Cho `a,b` là `2` số thực dương
`b)` Cho `a+b=ab` thoả mãn `a^2+3a-b>=0` và `b^2+…
\(b)\) Cho \(a+b=ab\) thoả mãn \(a^2+3a-b>=0\) và \(b^2+3b-a>=0\)
Tìm giá trị nhỏ nhất của biểu thức \(P=1/(a^2+3a-b)+1/(b^2+3b-a)+\)\(\sqrt[]{(1+a^2)(1+b^2)}\)
Đề bài: Cho \(a,b\) là \(2\) số thực dương. Cho \(a+b=ab\) thoả mãn \(a^2+3a-b \ge 0\) và \(b^2+3b-a \ge 0\).
Tìm giá trị nhỏ nhất của biểu thức \(P=1/(a^2+3a-b)+1/(b^2+3b-a)+\)\(\sqrt[]{(1+a^2)(1+b^2)}\).
Bài giải:
Bước 1: Phân tích điều kiện \(a+b=ab\)
Từ điều kiện đã cho là \(a+b=ab\). Vì \(a, b\) là các số thực dương, nên \(ab \ne 0\). Ta chia cả hai vế của đẳng thức cho \(ab\):
\(\frac{a}{ab} + \frac{b}{ab} = \frac{ab}{ab}\)
\(\Leftrightarrow \frac{1}{b} + \frac{1}{a} = 1\).
Từ đây, ta có thể suy ra một số tính chất quan trọng của \(a\) và \(b\):
Thứ nhất, vì \(1/a\) và \(1/b\) là các số dương, và tổng của chúng bằng 1, nên \(1/a < 1\) và \(1/b < 1\). Điều này kéo theo \(a > 1\) và \(b > 1\).
Thứ hai, áp dụng bất đẳng thức AM-GM (Trung bình cộng – Trung bình nhân) cho hai số dương \(1/a\) và \(1/b\):
\(1 = \frac{1}{a} + \frac{1}{b} \ge 2\sqrt{\frac{1}{ab}}\)
Bình phương hai vế (vì cả hai vế đều dương):
\(1 \ge \frac{4}{ab}\)
\(\Rightarrow ab \ge 4\).
Dấu “=” của bất đẳng thức AM-GM xảy ra khi và chỉ khi \(1/a = 1/b\), tức là \(a=b\).
Khi \(a=b\), thay vào điều kiện \(a+b=ab\), ta được:
\(a+a = a \times a\)
\(2a = a^2\)
\(a^2 – 2a = 0\)
\(a(a-2) = 0\).
Vì \(a>0\) (theo đề bài), nên \(a=2\).
Vậy, dấu “=” trong \(ab \ge 4\) xảy ra khi \(a=b=2\). Khi đó \(ab = 2 \times 2 = 4\).
Bước 2: Biến đổi các biểu thức trong P và kiểm tra điều kiện phụ
Biểu thức P cần tìm giá trị nhỏ nhất là \(P=1/(a^2+3a-b)+1/(b^2+3b-a)+\)\(\sqrt[]{(1+a^2)(1+b^2)}\).
Ta sẽ biến đổi các mẫu số của hai phân thức đầu tiên bằng cách sử dụng \(a+b=ab\).
Từ \(a+b=ab\), ta suy ra \(b = ab-a\).
Khi đó, mẫu số thứ nhất là:
\(a^2+3a-b = a^2+3a-(ab-a) = a^2+3a-ab+a = a^2+4a-ab\).
Vì \(a>0\), ta có thể đặt \(a\) làm nhân tử chung:
\(a^2+4a-ab = a(a+4-b)\).
Tương tự, từ \(a+b=ab\), ta suy ra \(a = ab-b\).
Khi đó, mẫu số thứ hai là:
\(b^2+3b-a = b^2+3b-(ab-b) = b^2+3b-ab+b = b^2+4b-ab\).
Vì \(b>0\), ta có thể đặt \(b\) làm nhân tử chung:
\(b^2+4b-ab = b(b+4-a)\).
Các điều kiện đã cho là \(a^2+3a-b \ge 0\) và \(b^2+3b-a \ge 0\).
Vì \(a, b > 0\), các điều kiện này tương đương với:
\(a+4-b \ge 0 \Rightarrow a+4 \ge b\)
\(b+4-a \ge 0 \Rightarrow b+4 \ge a\)
Để thuận tiện cho việc tính toán, ta đặt \(X = a+4-b\) và \(Y = b+4-a\).
Từ các điều kiện trên, ta có \(X \ge 0\) và \(Y \ge 0\).
Ngoài ra, ta có thể tính tổng của \(X\) và \(Y\):
\(X+Y = (a+4-b) + (b+4-a) = a+4-b+b+4-a = 8\).
Như vậy, \(X\) và \(Y\) là hai số không âm có tổng bằng 8.
Biểu thức P bây giờ có dạng:
\(P = \frac{1}{aX} + \frac{1}{bY} + \sqrt[]{(1+a^2)(1+b^2)}\).
Bước 3: Đánh giá từng phần của biểu thức P để tìm giá trị nhỏ nhất
Ta sẽ đánh giá hai phần của biểu thức P riêng biệt.
Phần 1: Đánh giá tổng của hai phân thức \(S = 1/(aX) + 1/(bY)\)
Áp dụng bất đẳng thức Cauchy-Schwarz dạng Engel (một dạng của bất đẳng thức Schwarz), ta có:
\(S = \frac{1}{aX} + \frac{1}{bY} \ge \frac{(1+1)^2}{aX+bY} = \frac{4}{aX+bY}\).
Bây giờ, ta cần tính giá trị của mẫu số \(aX+bY\):
\(aX+bY = a(a+4-b) + b(b+4-a)\)
\( = (a^2+4a-ab) + (b^2+4b-ab)\)
\( = a^2+b^2+4a+4b-2ab\)
\( = (a^2+b^2) + 4(a+b) – 2ab\).
Ở Bước 1, ta đã đặt \(k=ab\), và vì \(a+b=ab\), nên \(a+b=k\).
Ngoài ra, \(a^2+b^2 = (a+b)^2-2ab = k^2-2k\).
Thay các giá trị này vào biểu thức của \(aX+bY\):
\(aX+bY = (k^2-2k) + 4k – 2k = k^2-2k+4k-2k = k^2\).
Vậy, ta có:
\(S \ge \frac{4}{k^2}\).
Ở Bước 1, ta đã chứng minh được rằng \(k=ab \ge 4\).
Do đó, \(k^2 \ge 4^2 = 16\).
Vậy, \(S \ge \frac{4}{16} = \frac{1}{4}\).
Dấu “=” trong bất đẳng thức này xảy ra khi đồng thời:
1. Dấu “=” của bất đẳng thức Cauchy-Schwarz: \(\frac{1}{aX} = \frac{1}{bY} \Rightarrow aX=bY\).
2. Dấu “=” của bất đẳng thức \(ab \ge 4\): \(ab=4\), điều này xảy ra khi \(a=b=2\).
Nếu \(a=b=2\), ta kiểm tra điều kiện \(aX=bY\):
\(X = a+4-b = 2+4-2=4\).
\(Y = b+4-a = 2+4-2=4\).
Khi đó \(aX = 2 \times 4 = 8\) và \(bY = 2 \times 4 = 8\).
Vậy \(aX=bY\) được thỏa mãn.
Do đó, giá trị nhỏ nhất của tổng hai phân thức là \(1/4\), đạt được khi \(a=b=2\).
Phần 2: Đánh giá biểu thức căn thức \(\sqrt[]{(1+a^2)(1+b^2)}\)
Ta biến đổi biểu thức dưới dấu căn:
\(\sqrt[]{(1+a^2)(1+b^2)} = \sqrt[]{1+a^2+b^2+a^2b^2}\).
Sử dụng các biến đổi tương tự như trên: đặt \(k=ab\), và \(a^2+b^2=k^2-2k\).
Thay vào biểu thức căn thức:
\(\sqrt[]{1+(k^2-2k)+k^2} = \sqrt[]{2k^2-2k+1}\).
Đặt \(f(k) = \sqrt[]{2k^2-2k+1}\). Ta cần tìm giá trị nhỏ nhất của \(f(k)\) với điều kiện \(k=ab \ge 4\).
Để tìm giá trị nhỏ nhất, ta xét hàm số \(g(k) = 2k^2-2k+1\). Đây là một parabol có hệ số của \(k^2\) dương (\(2>0\)), nên parabol này có bề lõm hướng lên trên, và đỉnh của nó là điểm cực tiểu.
Tọa độ đỉnh của parabol là \(k = -(-2)/(2 \times 2) = 2/4 = 1/2\).
Vì miền giá trị của \(k\) là \([4, +\infty)\), và \(1/2 < 4\), nên hàm số \(g(k)\) là hàm đồng biến trên miền \([4, +\infty)\).
Do đó, giá trị nhỏ nhất của \(g(k)\) trên miền này đạt được tại điểm đầu mút \(k=4\).
Giá trị nhỏ nhất của \(\sqrt[]{2k^2-2k+1}\) là \(\sqrt[]{2(4^2)-2(4)+1}\)
\( = \sqrt[]{2(16)-8+1}\)
\( = \sqrt[]{32-8+1}\)
\( = \sqrt[]{25} = 5\).
Dấu “=” xảy ra khi \(k=ab=4\), tức là \(a=b=2\).
Bước 4: Kết luận giá trị nhỏ nhất của P
Từ Bước 3, ta thấy rằng cả hai phần của biểu thức P (tổng hai phân thức và biểu thức căn thức) đều đạt giá trị nhỏ nhất khi \(a=b=2\).
Giá trị nhỏ nhất của tổng hai phân thức là \(1/4\).
Giá trị nhỏ nhất của biểu thức căn thức là \(5\).
Vậy, giá trị nhỏ nhất của biểu thức P là tổng của hai giá trị nhỏ nhất này:
\(P_{min} = \frac{1}{4} + 5 = \frac{1}{4} + \frac{20}{4} = \frac{21}{4}\).
Giá trị này đạt được khi \(a=b=2\).
Ta kiểm tra lại các điều kiện với \(a=b=2\):
– \(a,b\) là số thực dương: \(2>0\), thỏa mãn.
– \(a+b=ab\): \(2+2=2 \times 2 \Rightarrow 4=4\), thỏa mãn.
– \(a^2+3a-b \ge 0\): \(2^2+3(2)-2 = 4+6-2=8 \ge 0\), thỏa mãn.
– \(b^2+3b-a \ge 0\): \(2^2+3(2)-2 = 4+6-2=8 \ge 0\), thỏa mãn.
Tất cả các điều kiện đều được thỏa mãn tại \(a=b=2\).
Vậy, giá trị nhỏ nhất của biểu thức P là \(\frac{21}{4}\).
Theo bài ra, ta có:
\((a+b)^2\geq4ab\)
\(⇔(a+b)^2\geq4(a+b)\)
\(⇔(a+b)(a+b-4)\geq0\)
\(⇒\) \(\left[ \begin{array}{l}a+b\geq4\\a+b\leq0\end{array} \right.\)
\(+)\) Xét \(a+b\geq4\)
Đặt \(S = a+b = ab\)
Áp dụng BĐT Cauchy, có:
\(\frac{1}{a^2 + 3a – b} + \frac{1}{b^2 + 3b – a} \ge \frac{4}{(a^2 + 3a – b) + (b^2 + 3b – a)}\)
\(=\frac{4}{a^2+b^2+2a+2b}=\frac{4}{(a+b)^2-2ab+2(a+b)}=\frac{4}{(a+b)^2-2(a+b)+2(a+b)}=\frac{4}{S^2}\)
Có:
\((1^2 + a^2)(1^2 + b^2) \ge (1 \cdot 1 + a \cdot b)^2 = (1+ab)^2\)
\(⇒\) \(\sqrt{(1+a^2)(1+b^2)} \ge 1 + ab = 1 + S \quad \) (Do đang xét \(ab\geq4\))
Ta có:
\(P≥\frac{4}{S^2}+S+1\)
\(P \ge \left( \frac{4}{S^2} + \frac{S}{16} + \frac{S}{16} \right) + \frac{7S}{8} + 1\)
\(P\geq\) \(3 \sqrt[3]{\frac{4}{S^2} \cdot \frac{S}{16} \cdot \frac{S}{16}} \) \(+ \frac{7S}{8} + 1\)
\(P \ge \frac{3}{4} + \frac{7}{2} + 1 = \frac{21}{4}\)
Dấu “=” xảy ra khi và chỉ khi:
\(+)\) \(a^2+3a-b = b^2+3b-a \implies a=b\)
\(+)\) \(S=4⇔a+b=4\)
Hay \(a=b=2\)
Vậy \(Min_P=\frac{21}{4}⇔a=b=2\)
@tuan789
Với \(a,b\) là hai số thực dương nên \((a-b)^2 >= 0\)
\(a^2 – 2ab + b^2 >= 0\)
\(a^2 + 2ab + b^2 >= 4ab\)
\((a+b)^2 >= 4(a+b)\)
Vì \(a,b > 0\) nên \(a + b > 0\), khi đó \(a + b >= 4\)
Ta có:
+) \(1/(a^2 + 3a – b) + 1/(b^2 + 3b – a)\)
\(>= ((1+1)^2)/(a^2 + 3a – b + b^2 + 3b – a)\)
\(= 4/(a^2+ 2a + b^2 + 2b) \)
\(= 4/((a^2 + b^2) + 2 (a+b))\)
\(= 4/((a+b)^2 – 2ab + 2ab)\)
\(= 4/((a+b)^2)\)
+) Ta có \(sqrt((1+a^2)(1+b^2)) >= sqrt((1.1 + a.b)^2) = sqrt((1 + ab)^2) = 1 + ab = a + b + 1\)
Khi đó: \(P >= 4/((a+b)^2) + a + b + 1\)
\(>= 4/((a+b)^2) + (a+b)/16 + (a+b)/16 + (7 (a+b))/8 + 1\)
\(>= 3 . root[3]{4/((a+b)^2) . (a+b)/16 . (a+b)/16} + (7.4)/8 + 1\)
\(= 3 . root[3]{1/64} + 7/2 + 1\)
\(= 3 . 1/4 + 7/2 + 1\)
\(= 3/4 + 7/2 + 1\)
\(= 3/4 + 14/4 + 4/4\)
\(= 21/4\)
Dấu “=” xảy ra khi và chỉ khi \({(a^2 + 3a – b = b^2 + 3b – a),(a=b),(a+b = 4):}\), suy ra \(a = b = 2\)
Vậy, \(min P = 21/4\) khi và chỉ khi \(a = b = 2\)

Trợ Lý Xưởng In Thiên Nam
Add comment