Luận văn: Bất đẳng thức lượng giác dạng không đối xứng trong tam giác docx

Đây là phiên bản tài liệu đơn giản

Xem phiên bản đầy đủ của tài liệu Luận văn: Bất đẳng thức lượng giác dạng không đối xứng trong tam giác docx

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
PHẠM XUÂN THÀNH
BẤT ĐẲNG THỨC LƯỢNG GIÁC
DẠNG KHÔNG ĐỐI XỨNG
TRONG TAM GIÁC
Chuyên ngành : PHƯƠNG PHÁP TOÁN SƠ CẤP
Mã số : 60 46 40
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
ĐÀ NẴNG - NĂM 2011
Công trình được hoàn thành tại
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
Người hướng dẫn khoa học: GS.TSKH. NGUYỄN VĂN MẬU
Phản biện 1: TS. Lê Hoàng Trí
Phản biện 2: PGS.TS. Nguyễn Gia Định
Luận văn sẽ được bảo vệ tại hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Khoa học
họp tại Đà Nẵng vào ngày 18 tháng 8 năm 2011
* Có thể tìm thấy thông tin luận văn tại:
- Trung tâm Thông tin - Học liệu, Đại học Đà Nẵng
- Thư viện trường Đại học Sư phạm, Đại học Đà Nẵng
1
MỞ ĐẦU
1. Lí do chọn đề tài
Bất đẳng thức là một trong những vấn đề cổ điển nhất của toán học,
đây cũng là một trong những phần toán sơ cấp đẹp và thú vị nhất. Nội
dung xuyên suốt của luận văn là hệ thống các bất đẳng thức lượng giác.
Điểm đặc biệt, ấn tượng nhất của các bất đẳng thức lượng giác trong
toán sơ cấp là khó và rất khó, nhưng có thể giải chúng hoàn toàn bằng
phương pháp sơ cấp, không vượt qua giới hạn của chương trình toán học
phổ thông. Việc đi tìm lời giải cho bài toán bất đẳng thức là niềm say
mê của không ít người, đặc biệt là những người đang trực tiếp giảng dạy
toán. Các bài toán về bất đẳng thức rất đa dạng về đề tài, phong phú về
chủng loại và phù hợp với nhiều đối tượng thuộc các cấp học khác nhau.
Đề tài "Bất đẳng thức lượng giác dạng không đối xứng trong tam
giác" nhằm đáp ứng mong muốn của bản thân về một đề tài phù hợp
mà sau này có thể phục vụ thiết thực cho việc nâng cao chất lượng giảng
dạy của mình trong nhà trường phổ thông.
Đề tài này liên quan đến nhiều chuyên đề, trong đó có các vấn đề
về đặc trưng, tính chất và biểu diễn của hàm số, sử dụng các bất đẳng
thức quen thuộc như: AM-GM, Jensen, Cauchy-Schwarz, Chebyshev,
Karamata,. . . .
2. Mục đích nghiên cứu
Nhằm hệ thống tổng quan các bài toán về bất đẳng thức lượng giác
cơ bản, bất đẳng thức lượng giác dạng không đối xứng trong tam giác.
Nắm được một số kỹ thuật về chứng minh một số lớp bất đẳng thức
lượng giác tổng quát dạng không đối xứng trong tam giác.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
2
Nghiên cứu các bài toán về bất đẳng thức lượng giác dạng không đối
xứng trong tam giác và hệ thống các kiến thức liên quan.
Nghiên cứu từ các tài liệu, giáo trình của GS.TSKH Nguyễn Văn
Mậu, các tài liệu bồi dưỡng học sinh giỏi, tủ sách chuyên toán, tạp chí
toán học và tuổi trẻ, . . .
4. Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu trực tiếp từ các tài liệu của thầy hướng dẫn, của các
đồng nghiệp cũng như các bạn học viên trong lớp.
5. Ý nghĩa khoa học
Tạo được một đề tài phù hợp cho việc giảng dạy, bồi dưỡng giáo viên
và học sinh trung học phổ thông.
Đề tài đóng góp thiết thực cho việc nâng cao chất lượng dạy học các
chuyên đề toán trong trường THPT, đem lại niềm đam mê sáng tạo từ
những bài toán cơ bản nhất.
6. Cấu trúc luận văn
Luận văn bao gồm phần mở đầu, 3 chương, phần kết luận và danh
mục tài liệu tham khảo.
Chương 1. Một số hệ thức lượng giác cơ bản trong tam giác: Trong
chương này, tác giả trình bày một số bất đẳng thức cơ bản, bất đẳng
thức lượng giác dạng đối xứng trong tam giác. Độ gần đều và thứ tự
sắp được của các biểu thức dạng đối xứng trong tam giác. Một số ví dụ
minh họa.
Chương 2. Một số lớp bất đẳng thức lượng giác dạng không đối xứng
trong tam giác: Trình bày một số lớp bất đẳng thức lượng giác dạng
không đối xứng trong tam giác.
Chương 3. Áp dụng: Xét một số áp dụng của bất đẳng thức vào tìm
cực trị của biểu thức lượng giác dạng không đối xứng trong tam giác,
giải phương trình lượng giác.
3
Chương 1
MỘT SỐ HỆ THỨC LƯỢNG GIÁC CƠ
BẢN TRONG TAM GIÁC
1.1 Một số bất đẳng thức cơ bản
Định lí 1.1 ([2] Bất đẳng thức AM - GM). Giả sử x
1
, x
2
, . . . , x
n
là các
số không âm. Khi đó
x
1
+ x
2
+ ··· + x
n
n

n

x
1
x
2
. . . x
n
. (1.1)
Dấu đẳng thức xảy ra khi và chỉ khi x
1
= x
2
= ··· = x
n
.
Định lí 1.2 ([2] Jensen). Giả sử hàm số f (x) liên tục trên I(a, b) (trong
đó I(a, b) được ngầm hiểu là một trong các tập [a, b], [a, b), (a, b], (a, b).
Khi đó điều kiện cần và đủ để hàm số f(x) lồi trên I(a, b) là
f

x
1
+ x
2
2


f(x
1
) + f (x
2
)
2
, ∀x
1
, x
2
∈ I(a, b). (1.2)
Định lí 1.3 ([2] Bất đẳng thức Chebyshev). Giả sử f(x) và g(x) là hai
hàm đơn điệu tăng và (x
k
) là một dãy đơn điệu tăng:
x
1
 x
2
 ···  x
n
.
Khi đó mọi bộ trọng (p
j
) :
p
j
 0, j = 1, 2, . . . , n; p
1
+ p
2
+ ··· + p
n
= 1,
ta đều có

n

k=1
p
k
f(x
k
)

n

k=1
p
k
g(x
k
)



n

k=1
p
k
f(x
k
)g(x
k
)

. (1.3)
4
Định lí 1.4 ([2] Bất đẳng thức Karamata). Cho hai dãy số x
k
, y
k
∈ I(a; b),
k = 1, 2, . . . n, thỏa mãn điều kiện
x
1
 x
2
 ···  x
n
, y
1
 y
2
 ···  y
n
















x
1
 y
1
x
1
+ x
2
 y
1
+ y
2
. . . . . . . . .
x
1
+ x
2
+ ··· + x
n−1
 y
1
+ y
2
+ ··· + y
n−1
x
1
+ x
2
+ ··· + x
n
= y
1
+ y
2
+ ··· + y
n
Khi đó, ứng với mọi hàm lồi khả vi f(x), (f

(x)  0) trên I(a; b), ta
đều có
f(x
1
) + f (x
2
) + ··· + f(x
n
)  f(y
1
) + f (y
2
) + ··· + f(y
n
). (1.4)
1.2 Bất đẳng thức cơ bản dạng đối xứng trong tam
giác
Giả sử f (A, B, C) là biểu thức chứa các hàm số lượng giác của các
góc trong tam giác ABC.
Giả sử các góc A, B, C thỏa mãn điều kiện:
1. f(A) + f(B)  2f

A + B
2

hoặc f(A)f (B)  f
2

A + B
2

, (1.5)
đẳng thức xảy ra khi và chỉ khi A = B.
2. f(C) + f

π
3

 2f

C +
π
3
2

hoặc f(C)f

π
3

 f
2

C +
π
3
2

, (1.6)
đẳng thức xảy ra khi và chỉ khi C =
π
3
.
Khi cộng (hoặc nhân) (1.5) và (1.6) ta sẽ có bất đẳng thức
f(A) + f(B) + f(C)  3f

π
3

hoặc f(A)f (B)f(C)  f
3

π
3

,
đẳng thức xảy ra khi và chỉ khi A = B = C.
5
Các bất đẳng thức cơ bản dạng đối xứng trong tam giác dạng
f(g(A, B, C)) + f(g(B, C, A)) + f (g(C, A, B))  0,
hoặc
f(g(A, B, C)) + f(g(B, C, A)) + f (g(C, A, B))  0,
trong đó f(t) là một trong các hàm lượng giác dạng sin t, cos t, tan t, cott
và g(x, y, z) là hàm tuyến tính dạng g(x, y, z) = αx + βy + γz, đã được
đề cập nhiều trong các sách chuyên đề và sách tham khảo.
Trong mục này, ta chỉ xét một số ví dụ của các dạng đối xứng phụ
thuộc vào tổng và tích các hàm số lượng giác cơ bản. Bất đẳng thức của
các dạng không đối xứng
mf(g(A, B, C)) + nf(g(B, C, A)) + qf(g(C, A, B))  0,
hoặc
mf(g(A, B, C)) + nf(g(B, C, A)) + qf(g(C, A, B))  0,
sẽ được xét ở mục tiếp theo.
1.2.1 Bất đẳng thức lượng giác đối xứng sinh bởi hàm cos x
Ta nhắc lại một số bất đẳng thức cơ bản trong tam giác.
Bài toán 1.1. Chứng minh rằng trong mọi tam giác ABC, ta đều có
cos A + cos B + cos C 
3
2
. (1.7)
Bài toán 1.2. Chứng minh rằng trong mọi tam giác ABC ta đều có
cos
A
2
+ cos
B
2
+ cos
C
2

3

3
2
. (1.8)
Bài toán 1.3. Chứng minh rằng trong mọi tam giác ABC ta đều có
cos A cos B cos C 
1
8
. (1.9)
Bài toán 1.4. Chứng minh rằng trong mọi tam giác ABC, ta đều có
cos
A
2
cos
B
2
cos
C
2

3

3
8
. (1.10)
6
1.2.2 Bất đẳng thức lượng giác đối xứng sinh bởi sin x
Bài toán 1.5. Chứng minh rằng trong mọi tam giác ABC, ta đều có
sin A + sin B + sin C 
3

3
2
. (1.11)
Bài toán 1.6. Chứng minh rằng trong mọi tam giác ABC, ta đều có
sin
A
2
+ sin
B
2
+ sin
C
2

3
2
. (1.12)
Bài toán 1.7. Chứng minh rằng trong mọi tam giác ABC, ta đều có
sin
A
2
sin
B
2
sin
C
2

1
8
. (1.13)
Bài toán 1.8. Chứng minh rằng trong mọi tam giác ABC, ta đều có
sin A sin B sin C 
3

3
8
. (1.14)
Bài toán 1.9. Chứng minh rằng trong mọi tam giác ABC, ta đều có
sin
2
A + sin
2
B + sin
2
C 
9
4
. (1.15)
1.2.3 Bất đẳng thức lượng giác đối xứng sinh bởi hàm tan x
Bài toán 1.10. Chứng minh rằng tam giác nhọn ABC, ta đều có
tan A + tan B + tan C  3

3. (1.16)
Bài toán 1.11. Chứng minh rằng mọi tam giác ABC, ta đều có
tan
A
2
+ tan
B
2
+ tan
C
2


3. (1.17)
Bài toán 1.12. Chứng minh rằng mọi tam giác ABC, ta đều có
tan
A
2
tan
B
2
tan
C
2

1
3

3
. (1.18)
Bài toán 1.13. Chứng minh rằng trong tam giác nhọn ABC, ta luôn

tan A tan B tan C  3

3. (1.19)
Bài toán 1.14. Cho tam giác ABC. Chứng minh rằng với n là số nguyên
dương ta luôn có
tan
2n
A
2
+ tan
2n
B
2
+ tan
2n
C
2

1
3
n−1
. (1.20)
7
1.2.4 Bất đẳng thức đối xứng sinh bởi hàm số cot x
Bài toán 1.15. Chứng minh rằng trong mọi tam giác ABC, ta đều có
cot A + cot B + cot C 

3. (1.21)
Bài toán 1.16. Chứng minh rằng trong mọi tam giác ABC, ta đều có
cot
A
2
+ cot
B
2
+ cot
C
2
 3

3. (1.22)
Bài toán 1.17. Chứng minh rằng trong mọi tam giác ABC, ta luôn có
cot
A
2
cot
B
2
cot
C
2
 3

3. (1.23)
Bài toán 1.18. Chứng minh rằng trong tam giác nhọn ABC, ta luôn

cot A cot B cot C 
1
3

3
. (1.24)
1.3 Độ gần đều và thứ tự sắp được của các biểu
thức dạng đối xứng trong tam giác
Định nghĩa 1.1 ([1]). Với mỗi tam giác ABC cho trước, ta kí hiệu
δ
∆ABC
= max {A, B, C}− min {A, B, C} (1.25)
và gọi δ
∆ABC
là độ gần đều của tam giác ABC.
Rõ ràng δ
∆ABC
 0 và δ
∆ABC
= 0 khi và chỉ khi tam giác ABC là
một tam giác đều.
Định nghĩa 1.2 ([1]). Với mỗi cặp tam giác A
1
B
1
C
1
và A
2
B
2
C
2
thoả
mãn đồng thời các điều kiện

max {A
1
, B
1
, C
1
}  max {A
2
, B
2
, C
2
}
min {A
1
, B
1
, C
1
}  min {A
2
, B
2
, C
2
}
thì ta nói cặp tam giác A
1
B
1
C
1
và A
2
B
2
C
2
là cặp được sắp thứ tự và
tam giác A
1
B
1
C
1
gần đều hơn tam giác A
2
B
2
C
2
.
8
Vậy trong trường hợp có sắp thứ tự: Với mỗi cặp tam giác A
1
B
1
C
1
và A
2
B
2
C
2
(với A
1
 B
1
 C
1
và A
2
 B
2
 C
2
) thoả mãn đồng thời
các điều kiện

A
1
 A
2
C
1
 C
2
thì ta có tam giác A
1
B
1
C
1
gần đều hơn tam giác A
2
B
2
C
2
.
Nhận xét 1.1. Tam giác đều gần đều hơn mọi tam giác khác.
Nhận xét 1.2. Trong tập hợp các tam giác không nhọn thì tam giác
vuông cân gần đều hơn mọi tam giác khác.
Định lí 1.5 ([1]). Cho hàm số y = f(x) có đạo hàm cấp hai f

(x) trong
khoảng (a;b).
i) Nếu f

(x)  0 với mọi x ∈ (a; b) thì
f(x)  f (x
0
) + f

(x
0
)(x − x
0
), ∀x
0
∈ (a; b).
ii) Nếu f

(x)  0 với mọi x ∈ (a; b) thì
f(x)  f (x
0
) + f

(x
0
)(x − x
0
), ∀x
0
∈ (a; b).
Định lí 1.6 ([4]). Điều kiện cần và đủ để tam giác A
2
B
2
C
2
gần đều hơn
tam giác A
1
B
1
C
1
, tức là thỏa mãn điều kiện

max{A
1
, B
1
, C
1
}  max{A
2
, B
2
, C
2
}
min{A
1
, B
1
, C
1
}  min{A
2
, b
2
, C
2
}
là giữa chúng có một phép biến đổi tuyến tính dạng





αA
1
+ βB
1
+ γC
1
= A
2
αB
1
+ βC
1
+ γA
1
= B
2
αC
1
+ βA
1
+ γB
1
= C
2
trong đó α  0, β  0, γ  0, α + β + γ = 1.
Hệ quả 1.1 ([4]). Cho tam giác ABC, các số dương α, β, γ thỏa mãn
điều kiện α + β + γ = 1. Đặt
A
1
= αA + βB + γC, B
1
= αB + βC + γA, C
1
= αC + βA + γB.
Khi đó A
1
, B
1
, C
1
cũng là các góc của một tam giác A
1
B
1
C
1
nào đó và
tam giác này gần đều hơn tam giác đã cho.
9
Nhận xét 1.3. Nhận xét rằng kết quả của Hệ quả 1.1 vẫn đúng khi
α, β, γ là không âm và có ít nhất hai trong ba số là dương. Trường hợp
có hai số bằng 0, chẳng hạn β = 0, γ = 0 thì α = 1 và ta nhận được ba
góc mới chính là một hoán vị của A, B, C nên kết luận của Hệ quả 1.1
vẫn đúng.
Nhận xét 1.4. Kết quả của Hệ quả 1.1 cho ta cách dựng một tam giác
mới gần đều hơn tam giác đã cho. Tuy nhiên, để dựng một tam giác
A
1
B
1
C
1
xa đều hơn tam giác ABC đã cho, ta cần phải tiến hành giải
hệ phương trình tương ứng.
Xét hệ phương trình





αA
1
+ βB
1
+ γC
1
= A
αB
1
+ βC
1
+ γA
1
= B
αC
1
+ βA
1
+ γB
1
= C
trong đó α, β, γ không âm và không đồng thời bằng nhau

=
1
3

thỏa
mãn điều kiện α + β + γ = 1, A
1
, B
1
, C
1
là các góc cần xác định. Ta có
D = det


α β γ
γ α β
β γ α


= α
3
+ β
3
+ γ
3
− 3αβγ = 0

D
A
1
= det


A β γ
B α β
C γ α


= (α
2
− βγ)A + (γ
2
− βα)B + (β
2
− γα)C
nên
A
1
=
D
A
1
D
=

2
− βγ)A + (γ
2
− βα)B + (β
2
− γα)C
α
3
+ β
3
+ γ
3
− 3αβγ
.
Tương tự, ta nhận được
B
1
=
D
B
1
D
=

2
− βγ)B + (γ
2
− βα)C + (β
2
− γα)A
α
3
+ β
3
+ γ
3
− 3αβγ
,
C
1
=
D
C
1
D
=

2
− βγ)C + (γ
2
− βα)A + (β
2
− γα)B
α
3
+ β
3
+ γ
3
− 3αβγ
.
Vậy nên





α
1
A + β
1
B + γ
1
C = A
1
α
1
B + β
1
C + γ
1
A = B
1
α
1
C + β
1
A + γ
1
B = C
1
10
trong đó
α
1
=
α
2
− γβ
α
3
+ β
3
+ γ
3
− 3αβγ
,
β
1
=
γ
2
− βα
α
3
+ β
3
+ γ
3
− 3αβγ
,
γ
1
=
β
2
− αγ
α
3
+ β
3
+ γ
3
− 3αβγ
.
Nhận xét rằng
(α+β+γ)(α
1

1

1
) =
(α + β + γ)(α
2
+ β
2
+ γ
2
− αβ − βγ − γα)
α
3
+ β
3
+ γ
3
− 3αβγ
= 1.
Từ kết quả này, ta thu được kết luận sau đây.
Hệ quả 1.2. Cho tam giác ABC, các số α, β, γ không âm và không
đồng thời bằng nhau

=
1
3

thỏa mãn điều kiện α + β + γ = 1. Đặt





α
1
A + β
1
B + γ
1
C = A
1
α
1
B + β
1
C + γ
1
A = B
1
α
1
C + β
1
A + γ
1
B = C
1
trong đó
α
1
=
α
2
− γβ
α
3
+ β
3
+ γ
3
− 3αβγ
,
β
1
=
γ
2
− βα
α
3
+ β
3
+ γ
3
− 3αβγ
,
γ
1
=
β
2
− αγ
α
3
+ β
3
+ γ
3
− 3αβγ
.
Khi đó A
1
, B
1
, C
1
là các góc của một tam giác A
1
B
1
C
1
xa đều hơn tam
giác ABC đã cho.
Mệnh đề 1.1 ([4]). ho các số dương α, β, γ thỏa mãn điều kiện α +
β + γ = 1 và max(α, β, γ) 
1
2
. Khi đó, với mọi tam giác ABC, ta đặt





A
1
= αA + βB + γC
B
1
= αB + βC + γA
C
1
= αC + βA + γB
11
thì A
1
, B
1
, C
1
là các góc của một tam giác nhọn A
1
B
1
C
1
và tam giác này
gần đều hơn tam giác đã cho.
Mệnh đề 1.2 ([4]). Cho tam giác ABC. Xét tam giác A
1
B
1
C
1
có các
góc được tính theo công thức











A
1
=
A
2
+
B
3
+
C
6
B
1
=
B
2
+
C
3
+
A
6
.
C
1
=
C
2
+
A
3
+
B
6
Khi đó các góc A
1
B
1
C
1
nằm trong khoảng

π
6
;
π
2

.
1.4 Một số ví dụ minh họa
Bài toán 1.19 ([4]). Cho tam giác ABC và cho ba số không âm α, β, γ
sao cho α + β + γ = 1. Đặt





A
0
= αA + βB + γC
B
0
= αB + βC + γA
C
0
= αC + βA + γB
Chứng minh rằng khi đó tam giác A
0
B
0
C
0
gần đều hơn tam giác ABC.
Kết quả sau đây bao hàm hầu hết các bất đẳng thức đối xứng dạng
cơ bản trong tam giác.
Bài toán 1.20 ([1]). Cho tam giác A
2
B
2
C
2
gần đều hơn tam giác
A
1
B
1
C
1
và cho hàm số f(x) có f

(x)  0 với mọi x ∈ (0; π). Khi đó
f(A
1
) + f (B
1
) + f (C
1
)  f(A
2
) + f (B
2
) + f (C
2
). (1.26)
Bài toán 1.21 ([1]). Cho tam giác A
2
B
2
C
2
gần đều hơn tam giác
A
1
B
1
C
1
và cho hàm số f(x) có f

(x)  0 với mọi x ∈ (0; π). Khi đó
f(A
1
) + f (B
1
) + f (C
1
)  f(A
2
) + f (B
2
) + f (C
2
). (1.30)
Bài toán 1.22 ([1]). Cho tam giác ABC và cho ba số dương α, β, γ sao
cho α + β + γ = 1. Đặt





A
0
= αA + βB + γC
B
0
= αB + βC + γA
C
0
= αC + βA + γB
12
Chứng minh rằng
sin A + sin B + sin C  sin A
0
+ sin B
0
+ sin C
0
. (1.34)
Bài toán 1.23 ([1]). Cho tam giác ABC và cho ba số dương α, β, γ sao
cho α + β + γ = 1. Đặt





A
0
= αA + βB + γC
B
0
= αB + βC + γA
C
0
= αC + βA + γB.
Chứng minh rằng
cos
A
2
+ cos
B
2
+ cos
C
2
 cos
A
0
2
+ cos
B
0
2
+ cos
C
0
2
. (1.36)
Bài toán 1.24 ([4]). Tìm giá trị lớn nhất và giá trị nhỏ nhất của biểu
thức
M
1
= sin

A
2
+
B
3
+
C
6

+ sin

B
2
+
C
3
+
A
6

+ sin

C
2
+
A
3
+
B
6

(1.37)
trong tập M(∆), tức là các góc của tam giác suy rộng ABC.
Bài toán 1.25 ([4]). Cho các số dương x, y, z thỏa mãn điều kiện x 
y  z. Chứng minh rằng với mọi tam giác ABC ta luôn có
x sin

A
2
+
B
3
+
C
6

+ y sin

B
2
+
C
3
+
A
6

+ z sin

C
2
+
A
3
+
B
6

 x +

3
2
y +
1
2
z. (1.38)
Bài toán 1.26 ([4]). Cho các số dương α, β, γ thỏa mãn α + β + γ = 1.
Tìm giá trị lớn nhất và giá trị nhỏ nhất của biểu thức
M
0
= sin(αA+βB+γC)+sin(αB+βC+γA)+sin(αC+βA+γB) (1.41)
trong M (∆), tức là A, B, C là các góc trong tam giác suy rộng ABC.
13
Chương 2
MỘT SỐ LỚP BẤT ĐẲNG THỨC
LƯỢNG GIÁC DẠNG KHÔNG ĐỐI
XỨNG TRONG TAM GIÁC
Các bất đẳng thức cơ bản dạng không đối xứng trong tam giác dạng
mf(g(A, B, C)) + nf(g(B, C, A)) + qf(g(C, A, B))  0,
hoặc
mf(g(A, B, C)) + nf(g(B, C, A)) + qf(g(C, A, B))  0,
trong đó f(t) là một trong các hàm lượng giác dạng sin t, cos t, tan t, cott,
g(x, y, z) là hàm tuyến tính dạng g(x, y, z) = αx+βy+γz và m, n, p  0.
Các bất đẳng thức cơ bản dạng đối xứng bộ phận trong tam giác
dạng
f(g(A, B, C)) + f(g(B, C, A)) + qf(g(C, A, B))  0,
hoặc
f(g(A, B, C)) + f(g(B, C, A)) + qf(g(C, A, B))  0,
trong đó f (t) là một trong các hàm lượng giác dạng sin t, cos t, tan t, cot t,
g(x, y, z) là hàm tuyến tính dạng g(x, y, z) = αx + βy + γz và q ∈ R.
Trong mục này, ta xét các ví dụ của các dạng đối xứng bộ phận và
không đối xứng phụ thuộc vào tổng của các hàm lượng giác cơ bản.
14
2.1 Bất đẳng thức dạng không đối xứng sinh bởi
hàm cos x
Ta xét một số bất lượng giác dạng đối xứng bộ phận
Bài toán 2.1 ([4]). Chứng minh rằng với mọi tam giác ABC, ta đều có
a) cos 2A + cos 2B + k cos 2C 
−2k
2
− 1
2k
, khi k > 0. (2.1)
b) cos 2A + cos 2B + k cos 2C 
−2k
2
− 1
2k
, khi k < 0. (2.2)
Bài toán 2.2 ([4]). Chứng minh rằng với mọi tam giác ABC, ta đều có
cos 2A − cos 2B + cos 2C 
3
2
. (2.3)
Bài toán 2.3 ([4]). Chứng minh rằng với mọi tam giác ABC, ta đều có

3(cos 2A + cos 2B) + cos 2C  −
5
2
. (2.4)
Bài toán 2.4 ([4]). Chứng minh rằng với mọi tam giác ABC, ta đều có

3(cos 2A − cos 2C) + cos 2B 
5
2
. (2.5)
Bài toán 2.5 ([4]). Chứng minh rằng với mọi tam giác ABC, ta đều có
a) cos 3A + cos 3B + k cos 3C 
2k
2
+ 1
2k
, khi k < 0. (2.6)
b) cos 3A + cos 3B + k cos 3C 
2k
2
+ 1
2k
, khi k > 0. (2.7)
Tiếp theo, ta khảo sát bài toán cơ bản về bất đẳng thức không đối
xứng trong tam giác sinh bởi hàn số cos t, t ∈ [0; π].
Bài toán tổng quát 1. Cho các số dương x, y, z. Tìm giá trị lớn nhất
và giá trị nhỏ nhất của biểu thức
T
c
= x cos A + y cos B + z cos C,
trong tập M (∆), tức là A, B, C là các góc của tam giác suy rộng ABC.
15
Kí hiệu M (∆) là tập hợp tất cả các tam giác ABC kể cả tam giác
suy biến, tức là A  0, B  0, C  0 và A + B + C = π. Ta gọi các tam
giác thuộc M(∆) là các tam giác suy rộng.
Bài toán 2.6 ([4]). Cho các số dương x, y, z sao cho
1
x
,
1
y
,
1
z
lập thành
độ dài các cạnh của một tam giác XY Z cho trước. Khi đó với mọi tam
giác ABC, ta đều có
x cos A + y cos B + z cos C 
yz
2x
+
xz
2y
+
xy
2z
. (2.8)
Đẳng thức xảy ra khi và chỉ khi tam giác ABC đồng dạng với tam giác
XY Z.
Nhận xét 2.1. Biểu thức P = x cos A + y cos B + z cos C đạt được giá
trị lớn nhất bằng
yz
2x
+
xz
2y
+
xy
2z
khi và chỉ khi
1
x
,
1
y
,
1
z
là độ dài ba cạnh
của một tam giác, hay



1
x

1
y



<
1
z
. Trong trường hợp tổng quát, khi các
hệ số x, y, z là các số dương tùy ý không thỏa mãn điều kiện



1
x

1
y



<
1
z
thì dấu đẳng thức trong (2.8) sẽ không xảy ra.
Tiếp theo, ta xét các trường hợp khi các số dương x, y, z không thỏa
mãn điều kiện của Bài toán 2.6, bao gồm các trường hợp



1
x

1
y



=
1
z
hoặc



1
x

1
y



>
1
z
.
Bài toán 2.7 ([4]). Chứng minh rằng với mọi tam giác ABC ta đều có
cos A + cos B +
1
2
cos C <
3
2
. (2.13)
Bài toán 2.8 ([4]). Cho số dương m thoả mãn điều kiện 0 < m <
1
2
.
Chứng minh rằng với mọi tam giác ABC ta đều có
cos A + cos B + m cos C < 2 − m. (2.14)
Bổ đề 2.1 ([4]). Cho các số dương x, y, z với x  y  z > 0. Khi đó với
mọi tam giác ABC, ta đều có
x cos A + y cos B + z cos C  x cos A
0
+ y cos B
0
+ z cos C
0
, (2.15)
trong đó A
0
= min {A, B, C}, B
0
= med {A, B, C}, C
0
= max {A, B, C}
16
Bài toán 2.9 ([4]). Cho các số dương x, y, z sao cho
1
x
+
1
y
=
1
z
. Khi đó
với mọi tam giác ABC, ta đều có
x cos A + y cos B + z cos C < x + y − z. (2.16)
Tổng quát hơn, ta có kết luận sau.
Bài toán 2.10 ([4]). Cho các số dương x, y, z sao cho
1
x
+
1
y

1
z
. Khi
đó với mọi tam giác ABC ta đều có
x cos A + y cos B + z cos C  x + y − z. (2.21)
Bài toán 2.11 ([4]). Cho các số dương x, y, z thỏa mãn điều kiện
1
x
2
+
1
y
2
>
1
z
2
. Chứng minh rằng với mọi tam giác nhọn ABC, ta đều có
x cos A + y cos B + z cos C 
yz
2x
+
xz
2y
+
xy
2z
. (2.22)
Dấu đẳng thức xảy ra khi và chỉ khi x sin A = y sin B = z sin C, tức là
tam giác ABC đồng dạng với tam giác nhọn có độ dài các cạnh lần lượt

1
x
,
1
y
,
1
z
.
Bổ đề 2.2 ([4]). Cho các số dương x, y, z thỏa mãn x  y  z. Khi đó
với mọi tam giácABC, ta đều có
x cos A + y cos B + z cos C  x cos A
0
+ y cos B
0
+ z cos C
0
, (2.28)
trong đó
A
0
= max {A, B, C}, B
0
= med {A, B, C}, C
0
= min {A, B, C}.
Định lí 2.1 ([4]). Cho các số dương x, y, z thỏa mãn điều kiện x  y  z.
Khi đó với mọi tam giác ABC ∈ M(∆), ta đều có
x cos A + y cos B + z cos C  −x + y + z. (2.29)
Dấu đẳng thức xảy ra khi và chỉ khi A = π, B = C = 0.
Bài toán tổng quát 2. Cho các số dương x, y, z. Tìm giá trị lớn nhất
và giá trị nhỏ nhất của biểu thức
T
2C
= x cos 2A + y cos 2B + z cos 2C,
trong tập M(∆), tức là A, B, C là ba góc của tam giác suy rộng ABC.
17
Bổ đề 2.3 ([4]). Giả sử x  y  z > 0. Khi đó, với mọi tam giác
ABC ∈ M(∆), ta đều có
x cos 2A +y cos 2B +z cos 2C  x cos 2A
0
+y cos 2B
0
+z cos 2C
0
, (2.30)
trong đó A
0
= min {A, B, C}, B
0
= med {A, B, C}, C
0
= max {A, B, C}.
Định lí 2.2 ([4]). Giả sử x  y  z > 0. Khi đó, với mọi tam giác
ABC ∈ M(∆), ta đều có
x cos 2A + y cos 2B + z cos 2C  x + y + z. (2.31)
Dấu đẳng thức xảy ra khi A = B = 0, C = π.
Bổ đề 2.4 ([4]). Cho các số dương x, y, z sao cho
1
x
,
1
y
,
1
z
lập thành ba
cạnh của một tam giác XY Z cho trước. Khi đó mọi tam giác ABC, ta
đều có
x cos 2A + y cos 2B + z cos 2C  −
1
2

xy
z
+
yz
x
+
zx
y

. (2.32)
Dấu đẳng thức xảy ra khi và chỉ khi tam giác ABC đồng dạng với tam
giác XY Z.
Nhận xét 2.2. Nhận xét rằng, biểu thức T
2C
= x cos 2A + y cos 2B +
z cos 2C đạt được giá trị nhỏ nhất là −
1
2

xy
z
+
yz
x
+
zx
y

khi và chỉ khi
1
x
,
1
y
,
1
z
là độ dài ba cạnh của một tam giác, hay



1
x

1
y



<
1
z
<
1
x
+
1
y
.
Trong trường hợp tổng quát, khi các hệ số x, y, z là các số dương tùy ý
không thỏa mãn điều kiện



1
x

1
y



<
1
z
thì dấu đẳng thức trong (2.32)
sẽ không xảy ra.
Bài toán 2.12 ([4]). Cho các số dương x, y, z sao cho
1
x
+
1
y
=
1
z
. Khi
đó với mọi tam giác ABC, ta đều có
x cos 2A + y cos 2B + z cos 2C > z − y −x. (2.33)
Tiếp theo, để kết thúc dạng toán này ta chứng minh bài toán tổng
quát sau.
Bài toán 2.13 ([4]). Cho các số dương x, y, z và n ∈ N. Chứng minh
rằng với mọi tam giác ABC, ta đều có
x
2
+ y
2
+ z
2
 2(−1)
n+1
(yz cos nA + zx cos nB + xy cos nC). (2.39)
18
2.2 Bất đẳng thức dạng không đối xứng sinh bởi
hàm sin x
Bài toán 2.14 ([4]). Chứng minh rằng với mọi tam giác ABC, ta đều

a) sin
2
A + sin
2
B + k sin
2
C 
(2k + 1)
2
4k
khi k > 0. (2.44)
b) sin
2
A + sin
2
B + k sin
2
C 
(2k + 1)
2
4k
khi k < 0. (2.45)
Bài toán 2.15 ([1]). Chứng minh rằng trong mọi tam giác ABC, ta
đều có
sin
2
A + sin
2
B +
1

2
sin
2
C  1 +
3

2
4
. (2.46)
Bài toán 2.16. Chứng minh rằng trong mọi tam giác ta đều có
sin A + sin B +

3 sin C 
4
3

6. (2.47)
Bổ đề 2.5 ([4]). Cho các số dương x, y, z thoả mãn điều kiện x  y 
z > 0. Khi đó với mọi tam giác ABC ta đều có
x sin A + y sin B + z sin C  x sin A
0
+ y sin B
0
+ z sin C
0
, (2.49)
trong đó A
0
= min {A, B, C}, B
0
= med {A, B, C}, C
0
= max {A, B, C}
Định lí 2.3 ([4]). Cho các số dương x, y, z tuỳ ý. Khi đó với mọi tam
giác ABC, ta đều có
x sin A + y sin B + z sin C  0. (2.50)
Dấu đẳng thức xảy ra khi và chỉ khi tam giác ABC có số đo ba góc là
0, 0, π.
Định lí 2.4 ([4]). Giả sử α, β, γ là ba góc của tam giác nhọn XY Z cho
trước. Khi đó với mọi tam giác ABC, ta đều có
sin A
cos α
+
sin B
cos β
+
sin C
cos γ


1
sin 2α
+
1
sin 2β
+
1
sin 2γ


1
2
(cot 2α + cot 2β + cot 2γ)
+
1
4

sin 2α
sin 2β sin 2γ
+
sin 2β
sin 2α sin 2γ
+
sin 2γ
sin 2α sin 2β

.
(2.51)
19
Bổ đề 2.6 ([4]). Giả sử các số dương x, y, z thoả mãn điều kiện
1
x
2
+
1
y
2
>
1
z
2
.
Khi đó với mọi tam giác ABC, ta đều có
x sin
A
2
+ y sin
B
2
+ z sin
C
2

yz
2x
+
xz
2y
+
xy
2z
. (2.56)
Dấu đẳng thức xảy ra khi và chỉ khi x cos
A
2
= y cos
B
2
= z cos
C
2
tức là
tam giác A
1
B
1
C
1
với ba góc
A
1
=
B + C
2
, B
1
=
A + C
2
, C
1
=
A + B
2
(2.57)
đồng dạng tam giác nhọn có độ dài các cạnh lần lượt là
1
x
,
1
y
,
1
z
.
Tiếp theo, ta tìm giá trị nhỏ nhất của biểu thức
P = x sin
A
2
+ y sin
B
2
+ z sin
C
2
.
Bổ đề 2.7 ([4]). Cho các số dương x, y, z thoả mãn điều kiện x  y  z.
Khi đó với mọi tam giác ABC ∈ M(∆), ta đều có
x sin
A
2
+ y sin
B
2
+ z sin
C
2
> x sin
A
0
2
+ y sin
B
0
2
+ z sin
C
0
2
(2.58)
trong đó A
0
= min {A, B, C}, B
0
= med {A, B, C}, C
0
= max {A, B, C}
Bài toán 2.17 ([4]). Cho các số dương x, y, z thoả mãn điều kiện x 
y  z. Chứng minh rằng với mọi tam giác ABC ta đều có
x sin
A
2
+ y sin
B
2
+ z sin
C
2
> x. (2.59)
Nhận xét 2.3. Nhận xét rằng x là đánh giá tốt nhất cho vế phải. Thật
vậy, cho B = C = α, A = π − 2α với α đủ nhỏ thì khi đó
lim
α→0

x sin
A
2
+ y sin
B
2
+ z sin
C
2

= x
Bài toán 2.18 ([1]). Cho các số dương x, y, z sao cho
1
x
,
1
y
,
1
z
lập thành
độ dài các cạnh của một tam giác XY Z cho trước. Khi đó với mọi tam
giác ABC, ta đều có
x sin
A
2
+ y sin
B
2
+ z sin
C
2

1
2

yz
x
+
xz
y
+
xy
z

. (2.60)
20
Hệ quả 2.1. Cho các số dương x, y, z sao cho
1
x
+
1
y

1
z
. Khi đó mọi
tam giác ABC thuộc M(∆), ta đều có
x sin
A
2
+ y sin
B
2
+ z sin
C
2
 x + y − z. (2.65)
Hệ quả 2.2. Cho các số dương x, y, z thoả mãn điều kiện x  y  z.
Khi đó mọi tam giác ABC ∈ M(∆), ta đều có
x sin
A
2
+ y sin
B
2
+ z sin
C
2
 −x + y + z. (2.66)
2.3 Bất đẳng thức dạng không đối xứng sinh bởi
hàm tan x
Bổ đề 2.8. Cho các số dương x
i


0;
π
2

, i = 1, . . . , n, ta có
1
n
n

i=1
tan x
i
 tan

1
n
n

i=1
x
i

, n = 2, 3, 4. (2.67)
Bài toán 2.19 ([4]). Cho các số dương m, n, p. Chứng minh rằng trong
tam giác ABC ta luôn có
n + p
m
tan
2
A
2
+
p + m
n
tan
2
B
2
+
m + n
p
tan
2
C
2
 2. (2.68)
Nhận xét 2.4. Ta biết trong tam giác ABC luôn có
tan
A
2
+ tan
B
2
+ tan
C
2


3. (2.72)
Ta có thể mở rộng bất đẳng thức đối xứng (2.85) thành bất đẳng
thức dạng không đối xứng sau đây.
Bài toán 2.20 ([1]). Cho a, b, c là độ dài ba cạnh của một tam giác và
x, y, z là các số dương thoả mãn điều kiện xy + yz + zx = 1. Tìm giá trị
nhỏ nhất của biểu thức
M
1
= ax + by + cz. (2.73)
21
Bài toán 2.21. Cho các số dương m, n, p là độ dài các cạnh một tam
giác. Chứng minh rằng trong mọi tam giác ABC ta đều có
m tan
A
2
+ n tan
B
2
+ p tan
C
2


2(mn + np + pm) −m
2
− n
2
− p
2
.
(2.77)
Bài toán 2.22 ([3]). Cho m, n, p là các số nguyên dương lớn hơn 2.
Chứng minh rằng với mọi tam giác ABC, ta đều có:
m

tan
A
m

α
+n

tan
B
n

α
+p

tan
C
p

α
 (m+n+p)

tan
π
m + n + p

α
(2.78)
với α > 1.
2.4 Bất đẳng thức dạng không đối xứng sinh bởi
hàm cot x
Bài toán 2.23. Cho các số dương m, n, p. Chứng minh rằng trong tam
giác nhọn ABC ta luôn có
n + p
m
cot
2
A +
p + m
n
cot
2
B +
m + n
p
cot
2
C  2. (2.81)
Nhận xét 2.5. Ta biết trong tam giác ABC luôn có
cot A + cot B + cot C 

3. (2.85)
Ta có thể thay bất đẳng thức đối xứng bằng bất đẳng thức dạng
không đối xứng sau đây.
Bài toán 2.24. Cho các số dương m, n, p là độ dài các cạnh một tam
giác. Chứng minh rằng trong mọi tam giác ABC ta đều có
m cot A + n cot B + p cot C 

2(mn + np + pm) −m
2
− n
2
− p
2
.
(2.86)
22
Chương 3
ÁP DỤNG
3.1 Tìm cực trị của biểu thức lượng giác trong tam
giác
Bài toán 3.1. Cho tam giác ABC. Tìm giá trị nhỏ nhất của biểu thức

1 + 2 cos
2
A
sin B
+

1 + 2 cos
2
B
sin C
+

1 + 2 cos
2
C
sin A
. (3.1)
Bài toán 3.2. Cho tam giác ABC. Tìm giá trị nhỏ nhất của biểu thức
cot A + cot B + cot C + tan
A
2
+ tan
B
2
+ tan
C
2
. (3.3)
Bài toán 3.3 (HSG 1992 bảng B). Tìm giá trị nhỏ nhất của biểu thức
(1 + cos
2
A)(1 + cos
2
B)(1 + cos
2
C). (3.6)
Bài toán 3.4. Tìm giá trị lớn nhất của biểu thức

2(cos 3A + cos 3B) + cos 3C. (3.7)
Bài toán 3.5. Tìm giá trị nhỏ nhất của biểu thức
cos 3A + cos 3B − cos 3C. (3.8)
Bài toán 3.6. Tìm giá trị nhỏ nhất của biểu thức
2(cos 2A + cos 2B) +

3 cos 2C. (3.11)
Bài toán 3.7. Cho các số dương x, y, z thỏa mãn điều kiện
1
x

1
y

1
z

1
x
+
1
y
. (3.12)
Tìm giá trị lớn nhất của biểu thức
x sin A + y sin B −z cos C. (3.13)
23
3.2 Giải phương trình
Bài toán 3.8. Giải phương trình
sin
2
x + sin
2
y + sin
2
z =
9
4
. (3.14)
Bài toán 3.9. Giải phương trình
cos x + cos y + cos z =
3
2
. (3.15)
Bài toán 3.10. Giải phương trình
cos 2x − cos 2y + cos 2z =
3
2
. (3.16)
Bài toán 3.11. Giải phương trình
3 cos x + 7 cos y + 2 cos z = 8. (3.17)

Đây là phiên bản tài liệu đơn giản

Xem phiên bản đầy đủ của tài liệu Luận văn: Bất đẳng thức lượng giác dạng không đối xứng trong tam giác docx