). 33 33 (x; y) = ( v (x; y) 2 t∈[ 2 ; 3 ] 5 =( √ √ √ √ 34− 6 √ √ ; 34+ 6 ) 33 33 v (x; y) = 609 160 đạt được khi √ √ √ √ 34+ 34− ( − √33 6 ; − √33 6 ) Nhận xét. Bài toán này giả thiết và biểu thức P được cho dưới dạng đối xứng với hai biến. Để giải được bài toán này, chúng ta đổi biến t = x2 + y 2 để bậc của biểu thức càng nhỏ càng tốt. Sau đây là một bài toán tương tự. 2.2.16 Ví dụ. Cho x, y ∈ R thoả mãn x2 (2x2 − 1) + y 2 (2y 2 − 1) = 0. Tìm giá trị nhỏ nhất và giá trị lớn nhất của biểu thức P = x2 (x2 − 4) + y 2 (y 2 − 4) + 2(x2 y 2 − 4). Bài làm. Đặt t = x2 + y 2 . Từ giả thiết x2 (2x2 − 1) + y 2 (2y 2 − 1) = 0 hay 2(x2 + y 2 )2 − 4x2 y 2 − (x2 + y 2 ) = 0 ta có x2 y 2 = 2t2 −t 4 . Áp dụng bất đẳng thức x2 + y 2 ≥ 2xy suy ra 2t2 − t ≤ t2 hay 0 ≤ t ≤ 1. Khi đó P = (x2 + y 2 )2 − 4(x2 + y 2 ) − 8 = t2 − 4t − 8. Xét hàm số f (t) = t2 − 4t − 8, f (t) = 2t − 4, f (t) = 0 ⇔ t = 2(loại). Bảng biến thiên t 0 f (t) −8 f (t) 1 − d d ‚ d −11 Từ bảng biến thiên ta có max P = max f (t) = f (0) = −8 đạt được khi (x; y) = (0; 0) t∈[0;1] √ √ √ √ 6+ 2 ; 6− 2 ); 4 4 √ √ √ √ ( − 6− 2 ; − 6+ 2 ). 4 4 và min P = min f (t) = f (1) = −11 đạt được khi (x; y) = ( t∈[0;1] √ √ √ √ 6− 2 6+ 2 ( 4 ; 4 ); (x; y) √ = (− √ √ √ 6+ 2 − 6− 2 ; ) 4 4 hoặc (x; y) = (x; y) = 2.2.17 Ví dụ. Cho x, y thoả mãn (x2 + y 2 )2 − 3(x2 + y 2 ) + 2 = −x2 − 3x2 y 2 . Tìm giá trị nhỏ nhất, giá trị lớn nhất của biểu thức P = x2 + 2y 2 − 3x2 y 2 . Bài làm. Đặt t = x2 + y 2 . Từ giả thiết (x2 + y 2 )2 − 3(x2 + y 2 ) + 2 = −x2 − 3x2 y 2 ta có t2 − 3t + 2 ≤ 0 hay 1 ≤ t ≤ 2. Khi đó P = −(x2 + 3x2 y 2 ) + 2(x2 + y 2 ) = t2 − t + 2. 20