XUNG QUANH ĐẠI LƯỢNG A-B, B-C, C-A
Nhận xét chung: Khi đứng trước các bài toán bất đẳng thức ở dạng hoán vị hoặc đối xứng, một ý tưởng hiển nhiên là ta sẽ liên tưởng tới nhận xét: "Mọi đa thức đối xứng đều có thể biểu diễn dưới dạng đối xứng cơ sở". Cụ thể là với đa thức hoán vị vòng quanh f(a,b,c) thì ta có: f(a,b,c)=\dfrac{1}{2}\left[ f(a,b,c)+f(c,b,a)\right] +\dfrac{1}{2}\left[ f(a, b, c)-f(c, b, a)\right] Khi đó đại lượng f(a,b,c)-f(c,b,a) có thể phân tích thành các đại lượng theo a-b, b-c, c-a. Đồng thời, khi vai trò các biến như nhau, ta hoàn toàn có thể giả sử a=\min\{a,b,c\} hoặc a=\max\{a, b, c\} hoặc a\ge b\ge c. Từ đó tìm hướng tiếp cận cụ thể cho bài toán.
Bài toán 1:(Trần Nam Dũng, VMO 2008) Cho a, b, c là các số thực không âm đôi một phân biệt. Chứng minh rằng: \dfrac{1}{(b-c)^2}+\dfrac{1}{(c-a)^2}+\dfrac{1}{(a-b)^2}\ge\dfrac{4}{ab+bc+ca}
Lời giải: Không giảm tính tổng quát, ta có thể giả sử c=\min\{a,b,c\}. Ta nhận thấy: (a-c)^2+(b-c)^2=(a-b)^2+2(a-c)(b-c) Suy ra: \begin{aligned}\dfrac{1}{(b-c)^2}+\dfrac{1}{(c-a)^2}+\dfrac{1}{(a-b)^2}&=\dfrac{1}{(a-b)^2}+\dfrac{(a-c)^2+(b-c)^2}{(a-b)^2(b-c)^2}\\&=\dfrac{1}{(a-b)^2}+\dfrac{(a-b)^2}{(b-c)^2(a-c)^2}+\dfrac{2}{(a-c)(b-c)}\\&\ge\dfrac{2}{(a-c)(b-c)}+\dfrac{2}{(a-c)(b-c)}=\dfrac{4}{(a-c)(b-c)}\end{aligned} Mặt khác, do c=\min\{a, b, c\} nên: c(2a+2b-c)\ge 0\Rightarrow \dfrac{4}{(a-c)(b-c)}\ge\dfrac{4}{ab+bc+ca} Từ đó ta có đpcm.
Cách khác:
Không mất tính tổng quát, giả sử a>b>c\ge 0. Đặt x=a-b, y=b-c Khi đó, x, y>0 và: ab+bc+ca\ge ab=(c+y)(c+x+y)\ge y(x+y) Theo đó, ta lui về chứng minh một kết quả mạnh hơn: \begin{aligned} &\;\;\;\;\;\;\dfrac{1}{x^2}+\dfrac{1}{y^2}+\dfrac{1}{(x+y)^2}\ge\dfrac{4}{y(x+y)}\\&\Leftrightarrow y(x+y)\left[\dfrac{1}{x^2}+\dfrac{1}{y^2}+\dfrac{1}{(x+y)^2}\right]\ge 4\\&\Leftrightarrow \dfrac{y}{x}\left( 1+\dfrac{y}{x}\right)+\dfrac{x}{y}+\dfrac{y}{x+y}\ge 3\end{aligned} Đặt t=\dfrac{x}{y}, lúc này ta cần chứng minh: \dfrac{t+1}{t^2}+t+\dfrac{1}{t+1}\ge 3 Bất đẳng thức này tương đương với: \dfrac{(t^2-t-1)^2}{t^2(t+1)}\ge 0 Đây là một kết quả hiển nhiên. Bài toán được chứng minh
. Bài toán 2: Cho a, b, c là các số thực phân biệt. Chứng minh rằng: \left[(a-b)^4+(b-c)^4+(c-a)^4\right]\left[\dfrac{1}{(a-b)^4}+\dfrac{1}{(b-c)^4}+\dfrac{1}{(c-a)^4}\right]\ge\dfrac{297}{8}
Lời giải:
Không giảm tính tổng quát, ta có thể giả sử a\ge b\ge c. Đặt x=a-b, y=b-c. Khi đó ta có x, y\ge 0 và c-a=-x-y. Bất đẳng thức cần chứng minh tương đương với: \left[ x^4+y^4+(x+y)^4\right]\left[\dfrac{1}{x^4}+\dfrac{1}{y^4}+\dfrac{1}{(x+y)^4}\right]\ge\dfrac{297}{8} Tới đây, ta có đánh giá: x^4+y^4\ge\dfrac{(x+y)^4}{8} và \dfrac{1}{x^4}+\dfrac{1}{y^4}\ge\dfrac{32}{(x+y)^4} Suy ra: \left[ x^4+y^4+(x+y)^4\right]\left[\dfrac{1}{x^4}+\dfrac{1}{y^4}+\dfrac{1}{(x+y)^4}\right]\ge\left[\dfrac{(x+y)^4}{8}+(x+y)^4\right]\left[\dfrac{32}{(x+y)^4}+\dfrac{1}{(x+y)^4}\right]=\dfrac{297}{8} Phép chứng minh hoàn tất.
Bài toán 3: (Trần Quốc Anh) Cho a, b, c là các số thực không âm thỏa mãn a+b+c=3. Tìm giá trị lớn nhất của biểu thức: P=(a^3+b^3+c^3)(a^2-b^2)(b^2-c^2)(c^2-a^2)
Lời giải:
Do cần tìm giá trị lớn nhất của P nên ta chỉ cần xét trong trường hợp a\le b\le c là được. Áp dụng bất đẳng thức AM-GM, ta có đánh giá: \begin{aligned}(a+b+c)^3&=a^3+b^3+c^3+3(a+b)(b+c)(c+a)\\&\ge 2\sqrt{3(a^3+b^3+c^3)(a+b)(b+c)(c+a)}\end{aligned} Suy ra: (a^3+b^3+c^3)(a+b)(b+c)(c+a)\le\dfrac{243}{4} Do a\le b\le c nên (a-b)^2\le b^2, (c-a)^2\le c^2. Kéo theo: \begin{aligned}(a-b)^2(b-c)^2(c-a)^2&\le b^2c^2(b-c)^2=\dfrac{1}{4}.2bc.2bc.(b^2-2bc+c^2)\\&\le \dfrac{1}{4}\left(\dfrac{2bc+2bc+b^2-2bc+c^2}{3}\right)^3=\dfrac{(b+c)^6}{108}\le\dfrac{(a+b+c)^6}{108}=\dfrac{27}{4}\end{aligned} Suy ra: (a-b)(b-c)(c-a)\le \dfrac{3\sqrt{3}}{2} Từ đó, ta có ngay: P=(a^3+b^3+c^3)(a^2-b^2)(b^2-c^2)(c^2-a^2)\le\dfrac{729\sqrt{3}}{8} Dấu đẳng thức xảy ra khi và chỉ khi (a,b,c)=(0,3-\sqrt{3},3+\sqrt{3}) và các hoán vị tương ứng. Kết luận \max P=\dfrac{729\sqrt{3}}{8}.
Bài toán 4: (Phan Thành Nam) Cho a, b, c là các số thực không âm. Chứng minh rằng: (a^2+b^2+c^2)^2\ge 4(a+b+c)(a-b)(b-c)(c-a)
Lời giải:
Ta chỉ cần xét trong trường hợp a\le b\le c là đủ. Sử dụng bất đẳng thức AM-GM, ta có: \begin{aligned}4(a+b+c)(a-b)(b-c)(c-a)&=4(a+b+c)(b-a).(c-b)(c-a)\\&\le\left[(a+b+c)(b-a)+(c-b)(c-a)\right]^2\\&=\left[b^2+c^2+(b-2c)a-a^2\right]^2\\&\le (b^2+c^2)^2\le (a^2+b^2+c^2)^2\end{aligned} Phép chứng minh hoàn tất.
Bài toán 5: Cho a, b, c là các số thực thỏa a^2+b^2+c^2=1. Tìm giá trị lớn nhất và nhỏ nhất của: P=(a+b+c)(a-b)(b-c)(c-a)
Lời giải:
Xét P^2=(a+b+c)^2(a-b)^2(b-c)^2(c-a)^2 Đặt p=a+b+c, q=ab+bc+ca, r=abc. Khi đó ta có: (a-b)^2(b-c)^2(c-a)^2=-27r^2+2(9pq-2p^3)r+p^2q^2-4q^3 Suy ra: P^2=(1+2q)(-27r^2+2(9pq-2p^3)r+p^2q^2-4q^3) Xem P^2 như là một tam thức bậc hai ẩn r. Ta tính được: \Delta '=(1+2q)^2\left[(9pq-2p^3)^2+27(p^2q^2-4q^3)\right] Chú ý rằng p^2-2q=1 và sau một vài bước biến đổi cơ bản ta dễ dàng suy ra được: \Delta '=4(1+2q)^2(1-q)^3 Từ đó suy ra, P^2\le\dfrac{4(1+2q)^2(1-q)^3}{27} Thực hiện khảo sát hàm số f(q)=\dfrac{4(1+2q)^2(1-q)^3}{27} ta dễ dàng suy ra: f(q)=\dfrac{4(1+2q)^2(1-q)^3}{27}\le f\left(-\dfrac{1}{8}\right)=\dfrac{81}{512}. Từ đó suy ra: P^2\le\dfrac{81}{512} hay -\dfrac{9\sqrt{2}}{32}\le P\le \dfrac{9\sqrt{2}}{32} Từ đó suy ra:
+ \min P=-\dfrac{9\sqrt{2}}{32} đạt được khi và chỉ khi (a, b, c)=\left(\dfrac{3\sqrt{6}+2\sqrt{3}}{12}, \dfrac{\sqrt{3}}{6}, \dfrac{2\sqrt{3}-3\sqrt{6}}{12}\right) và các hoán vị tương ứng.
+ \max P=\dfrac{9\sqrt{2}}{32} đạt được khi và chỉ khi (a, b, c)=\left(\dfrac{2\sqrt{3}-3\sqrt{6}}{12}, \dfrac{\sqrt{3}}{6},\dfrac{3\sqrt{6}+2\sqrt{3}}{12}\right) và các hoán vị tương ứng.
Nếu ta gọi M là giá trị lớn nhất (hay nhỏ nhất) của P. Sau khi thuần nhất hóa, ta cần định giá trị M nhỏ nhất sao cho bất đẳng thức sau đúng: (a-b)^2(b-c)^2(c-a)^2(a+b+c)^2\ge M^2(a^2+b^2+c^2)^4 Dĩ nhiên là lúc này ta bỏ qua điều kiện a^2+b^2+c^2=1. Tiếp tục biến đổi ta thu được bài toán của kì thi IMO 2006:
Bài toán:(IMO 2006) Tìm số thực M nhỏ nhất sao cho với mọi a, b, c thực, ta có bất đẳng thức: |ab(a^2-b^2)+bc(b^2-c^2)+ca(c^2-a^2)|\le M(a^2+b^2+c^2)^2
Bài toán 6: Cho a, b, c là các số không âm có tổng bằng 1. Tìm giá trị lớn nhất của: P=(a-b)^3+(b-c)^3+(c-a)^3
Lời giải:
Ta chú ý thấy a-b+b-c+c-a=0 nên dễ dàng suy ra: (a-b)^3+(b-c)^3+(c-a)^3=3(a-b)(b-c)(c-a) Theo đó, ta cần tìm giá trị lớn nhất của Q=(a-b)(b-c)(c-a) Không mất tính tổng quát, giả sử a\le b\le c. Sử dụng bất đẳng thức AM-GM, ta có: \begin{aligned}Q&\le\dfrac{1}{2}\left[\dfrac{(\sqrt{3}+1)(b-a)+(\sqrt{3}-1)(c-a)+(c-b)}{3}\right]^3\\&=\dfrac{1}{2}\left(\dfrac{b+c-2a}{\sqrt{3}}\right)^3=\dfrac{1}{2}\left(\dfrac{1-3a}{\sqrt{3}}\right)^3\le\dfrac{1}{2.(\sqrt{3})^3}=\dfrac{\sqrt{3}}{18}\end{aligned} Suy ra: P=3Q\le\dfrac{\sqrt{3}}{6} Dấu đẳng thức xảy ra khi (a,b,c)=\left(0,\dfrac{3-\sqrt{3}}{6}, \dfrac{3+\sqrt{3}}{6}\right) và các hoán vị tương ứng. Kết luận: \max P=\dfrac{\sqrt{3}}{6}
Bài toán 7: Cho a, b, c là các số thực phân biệt có tổng bằng 1 và thỏa ab+bc+ca>0. Tìm giá trị nhỏ nhất của: P=\dfrac{2}{|a-b|}+\dfrac{2}{|b-c|}+\dfrac{2}{|c-a|}+\dfrac{5}{\sqrt{ab+bc+ca}}
Lời giải:
Không mất tính tổng quát, giả sử a<b<c. Khi đó, ta có: P=\dfrac{2}{b-a}+\dfrac{2}{c-b}+\dfrac{2}{c-a}+\dfrac{5}{\sqrt{ab+bc+ca}} Áp dụng bất đẳng thức Cauchy Schwarz, ta có: P\ge \dfrac{10}{c-a}+\dfrac{5}{\sqrt{ab+bc+ca}} Ngoài ra, theo AM-GM ta còn có: \begin{aligned} 3(ab+bc+ca)-1&=3(ab+bc+ca)-(a+b+c)^2\\&=ab+bc+ca-a^2-b^2-c^2\\&=-(c-a)^2+(c-b)(b-a)\\&\le -(c-a)^2+ \dfrac{(c-b+b-a)^2}{4} =-\dfrac{3(c-a)^2}{4}\end{aligned} Suy ra: ab+bc+ca\le \dfrac{4-3(c-a)^2}{12} Từ đó suy ra: P\ge \dfrac{10}{c-a}+\dfrac{10\sqrt{3}}{\sqrt{4-3(c-a)^2}} Đặt x=c-a, x>0 thế thì:P\ge \dfrac{10}{x}+\dfrac{10\sqrt{3}}{\sqrt{4-3x^2}} Tới đây, bằng việc khảo sát hàm số f(x)=\dfrac{10}{x}+\dfrac{10\sqrt{3}}{\sqrt{4-3x^2}} ta dễ dàng nhận thấy f(x)\ge 10\sqrt{6}. Cho nên ta có ngay: P\ge 10\sqrt{6} Dấu đẳng thức xảy ra khi: \begin{cases}a+b+c=1\\b-a=c-b\\c-a=\sqrt{\dfrac{2}{3}}\\ab+bc+ca>0\end{cases}\Leftrightarrow \begin{cases}a=\dfrac{1}{3}-\dfrac{1}{\sqrt{6}}\\\\b=\dfrac{1}{3}\\\\c=\dfrac{1}{3}+\dfrac{1}{\sqrt{6}}\end{cases}
Kết luận, \min P=10\sqrt{6} đạt được khi (a,b,c)=\left(\dfrac{1}{3}-\dfrac{1}{\sqrt{6}},\dfrac{1}{3},\dfrac{1}{3}+\dfrac{1}{\sqrt{6}}\right) và các hoán vị tương ứng.
Cuối cùng, kết thúc bài viết tôi xin đề nghị một số bài tập tự luyện:
1. (Trần Quốc Anh) Cho a, b, c là các số thực không âm. Chứng minh rằng: (a^2+b^2+c^2)^3\ge 27(a-b)^2(b-c)^2(c-a)^2
2. Cho a, b, c là các số thực dương. Chứng minh rằng: \sqrt[3]{(a+b)^2(b+c)^2(c+a)^2}\ge\sqrt[3]{(a-b)^2(b-c)^2(c-a)^2}+4\sqrt[3]{a^2b^2c^2}
3. (IMO 1983) Cho a, b, c là độ dài ba cạnh của một tam giác. Chứng minh rằng: a^2b(a-b)+b^2c(b-c)+c^2a(c-a)\ge 0
4.(Nguyễn Văn Thạch) Cho các số thực dương a, b, c đôi một phân biệt. Chứng minh rằng: \dfrac{1+a^2b^2}{(a-b)^2}+\dfrac{1+b^2c^2}{(b-c)^2}+\dfrac{1+c^2a^2}{(c-a)^2}\ge\dfrac{3}{2}
5. (Võ Quốc Bá Cẩn) Cho a, b, c là các số thực không âm có tổng bình phương bằng 1. Tìm giá trị lớn nhất của: P=(a-b)(b-c)(c-a)(a+b+c)
Tài liệu tham khảo:
\left[ 1\right]. Vẻ đẹp bất đẳng thức qua các kỳ thi Olympic - Trần Phương (chủ biên).
\left[ 2\right]. Bất đẳng thức hiện đại - Võ Quốc Bá Cẩn.
\left[ 3\right]. Một số tài liệu từ Internet.