Tài liệu Về bất đẳng thức xoay vòng và vận dụng

.. ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC --------------------------- BÙI THỊ NHẤT NINH VỀ BẤT ĐẲNG THỨC XOAY VÒNG VÀ VẬN DỤNG LUẬN VĂN THẠC SĨ TOÁN HỌC THÁI NGUYÊN - 2019 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC --------------------------- BÙI THỊ NHẤT NINH VỀ BẤT ĐẲNG THỨC XOAY VÒNG VÀ VẬN DỤNG Chuyên ngành: Phương pháp Toán sơ cấp Mã số: 8 46 01 13 LUẬN VĂN THẠC SĨ TOÁN HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS. Trần Xuân Quý THÁI NGUYÊN - 2019 Mục lục Bảng ký hiệu ii Mở đầu 1 Chương 1. Về bất đẳng thức xoay vòng 1.1 Một số kiến thức chuẩn bị . . . . . . . . . . 1.1.1 Bất đẳng thức AM–GM . . . . . . 1.1.2 Bất đẳng thức Hölder, Jensen . . . . 1.2 Về bất đẳng thức Schur . . . . . . . . . . . 1.2.1 Bất đẳng thức Schur rời rạc . . . . . 1.2.2 Bất đẳng thức Schur đối với hàm số . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Chương 2. Một số kết quả liên quan và vận dụng 2.1 Một số bất đẳng thức liên hệ giữa ba số dương . . . . . . . . . 2.2 Một số bất đẳng thức xoay vòng liên quan tới yếu tố lượng giác 2.2.1 Một số kết quả mở rộng . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.2 Một số bài toán bất đẳng thức vận dụng . . . . . . . . 2.3 Bất đẳng thức Shapiro và một số kết quả liên quan . . . . . . . 2.3.1 Một số bài toán bất đẳng thức của Diananda và Daykin 2.3.2 Một số bất đẳng thức xoay vòng liên quan . . . . . . . . . . . . . 3 3 3 4 5 5 10 . . . . . . . 15 15 23 28 34 37 39 40 Kết luận 47 Tài liệu tham khảo 48 ii Bảng ký hiệu N N0 R + R X cyc X x Tập hợp các số tự nhiên khác không Tập hợp các số tự nhiên 0, 1, 2, 3, 4, . . . Tập hợp các số thực Tập hợp các số thực dương := x + y + z yz :=xy + yz + zx cyc X (y − z)2 cyc X x2 (y + z) cyc X yz| sin nA|r := (x − y)2 + (y − z)2 + (z − x)2 := x2 (y + z) + y2 (z + x) + z2 (x + y) := yz| sin nA|r + zx| sin nB|r + xy| sin nC|r cyc a|b a là ước của b. A 2 Π sin nA 2n + 1 Π cos A 2 Π cos nA A Π cos x X 2 2n + 1 tan A 2 cyc X cotan nA cyc   Π 1 + k cos2 nA := cos x A2 cosy B2 cosz C2 Π cos x := sin nA sin nB sin nC 2n+1 2n+1 := cos 2n+1 2 A cos 2 B cos 2 C := Π cos nAΠ cos nBΠ cos nC := cos x A2 cosy B2 cosz C2 2n+1 2n+1 := tan 2n+1 2 A + tan 2 B + tan 2 C := cotan nA + cotan nB + cotan nC := (1 + k cos2 nA)(1 + k cos2 nB)(1 + k cos2 nC) 1 Mở đầu Trong tất cả các môn học, chúng ta đều biết rằng Toán học là bộ môn giúp chúng ta rèn luyện tư duy, logic và phát triển trí tuệ một cách toàn diện. Toán là quá trình tích lũy qua nhiều năm học tập, đặc biệt trong quá trình nghiên cứu khoa học những công thức, phương trình hay bất đẳng thức thật là mới mẻ và thú vị. Lớp bất đẳng thức là một dạng toán phổ biến trong chương trình phổ thông. Hàng năm, trong các kỳ thi chọn học sinh giỏi các cấp, thì đề tài về bất đẳng thức thường được chọn lựa. Và hiện nay, cũng đã có nhiều tài liệu tiếng việt về bất đẳng thức, tuy nhiên, những tài liệu khai thác về lịch sử của bất đẳng thức không nhiều, chủ yếu khai thác sâu về các chuyên đề cụ thể của từng bài toán bất đẳng thức. Với khuôn khổ luận văn thạc sĩ Toán học, chuyên ngành Phương pháp Toán sơ cấp, tôi chọn lựa đề tài về bất đẳng thức xoay vòng với đối tượng là các biểu thức nhiều biến đối xứng. Mặc dù các bài toán riêng lẻ về biều thức nhiều biến đối xứng đã được nhiều tác giả khai thác và cải tiến bất đẳng thức tương ứng. Vì nhiều lý do trên chúng tôi đã chọn đề tài luận văn là “Bất đẳng thức xoay vòng và vận dụng”. Luận văn xoay quanh chủ đề về bất đẳng thức xoay vòng, với các kết quả kinh điển như bất đẳng thức Schur, bất đẳng thức Shapiro,... Nội dung của luận văn không đi sâu vào tổng hợp các bài tập và lời giải về của lớp bất đẳng thức xoay vòng, mà đi sâu phân tích về lịch sử phát triển của dạng bất đẳng thức này. Kết quả chính của luận văn là trình bày lại nội dung của chương XVI (“Cyclic Inequalites”) tài liệu [13], các tài liệu trích dẫn tương ứng trong sách và tài liệu tham khảo cuối luận văn. Cụ thể luận văn đã trình bày những vấn đề sau: Chương 1. Trình bày các dạng của bất đẳng thức Schur, từ dạng rời rạc đến dạng liên tục (đối với lớp hàm dương lồi hoặc đơn điệu). 2 Chương 2. Trình bày được các một số dạng bất đẳng thức xoay vòng cơ bản, chẳng hạn như lớp bài toán cho ba số dương, các dạng bất đẳng thức xoay vòng có yếu tố lượng giác, dạng kiểu tam giác, bất đẳng thức Shapiro, một số mở rộng, và các bài toán vận dụng, tổng quát hóa một số bài toàn trong cuốn sách kinh điển về bất đẳng thức hình học “Geometric Inequalities” xem tài liệu [4]. Trong quá trình học tập và nghiên cứu tai trường Đại học Khoa học, Đại học Thái Nguyên, em luôn nhận được sự quan tâm và giúp đỡ của các thầy cô cũng như toàn thể anh chị em tập thể lớp Cao học Toán K11B. Bài luận văn này như một lời tri ân tới tất cả vì đã truyền thụ cho em nhiều kiến thức và tinh thần quý báu trong suốt thời gian em là học viên của trường. Đặc biệt em xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS. Trần Xuân Quý đã luôn quan tâm ân cần, chỉ bảo, khích lệ và góp ý sâu sắc cho em trong suốt quá trình học tập cũng như thực hiện đề tài. Em xin chân thành cảm ơn những người thân yêu đã giúp đỡ, đồng hành cùng em trên chặng đường vừa qua! Thái Nguyên, ngày 28 tháng 12 năm 2019 Học viên Bùi Thị Nhất Ninh 3 Chương 1 Về bất đẳng thức xoay vòng 1.1 Một số kiến thức chuẩn bị Trong mục này sẽ trình bày một số bất đẳng thức cơ bản nhất liên quan đến luận văn, một số hệ quả của các bất đẳng thức này mà có sử dụng sẽ không được trình bày, mà được chỉ ra như hệ quả hiển nhiên. Các hệ quả của các bất đẳng thức trình bày trong mục này và các bất đẳng thức liên quan có thể xem trong tài liệu [3] của GS. Nguyễn Văn Mậu. 1.1.1 Bất đẳng thức AM–GM Bất đẳng thức AM–GM hay còn được gọi là bất đẳng thức giữa trung bình cộng và trung bình nhân được viết tắt là AM-GM hoặc một số tài liệu viết là AG, có nội dung như sau: Định lý 1.1.1 (Bất đẳng thức AM-GM). Giả sử a1 , a2 , . . . , an là các số không âm. Khi đó a1 + a2 + · · · + an √n > a1 .a2 . . . an . n Dấu đẳng thức xảy ra khi và chỉ khi a1 = a2 = · · · an . Bất đẳng thức trên có thể viết lại, 1 1 1 1 1 1 a1 + a2 + · · · + an > a1n a2n · · · ann . n n n 4 Từ ý tưởng này, người ta đã chứng minh được kết quả tổng quát hơn là: Với αi là các số không âm, có tổng bằng 1, và ai là các số dương (i = 1, 2, . . . , n), thì ta có bất đẳng thức α1 a1 + α2 a2 + · · · αn an > aα1 1 .aα2 2 . . . . aαn n . Dấu đẳng thức xảy ra khi và chỉ khi a1 = a2 = · · · = an . Bất đẳng thức này được gọi là bất đẳng thức AM-GM suy rộng (hay còn được gọi là bất đẳng thức trung bình có trọng số hay bất đẳng thức trung bình lũy thừa có trọng số). 1.1.2 Bất đẳng thức Hölder, Jensen Trước tiên, về bất đẳng thức Hölder tồn tại ở nhiều phiên bản, tuy nhiên chúng tôi chỉ trình bày ở dạng đại số và giải tích cơ bản, mà chúng phù hợp với chương trình phổ thông. Kết quả dưới đây được gọi là bất đẳng thức Hölder. Định lý 1.1.2 (Bất đẳng thức Hölder). Cho a = (a1 , a2 , . . . , an ) và b = (b1 , b2 , . . . , bn ) 1 1 là hai bộ n số thực dương và p > 1, + = 1. Khi đó ta có bất đẳng thức sau p q n X i=1  n  q1 1  n X p  p X  ai bi 6  ai   bqi  . i=1 (1.1) i=1 Dấu bằng xảy ra khi và chỉ khi aip = kbqi với mọi i ∈ {1, 2, , . . . , n}. Bất đẳng thức (1.1) với p = q = 2 còn được gọi là bất đẳng thức CauchySchwartz hay còn được gọi là Buniacosky-Cauchy-Schwartz. Kết quả tiếp theo là bất đẳng thức Hölder ở dạng giải tích, chúng tôi chỉ trình bày kết quả mà không chứng minh. Định lý 1.1.3 (Bất đẳng thức Hölder dạng giải tích). Giả sử (p, q) là cặp số mũ 1 1 liên hợp, tức là thỏa mãn điều kiện p, q > 1 với + = 1, f và g là hai hàm số p q liên tục trên đoạn [a, b], khi đó b Z | f (x)| p dx | f (x)g(x)| dx 6 a ! 1p Z b Z a ! q1 b |g(x)|q dx a (1.2) 5 Dấu “=” xảy ra khi và chỉ khi tồn tại hai số thực A và B không đồng thời bằng không sao cho A | f (x)| p = B |g(x)|q ∀x ∈ [a, b]. Tiếp theo là bất đẳng thức Jensen: Hàm số lồi hay gọi tắt hàm lồi là một khái niệm quan trọng trong toán học. Các kết quả về bất đẳng thức đối với lớp hàm lồi rất đa dạng trong giải tích toán học, để liên hệ tới nội dung của luận văn, chúng tồi trình bày một kết quả kinh điển của lớp bất đẳng thức này, đó là bất đẳng thức Jensen. Định lý 1.1.4 (Bất đẳng thức Jensen). Giả sử hàm số f : (a, b) → R lồi trên khoảng (a, b). Khi đó với mọi x1 , . . . , xn ∈ (a, b) ta có bất đẳng thức sau f( f (x1 ) + · · · + f (xn ) x1 + · · · + xn )6 . n n Dấu bằng xảy ra khi và chỉ khi x1 = x2 = · · · = xn . 1.2 Về bất đẳng thức Schur Các kết quả về bất đẳng thức Schur được nghiên cứu và sử dụng trong nhiều khía cạnh của Toán học. Trong khuôn khổ luận văn Thạc sĩ Toán học, chuyên ngành phương pháp Toán sơ cấp, tôi chỉ trình bày hai trường hợp riêng của bất đẳng thức này mà đối tượng giáo viên và học sinh phổ thông có thể vận dụng được. 1.2.1 Bất đẳng thức Schur rời rạc Trường hợp đầu tiên mà J. Wolstenholme trích dẫn trong cuốn sách “A Book of Mathemtical problems (1867)” là bài toán sau: Nếu a, b, c là các số dương đôi một khác nhau thì ta có bất đẳng thức, a(a − b)(a − c) + b(b − c)(b − a) + c(c − a)(c − b) > 0 và a3 (a − b)(a − c) + b3 (b − c)(b − a) + c3 (c − a)(c − b) > 0. 6 Định lý 1.2.1 (Bất đẳng thức Schur). Nếu x, y, z là các số dương và λ là số thực tùy ý, thì ta có bất đẳng thức sau xλ (x − y)(x − z) + yλ (y − z)(y − x) + zλ (z − x)(z − y) > 0. (1.3) Dấu đẳng thức xảy ra khi x = y = z. Chứng minh. Đặt Γ = xλ (x − y)(x − z) + yλ (y − z)(y − x) + zλ (z − x)(z − y). Nếu hai trong ba số x, y, z bằng nhau thì hiển nhiên bất đẳng thức đúng. Thật vậy, chẳng hạn y = z, Γ = xλ (x − y)2 . Không giảm tính tổng quát, giả sử rằng x > y > z. Vì λ là số thực tùy ý, nên ta xét hai trường hợp; λ > 0 và λ < 0: n o Nếu λ > 0 thì Γ = (x − y) xλ (x − z) − yλ (y − z) + zλ (x − z)(y − z)   > (x − y) xλ − yλ (y − z) + zλ (x − z)(y − z) > 0. λ n o λ λ Nếu λ < 0 thì Γ = x (x − y)(x − z) + (y − z) −y (x − y) + z (x − z)   > xλ (x − y)(x − z) + (y − z) −yλ + zλ (x − z) > 0. Vậy bất đẳng thức (1.3) được chứng minh.  Bất đẳng thức (1.3) được gọi là bất đẳng thức Schur. Đã có nhiều mở rộng của bất đẳng thức Schur. Kết quả dưới đây được xem là một mở rộng sơ cấp nhất của loại bất đẳng thức này của U. C. Guha (1962) như sau. Định lý 1.2.2. Nếu a, b, c, u, v, w là các số thực dương và thỏa mãn các bất đẳng thức sau 1 1 1 ap + cp 6 bp, 1 1 (1.4) 1 u p+1 + w p+1 > v p+1 , (1.5) ubc − vca + wab > 0. (1.6) khi đó, nếu p > 0, thì Nếu −1 < p < 0 thì các bất đẳng thức trong (1.5) và (1.6) đổi chiều; nếu p < −1 thì các bất đẳng thức (1.4) và (1.5) đổi chiều. Trong mỗi trường hợp, 7 dấu đẳng thức trong bất đẳng thức (1.6) xảy ra khi và chỉ khi dấu bằng xảy ra trong các bất đẳng thức (1.4) và (1.5) và a p+1 b p+1 c p+1 = p = p . up v w Chứng minh. Nếu p > 0, thì theo bất đẳng thức Hölder ta có h 1  1 1 1 1 i p+1 1 p p+1 p+1 p+1 p+1 p a (uc) + c (wa) 6 (uc + wa) a + c p , tức là ac(u 1 p+1 +w 1 p+1 ) p+1  1 1 p p 6 (uc + wa) a + c p , bất đẳng thức (1.6) suy ra từ bất đẳng thức (1.4) và (1.5). Các trường hợp khác chứng minh tương tự.  Trong Định lý 1.2.2 đặt p = 1, a = y − z, b = x − z, c = x − y, u = xλ , v = yλ , w = zλ . Như trong chứng minh Định lý 1.2.1 ta có thể giả thiết 0 < z < y < x. Khi đó bất đẳng thức (1.6) chính là bất đẳng thức (1.3). Điều kiện (1.4) xảy ra dấu bằng và bất đẳng thức (1.5) đúng bởi vì uλ/2 > vλ/2 hoặc wλ/2 > vλ/2 theo như λ > 0 hoặc λ < 0. K. S. Amur đã có kết quả mở rộng kiểu bất đẳng thức Schur, kết quả cho năm biến công bố (1961)1 . Kết quả tiếp theo dưới đây được A. Oppenheim và Roy 0. Davis2 công bố năm 1964 mở rộng cho n biến. Định lý 1.2.3. Giả sử al , . . . , an là n số thực cho trước và x1 , . . . , xn là n số thực tùy ý thỏa mãn x1 > · · · > xn (1.7) (với số tự nhiên n > 3). Điều kiện cần và đủ để X = n X ai (xi − x1 ) . . . (xi − xi−1 ) (xi − xi+1 ) . . . (xi − xn ) > 0 i=1 là 1 2 K. S. Amur (1961), “An inequalities of Schur’s type for five variables” A. Oppenheim và Roy 0. Davis (1964), “Inequalities of Schur’s type” (1.8) 8 (i). Với n = 3 có a1 > 0,   1/2 2 , + a a2 ≤ a1/2 3 1 a3 > 0. (1.9) (ii). Với n > 4 có a2 6 a1 , (−1)n (an−1 − an ) > 0, (−1)k+1 ak > 0, (1.10) trong đó 1 6 k 6 n, k , 2, n − 1. (Đặc biệt, với n = 5, a1 = · · · = a5 = 1, và x4 = x5 = 0, thì bất đẳng thức (1.8) là bất đẳng thức Schur với λ = 2.) Chứng minh. (i). Với n = 3. Điều kiện đủ. Giả sử có điều kiện (1.9), ta cần chứng minh bất đẳng thức (1.8). Thật vậy, với n = 3 thì về phải của (1.8) được viết lại như sau X = a1 (x1 − x2 )(x1 − x3 ) + a2 (x2 − x1 )(x2 − x3 ) + a3 (x3 − x1 )(x3 − x2 ) i2 h 1/2 ) (x − x = a1 (x1 − x2 ) − a1/2 2 3 3    2 + a11/2 + a1/2 − a2 (x1 − x2 ) (x2 − x3 ) . 3 Rõ ràng, đẳng thức này chỉ ra bằng của (1.8). P (1.11) > 0 và cũng chỉ ra điều kiện xảy ra dấu Điều kiện cần. Giả sử có bất đẳng thức (1.8), ta cần chứng minh (1.9). Nghĩa là a1 (x1 − x2 )(x1 − x3 ) + a2 (x2 − x1 )(x2 − x3 ) + a3 (x3 − x1 )(x3 − x2 ) > 0 với mọi số thực x1 , x2 , x3 thỏa mãn x1 > x2 > x3 . Như vậy nếu ta chọn x2 = x3 < x1 hoặc x1 = x2 > x3 thì suy ra a1 > 0 và a3 > 0. Như vậy, ta có thể biểu diễn vế trái của bất đẳng thức (1.8) như (1.11). Vậy nếu ta chọn 1/2 (x1 − x2 ) : (x2 − x3 ) = a1/2 3 : a1 thì thu được ràng buộc   1/2 2 a2 6 a1/2 + a . 1 3 (ii). Với n > 4. Viết lại điều kiện (1.10) như sau 9 10 . n = 4 : a1 > 0, a2 6 a1 , a3 > a4 , a4 6 0. 20 . n = 5 : a1 > 0, a2 6 a1 , a3 > 0, a4 6 a5 , a5 > 0. 30 . n = 6 : a1 > 0, a2 6 a1 , a3 > 0, a4 6 0, a5 > a6 , a6 6 0. 40 . n > 7 : a1 > 0, a2 6 a1 , a3 > 0, a4 6 0, ...     an−2 > 0, an−1 6 an , an > 0 nếu n lẻ, ···   an−2 6 0, an−1 > an , an 6 0 nếu n chẵn. Điều kiện đủ. Giả sử các điều kiện (1.10) được thỏa mãn. Khi đó hai số P hạng đầu tiên trong tổng có dạng a1 (x1 − x2 ) · · · (x1 − xn ) + a2 (x2 − x1 ) · · · (x2 − xn ) = ( x1 − x2 ) [a1 (x1 − x3 ) · · · (x1 − xn ) − a2 (x2 − x3 ) · · · (x2 − xn )] , là không âm nếu a1 > 0 > a2 , hoặc a1 > a2 > 0 và vì theo giả thiết x1 − x3 > x2 − x3 > 0, · · · , x1 − xn > x2 − xn > 0. Áp dụng một cách tương P P tự cho hai số hạng tiếp theo của . Đối với mỗi số hạng khác trong hiển nhiên không âm nếu điều kiện (1.10) thỏa mãn, vì (với xr − xr bị triệt tiêu) (xr − x1 ) · · · (xr − xn ) > 0 nếu r là số lẻ, và 6 0 nếu r là số chẵn, nghĩa là, nó có dấu với ar . Điều kiện cần. Giả sử có bất đẳng thức (1.8), khi đó nếu ta chọn x1 > x2 > x3 = · · · = xn , chia cho x1 − x2 ta thu được a1 (x1 − x3 ) · · · (x1 − xn ) − a2 (x2 − x3 ) · · · (x2 − xn ) > 0. Trong bất đẳng thức này, ta chọn x1 > x2 = x3 thì ta suy ra a1 > 0, và chọn x1 = x2 > x3 thì ta thu được điều kiện a1 > a2 . Tương tự như vậy đối với an−1 và an ; và điều kiện đối với ar với 3 6 r 6 n − 2 thu được bằng cách chọn x1 = · · · = xr−1 > xr > xr+1 = · · · = xn .  Năm 1964 A. Oppenheim và Roy O. Davies3 đã đưa ra bài toán sau 3 A. Oppenheim và Roy O. Davies (1964), “Inequalities of Schur’s Type” 10 Định lý 1.2.4. Giả sử al , . . . , an là n số thực cho trước và x1 , . . . , xn là n số thực tùy ý (với số tự nhiên n > 3). Điều kiện cần và đủ để X = n X ai (xi − x1 ) . . . (xi − xi−1 ) (xi − xi+1 ) . . . (xi − xn ) > 0 (1.12) i=1 với mọi x1 , . . . , xn là • với n = 3: 1/2 0 6 ai 6 a1/2 j + ak với mọi hoán vị ba số i jk của 123, • với n = 4 và n > 6: a1 = · · · = an = 0, • với n = 5: a1 = · · · = a5 > 0. Năm 1988 P. Ivády4 đã chứng minh bất đẳng thức Schur (1.3) bằng định lý giá trị trung bình. 1.2.2 Bất đẳng thức Schur đối với hàm số A. W. Walker5 đã xét trường hợp λ = 2m thì trong bất đẳng thức Schur sẽ đúng với mọi số thực x, y, z, nghĩa là x2m (x − y)(x − z) + y2m (y − z)(y − x) + z2m (z − x)(z − y) > 0, (1.13) với mọi số thực x, y, z. Kết quả dưới đây là phiên bản của bất đẳng thức Schur đối với hàm số, kết quả này được E. M. Wright đưa ra năm 1956. Định lý 1.2.5. Xét I là mọt khoảng trong R và hàm số f : I −→ R+ hoặc lồi hoặc đơn điệu. Nếu x, y, z ∈ I, thì g = f (x) (x − y) (x − z) + f (y) (y − x) (y − z)+ + f (z) (z − x) (z − y) > 0 dấu bằng xảy ra khi và chỉ khi x = y = z. 4 5 P. Ivády (1988),“An application of the mean value theorem”, Math. Gazette, 67, pp. 126-127. Klamkin M. S.(1971), “Duality in triangle inequalities”. (1.14) 11 Chứng minh. Nếu x = y , z thì g = f (z)(z − x)2 > 0. Vì vậy, không mất tính tổng quát ta giả sử x < y < z. Dó đó, theo giả thiết ta có 0 < f (y) 6 max{ f (x), f (z)}. Hơn nữa, theo giả thiết ta lại có 0 < (z − y)(y − x) < (z − x)(y − x) = (x − y)(x − z) và 0 < (z − y)(y − x) < (z − y)(z − x). Vì vậy, f (y)(z − y)(y − x) < f (x)(x − y)(x − z) + f (z)(z − y)(z − x) và g > 0.  Năm 1985 E. K. Godunova và V. A. Levin đã đưa ra lớp hàm sau: Định nghĩa 1.2.6. Hàm số f xác định trên I, được gọi là thuộc vào lớp Q nếu f là hàm không âm và thỏa mãn bất đẳng thức sau f (λx + (1 − λ)y) 6 f (y) f (x) + λ 1−λ (1.15) với mọi x, y ∈ I và λ ∈ (0, 1). Nhận xét: Lớp các hàm lồi, không âm và hàm đơn điệu không âm thuộc vào lớp Q. Một trong các kết quả đó là nếu x, y, z ∈ I và hàm f ∈ Q, thì bất đẳng thức (1.14) đúng. Thật vậy, không giảm tính tổng quát, giả sử x < y < z, khi đó ta có f (y) = f ( z−y y−x z−x z−x x+ z) 6 f (x) + f (z) , z−x z−x z−y y−x (1.16) hay f (x) f (y) f (z) + + > 0. z−y x−z y−x (1.17) Trong bất đẳng thức (1.14) nếu ta chọn f (x) = xt , t ∈ R thì ta thu được bất đẳng thức Schur. Ta có khẳng định sau chỉ ra điều kiện để một hàm thuộc vào lớp Q. 12 Định lý 1.2.7. Xét hàm f (x) > 0 và x là điểm trong của khoảng I, với p(x) = inf f (t) và q(t) = inf f (t). Nếu với mọi x có bất đẳng thức sau t6x t>x f (x)1/2 6 p(x)1/2 + q(x)1/2 , thì hàm f (x) ∈ Q. Năm 1990, D. S. Mitrinović và J. E. Pečarić6 chỉ ra các bất đẳng thức (1.14)(1.17) là tương đương và chứng minh được kết quả sau tương tự kết quả bất đẳng thức Jensen với hàm lồi. Định lý 1.2.8. Nếu hàm f ∈ Q, x = (x1 , . . . , xn ) ∈ I n , n > 2, w = (w1 , . . . , wn ) với wi > 0, thì ta có bất đẳng thức   n n n X X   1 X (x ) f i f  , với Wn = wi xi  6 Wn wi . (1.18) Wn wi i=1 i=1 i=1 Chứng minh. Chứng minh bất đẳng thức (1.18) bằng quy nạp. Với n = 2 thì theo (1.15) ta có điều phải chứng minh. Giả sử bất đẳng thức (1.18) đúng với mọi k, 2 6 k 6 n − 1. Khi đó, ta có     n−1 n X     1 X W 1 w   n−1 n    wi xi  = f  xn + · wi xi  f    Wn Wn Wn−1 Wn i=1 i=1     n−1 X      1  1   1    f  wi xi  + f (xn ) 6 Wn    Wn−1  Wn−1  wn i=1   n−1  X f (xi ) f (xn )     + 6 Wn   wi wn  i=1 = Wn n X f (x ) i i=1 wi . Ta có điều phải chứng minh. 6 D. S. Mitrinović và J. E. Pečarić (1990), “Note on a class of functions of Godunova and Levin”.  13 Trong bài báo năm 1990 này, Mitrinović và Pečarić cũng chứng minh một bất đẳng thức ngược lại, liên quan tới bất đẳng thức (1.18): Định lý 1.2.9. Xét w = (w1 , . . . , wn ) ∈ Rn thõa mãn điều kiện w1 > 0, wi < 0 (i = 2, . . . , n), Wn = n X wi > 0. (1.19) i=1 1 Nếu f ∈ Q, x ∈ I n , n > 2, Wn Xn wi xi ∈ I, thì i=1   n X n  1 X  f (xi ) f  . wi xi  > Wn Wn i=1 wi (1.20) i=1 Tiếp theo, xét J là tập hữu hạn khác rỗng các số nguyên dương. Nếu ta đặt hàm tập F xác định như sau   X X    f (xi ) 1  1 f  wi xi  − (1.21) F(J) = WJ WJ wi i∈J i∈J và nếu WJ = X wi , i∈J 1 A J (x; w) = WJ X wi x i , i∈J thì thu được kết quả sau: Định lý 1.2.10. Xét hàm f ∈ Q. Giả sử J và K là các tập hợp khác rỗng, hữu hạn các số nguyên dương thỏa mãn J ∩ K , ∅, w = (wi )i∈J∪K , và xét dãy x = (xi )i∈J∪K các số thực sao cho wi , 0, xi ∈ I (i ∈ J ∪ K), W J∪K > 0, AS (x; w) ∈ I (S = J, K, J ∪ K). Khi đó (a) Nếu W J > 0 và WK > 0, thì F(J ∪ K) 6 F(J) + F(K). (b) Nếu W J WK < 0, thì ta có bất đẳng thức ngược lại, tức là F(J ∪ K) > F(J) + F(K). (1.22) 14 Hệ quả 1.2.11. (a) Nếu wi > 0 (i = 1, . . . , n), Ik = {1, . . . , k}, thì (1.23) F (In ) 6 F (In−1 ) 6 · · · 6 F (I2 ) 6 0 và pi xi + p j x j F (In ) 6 min pi + p j f 16i< j6n p + pj   i −1 −p−1 i f (xi ) − p j f x j .  −1 ! (1.24) (b) Nếu An (x; w) ∈ I và hàm F(J) xác định như trong (1.21), thì bất đẳng thức ngược của (1.23) là đúng, và có ! p1 x1 + pi xi −1 F (In ) > max (p1 + pi ) f 26i6n p1 + pi (1.25)  −1 −1 −p1 f (x1 ) − pi f (xi ) . Định lý 1.2.12. Nếu f ∈ Q, [m, M] ⊂ I, xi ∈ [m, M], và w = (wi , . . . , wn ) với wi là các số dương, thì n X f (x ) i i=1 wi n X 6 f (m) i=1 M−m + f (M) wi (M − xi ) n X Nếu chọn wi = 1, i = 1, . . . , n; m = 0, M = i=1 M−m . wi (xi − m) Xn i=1 (1.26) xi ∈ I, xi > 0, i = 1, . . . , n, thay vào bất đẳng thức (1.26), thì với f (0) = 0, ta thu được bất đẳng thức X  X  X  n X   n   n 1   n  . f (xi ) 6 f  xi   xi   xi  i=1 i=1 i=1 i=1 15 Chương 2 Một số kết quả liên quan và vận dụng 2.1 Một số bất đẳng thức liên hệ giữa ba số dương Giả sử x, y, z là các số dương. Khi đó, các hàm số sau là đối xứng X X T1 = x = x + y + z, T 2 = yz = xy + yz + zx, T 3 = xyz, cyc cyc có đặc trưng xoay vòng. Do đó các bất đẳng thức liên quan tới các hàm này là xoay vòng. Dưới đây, sẽ trình bày một số kết quả cơ bản về bất đẳng thức xoay vòng. Ta đã biết, phương pháp cơ bản nhất để thu được các bất đẳng thức là sử dụng các đẳng thức. Các kết quả dưới đây được đưa ra bởi M. S. Klamkin (1971). Bất đẳng thức T 12 − 3T 2 > 0 là hệ quả đơn giản của đẳng thức sau X   (y − z)2 = 2 T 12 − 3T 2 . (2.1) (2.2) cyc Bất đẳng thức T 13 − 27T 3 > 0 (2.3) 16 suy ra từ đẳng thức sau T 13 X − 27T 3 = ( x)3 − 27xyz (> 0). (2.4) cyc (Bất đẳng thức (2.3) là hệ quả của bất đẳng thức AG.) Bất đẳng thức (2.5) T 1 T 2 − 9T 3 > 0 được suy ra từ đẳng thức sau T 1 T 2 − 9T 3 = X x2 (y + z) − 6xyz (> 0). (2.6) cyc Áp dụng bất đẳng thức Schur (1.3) với λ = 1 và đẳng thức X x(x − y)(x − z) = T 13 + 9T 3 − 4T 1 T 2 (2.7) cyc ta thu được T 13 + 9T 3 − 4T 1 T 2 > 0. (2.8) T 22 − 3T 1 T 3 > 0 (2.9) Và bất đẳng thức được suy ra từ đẳng thức X x2 (y − z)2 = 2(T 22 − 3T 1 T 3 ). (2.10) cyc Klamkin1 đã chỉ ra, bằng phép biến đổi cơ bản từ một bất đẳng thức nào đó ta có thể thu được bất đẳng thức mới, nghĩa là nếu F(x, y, z) > 0 với mọi x, y, z không âm thì F(x0 , y0 , z0 ) > 0 trong đó x0 = F1 (x, y, z), y0 = F2 (x, y, z), z0 = F3 (x, y, z) (2.11) và F1 , F2 , F3 > 0. Cho F1 = 1/x, F2 = 1/y, F3 = 1/z: T 10 = T 2 /T 3 , 1 T 20 = T 1 /T 3 , Klamkin M. S. Duality in triangle inequalities (1971). T 30 = 1/T 3 . (2.12)