ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - NGUYỄN THỊ HỒNG DUYÊN BẤT ĐẲNG THỨC TRONG LỚP HÀM SIÊU VIỆT Chuyên ngành: PHƯƠNG PHÁP TOÁN SƠ CẤP Mã số: 60.46.01.13 LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: GS. TSKH. NGUYỄN VĂN MẬU Hà Nội - Năm 2015
1 Mục lục Mở đầu 2 1 Một số tính chất của hàm mũ và logarit 4 1.1 Hàm đơn điệu.......................... 4 1.2 Hàm lồi, lõm........................... 5 1.3 Tính đơn điệu, tính lồi lõm của hàm số mũ và hàm logarit.. 5 1.3.1 Tính đơn điệu của hàm số mũ và hàm logarit..... 5 1.3.2 Tính lồi, lõm của hàm số mũ và hàm logarit...... 6 1.4 Một số bất đẳng thức cổ điển.................. 6 1.5 Vai trò của hàm số mũ, hàm logarit trong chứng minh các bất đẳng thức cổ điển........................ 9 2 Các bất đẳng thức trong lớp hàm mũ, hàm logarit 13 2.1 Bất đẳng thức hàm số mũ................... 13 2.2 Bất đẳng thức hàm logarit................... 26 3 Một số bài toán áp dụng 34 3.1 Các bài toán cực trị liên quan đến hàm mũ và hàm logarit.. 34 3.2 Bất đẳng thức siêu việt trong dãy số và giới hạn....... 42 3.3 Bất đẳng thức siêu việt trong phương trình và hệ phương trình 50 KẾT LUẬN 58 Tài liệu tham khảo 59
2 Mở đầu Bất đẳng thức là một lĩnh vực khó trong chương trình toán học phổ thông, song nó lại luôn có sức hấp dẫn, thu hút sự tìm tòi, óc sáng tạo của học sinh. Dạng toán về bất đẳng thức thường có mặt trong các kỳ thi tuyển sinh cao đẳng đại học, thi học sinh giỏi hay các kỳ thi Olympic. Lý thuyết bất đẳng thức và đặc biệt, các bài tập về bất đẳng thức rất phong phú và cực kỳ đa dạng. Đặc biệt bất đẳng thức trong lớp hàm siêu việt là một phần chuyên đề rất hay, đóng vai trò quan trọng trong bồi dưỡng học sinh giỏi. Để góp phần đáp ứng nhu cầu bồi dưỡng giáo viên và bồi dưỡng học sinh giỏi về bất đẳng thức, luận văn "Bất đẳng thức trong lớp hàm siêu việt" đưa ra một số bài toán bất đẳng thức trong lớp hàm mũ và logarit, một số bài toán áp dụng cúa bất đẳng thức siêu việt vào việc tìm giá trị lớn nhất, giá trị nhỏ nhất của hàm số, các bài toán dãy số và giới hạn và khảo sát một số phương trình và hệ phương trình. Luận văn "Bất đẳng thức trong lớp hàm siêu việt" chủ yếu là sưu tầm, nghiên cứu tài liệu và các sách tham khảo liên quan đến bất đẳng thức trong lớp hàm mũ, logarit và các bài toán ứng dụng liên quan. Luận văn là một chuyên đề nhằm góp phần hướng tới bồi dưỡng học sinh giỏi bậc trung học phổ thông (xem [1-9]). Ngoài phần Mở đầu và Kết luận, Luận văn được chia làm ba chương như sau: Chương 1. Các kiến thức bổ trợ. Chương này trình bày một số tính chất của hàm số mũ và hàm logarit (tính đơn điệu, tính lồi lõm); ý nghĩa của hàm số mũ, hàm logarit trong chứng minh các bất đẳng thức cổ điển và một số bất đẳng thức cổ điển được sử dụng trong luận văn.
3 Chương 2. Các bất đẳng thức trong lớp hàm mũ, logarit. Chương này đưa ra các bài toán về bất đẳng thức mũ, logarit được nghiên cứu và tổng hợp trong các tài liệu tham khảo. Chương 3. Một số bài toán áp dụng. Chương này đưa ra các bài toán cực trị liên quan đến hàm mũ, hàm logarit; các bài toán áp dụng bất đẳng thức siêu việt trong dãy số và giới hạn, trong khảo sát phương trình và hệ phương trình. Trong thời gian thực hiện luận văn này, tác giả đã nhận được sự hướng dẫn, chỉ bảo tận tình của GS. TSKH. Nguyễn Văn Mậu. Thông qua luận văn này, tác giả xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc và trân trọng những công lao, sự quan tâm, động viên và sự tận tình chỉ bảo, hướng dẫn của thầy Nguyễn Văn Mậu. Tác giả chân thành cảm ơn các thầy giáo, cô giáo khoa Toán - Cơ - Tin học đã dạy bảo tận tình; chân thành cảm ơn các thầy cô trong Ban giám hiệu, Phòng đào tạo Sau đại học, văn phòng khoa Toán - Cơ - Tin trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội đã tạo mọi điều kiện thuận lợi trong suốt thời gian tác giả học tập và làm luận văn. Hà Nội, ngày 30 tháng 11 năm 2015 Học viên Nguyễn Thị Hồng Duyên
4 Chương 1 Một số tính chất của hàm mũ và logarit 1.1 Hàm đơn điệu Định nghĩa 1.1 (Xem [1-3]). Cho hàm số f : R R xác định trên tập I(a; b) R, trong đó I(a, b) là ký hiệu một trong các tập hợp (a, b), [a, b), (a, b], [a, b] với a < b. Khi đó, nếu ứng với mọi x 1, x 2 I(a, b), ta đều có với x 1 < x 2 suy ra f(x 1 ) f(x 2 ) thì ta nói rằng f(x) là hàm đơn điệu tăng trên I(a; b). Đặc biệt, khi ứng với mọi cặp x 1, x 2 I(a; b), ta đều có f(x 1 ) < f(x 2 ) x 1 < x 2 thì ta nói rằng f(x) là một hàm đơn điệu tăng thực sự trên I(a; b), hay còn gọi là hàm đồng biến. Ngược lại, nếu ứng với mọi x 1, x 2 I(a, b), ta đều có với x 1 < x 2 suy ra f(x 1 ) f(x 2 ) thì ta nói rằng f(x) là hàm đơn điệu giảm trên I(a; b). Nếu f(x 1 ) > f(x 2 ) x 1 < x 2 ; x 1, x 2 I(a; b) thì ta nói rằng f(x) là một hàm đơn điệu giảm thực sự trên I(a; b), hay còn gọi là hàm nghịch biến. Định lý 1.1. Giả sử hàm số f(x) có đạo hàm trên khoảng (a; b) và f (x) > 0 với mọi x (a; b) thì hàm số f(x) đồng biến trên khoảng đó. Ngược lại, nếu f (x) < 0 với mọi x (a; b) thì hàm số f(x) nghịch biến trên khoảng đó.
5 1.2 Hàm lồi, lõm Định nghĩa 1.2 (Xem [1-3]). Hàm số f(x) được gọi là hàm lồi (lồi xuống dưới) trên tập I(a; b) R nếu với mọi x 1, x 2 I(a; b) và với mọi cặp số dương α, β có tổng α + β = 1, ta đều có f(αx 1 + βx 2 ) αf(x 1 ) + βf(x 2 ). Nếu dấu đẳng thức xảy ra khi và chỉ khi x 1 = x 2 ta nói hàm số f(x) là hàm lồi thực sự (chặt) trên I(a; b). Hàm số f(x) được gọi là hàm lõm (lồi trên) trên tập I(a; b) R nếu với mọi x 1, x 2 I(a; b) và với mọi cặp số dương α, β có tổng α + β = 1, ta đều có f(αx 1 + βx 2 ) αf(x 1 ) + βf(x 2 ). Nếu dấu đẳng thức xảy ra khi và chỉ khi x 1 = x 2 ta nói hàm số f(x) là hàm lõm thực sự (chặt) trên I(a; b) Định lý 1.2 (Xem [1-3]). Nếu f(x) khả vi bậc hai trên I(a; b) thì f(x) lồi (lõm) trên I(a; b) khi và chỉ khi f (x) 0 (f (x) 0) trên I(a; b). 1.3 Tính đơn điệu, tính lồi lõm của hàm số mũ và hàm logarit 1.3.1 Tính đơn điệu của hàm số mũ và hàm logarit - Xét hàm số y = a x, a > 0, a 1 liên tục trên R, ta có y = a x ln a (a > 0, a 1). Khi a > 1 thì y > 0 nên hàm số đồng biến trên R. Khi 0 < a < 1 thì y < 0 nên hàm số nghịch biến trên R. - Xét hàm số y = log a x, a > 0, a 1; x > 0 ta có y = (log a x) = 1 x ln a. Khi a > 1 thì y > 0 nên hàm số đồng biến trên (0; + ). Khi 0 < a < 1 thì y < 0 nên hàm số nghịch biến trên (0; + ).
1.3.2 Tính lồi, lõm của hàm số mũ và hàm logarit - Xét hàm số y = a x, a > 0, a 1, ta có 6 y = a x ln a (a > 0, a 1), y = (ln a) 2 a x. Ta thấy y > 0 với mọi 0 < a 1, x R do đó hàm số y = a x là hàm lồi trên R. - Tương tự, với hàm số y = log a x, a > 0, a 1; x > 0, ta có y = (log a x) 1 = x ln a. y = 1 x 2 ln a. Nếu a > 1 tức ln a > 0 thì y < 0 suy ra hàm số lõm trên (0; + ). Nếu 0 < a < 1 tức ln a < 0 thì y > 0 suy ra hàm số lồi trên (0; + ). 1.4 Một số bất đẳng thức cổ điển Định lý 1.3 (Bất đẳng thức AM - GM, Xem [1-3]). 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. Dấu đẳng thức xảy ra khi và chỉ khi x 1 = x 2 = = x n. Định lý 1.4 (Bất đẳng thức dạng Karamata, Xem [1]). Cho hai dãy số x k, y k I(a, b), k = 1, 2,..., n, thỏa mãn các 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 thực sự 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 ).
7 Định lý 1.5 (Bất đẳng thức Jensen, Xem [1]). Cho hàm số y = f(x) liên tục và lồi trên [a, b]. Cho các số k 1, k 2,..., k n R + ; k 1 + k 2 + + k n = 1. Khi đó với mọi x i [a, b]; i = 1, 2,..., n, ta luôn có n n k i f(x i ) f( k i x i ). i=1 i=1 Nếu hàm số y = f(x) lõm trên [a, b] thì bất đẳng thức trên đổi chiều, tức là n n k i f(x i ) f( k i x i ). i=1 i=1 Định lý 1.6 (Bất đẳng thức Bernoulli (dạng liên tục), Xem [1]). Cho x > 0. Khi đó x α + (1 x)α 1 Khi α 1 hoặc α 0. x α + (1 x)α 1 Khi 0 α 1. Định lý 1.7 (Bất đẳng thức Bernoulli đối với tam thức bậc (α, β), Xem [1] ). Cho cặp số (α, β) thỏa mãn điều kiện α > β > 0. Khi đó, với mọi x R + x α + α β 1 α β xβ. Dấu đẳng thức xảy ra khi và chỉ khi x = 1. Định lý 1.8 (Bất đẳng thức Schur). Với các số thực dương a, b, c và k R + bất kỳ ta luôn có a k (a b)(a c) + b k (b c)(b a) + c k (c a)(c b) 0. Dấu đẳng thức xảy ra khi và chỉ khi a = b = c hoặc a = b và c = 0 cùng các hoán vị của nó. Hai trường hợp quen thuộc được sử dụng nhiều là k = 1 và k = 2 tức là (i) a(a b)(a c) + b(b c)(b a) + c(c a)(c b) 0. (ii) a 2 (a b)(a c) + b 2 (b c)(b a) + c 2 (c a)(c b) 0.
Phương pháp đổi biến p, q, r 8 Đối với một số bài bất đẳng thức thuần nhất đối xứng có các biến không âm ta có thể đổi biến như sau Đặt p = a + b + c; q = ab + bc + ca; r = abc. Ta có một số bất đẳng thức sau ab(a + b) + bc(b + c) + ca(c + a) = pq 3r (a + b)(b + c)(c + a) = pq r ab(a 2 + b 2 ) + bc(b 2 + c 2 ) + ca(c 2 + 2 ) = p 2 q 2q 2 pr (a + b)(a + c) + (b + c)(b + a) + (c + a)(c + b) = p 2 + q 2 + b 2 + c 2 = p 2 2q a 3 + b 3 + c 3 = p 3 3pq + 3r a 4 + b 4 + c 4 = p 4 4p 2 q + 2q 2 + 4pr a 2 b 2 + b 2 c 2 + c 2 a 2 = q 2 2pr a 3 b 3 + b 3 c 3 + c 3 a 3 = q 3 3pqr + 3r 2 a 4 b 4 + b 4 c 4 + c 4 a 4 = q 4 4pq 2 r + 2p 2 r 2 + 4qr 2 Có thể thấy ngay lợi ích của phương pháp này là mối ràng buộc giữa các biến p, q, r mà các biến a, b, c ban đầu không có như p 2 3q p 3 27r q 2 3pr pq 9r 2p 3 + 9r 7pq p 2 q + 3pr 4q 2 p 4 + 4q 2 + 6pr 5p 2 q r p(4q p2 ) 9 r (4q p2 )(p 2 q) 6p
9 1.5 Vai trò của hàm số mũ, hàm logarit trong chứng minh các bất đẳng thức cổ điển Định lý 1.9 (Bất đẳng thức AM - GM suy rộng, [1]). Giả sử cho trước hai cặp dãy số dương x 1, x 2,..., x n ; p 1, p 2,..., p n. Khi đó: ( ) p1 +p 2 + p n x p 1 1 xp 2 2 x1 p xp n 1 + x 2 p 2 + x n p n n. p 1 + p 2 + p n Dấu đẳng thức xảy ra khi và chỉ khi x 1 = x 2 = = x n. Chứng minh. Đặt Sử dụng bất đẳng thức hàm mũ s = x 1p 1 + x 2 p 2 + x n p n p 1 + p 2 + p n. e x 1 x, x R, ta thu được Từ đó ta thu được hệ Suy ra Vậy nên x 1 s e x1 s 1 x 1 se x 1 s 1. x 1 se x 1 1 s, x 2 se x 2 1 s, x n se xn s 1. x p 1 1 sp 1 x e( 1 s 1)p 1, x p 2 2 sp 2 x e( 2 s 1)p 2, x p n n s p n e( xn s n)p n. hay x p 1 1 xp 2 2 xp n n s p 1+p 2 + p n e x 1p 1+x 2p 2+ +xnpn s (p 1 +p 2 + +p n ) x p 1 1 xp 2 2 xp n n s p 1+p 2 + +p n, (đpcm). Dấu đẳng thức xảy ra khi và chỉ khi x 1 s = x 2 s = = x n s = 1 hayx 1 = x 2 = = x n.
59 Tài liệu tham khảo [1] Nguyễn Văn Mậu, 2006, Bất đẳng thức định lý và áp dụng, NXB Giáo dục. [2] Nguyễn Văn Mậu, 1993, Phương pháp giải phương trình và bất phương trình, NXB Giáo dục. [3] Nguyễn Văn Mậu, Lê Ngọc Lăng, Phạm Thế Long, Nguyễn Minh Tuấn, 2006 Các đề thi Olympic Toán sinh viên toàn quốc NXB Giáo dục. [4] Nguyễn Văn Mậu, Các bài thi Olympic Toán trung học phổ thông Việt Nam, 1990-2014, NXB Giáo dục. [5] D.S. Mitrinovic (1970), Analytic Inequalities, Springer. [6] Rajendra Bhatia (2008), The Logarithmic Mean, Indian Statistical Institute. [7] Teodora-Liliana T.R., Vicentiu D.R., Titu Andreescu (2009), Problems in real analysis: Advanced calculus on real axis, Springer. [8] Trần Đức Long, Nguyễn Đình Sang, Hoàng Quốc Toàn, 2005, Giáo trình giải tích 1, NXB Đại học Quốc gia Hà Nội. [9] Trần Đức Long, Nguyễn Đình Sang,Nguyễn Viết Triều Tiên, Hoàng Quốc Toàn, 2001, Bài tập giait tích 1, NXB Đại học Quốc gia Hà Nội.