MỘT PHƯƠNG PHÁP THAY ĐỔI BIẾN SỐ Đối với một số bài toán chứng minh đẳng thức hoặc bất đẳng thức của các biến số thực a, b, c có tích bằng 1, sẽ dễ dàng hơn khi ta biến đổi về dạng đẳng thức hoặc bất đẳng thức của các biến số mới x, y, z với a = x y ; b = y z ; c = z x . Ở đây vì a, b, c khác 0 nên x, y, z cũng khác 0 và nếu a, b, c dương thì x, y, z cũng dương. Ví dụ minh hoạ: Ví dụ 1: Cho a, b, c là các số thực có tích bằng 1. Chứng minh rằng: 1/ 1 1 a ab+ + + 1 1 b bc+ + + 1 1 c ca+ + = 1 (1) 2/ 1 a 1 b   − +  ÷   1 b 1 c   − +  ÷   1 c 1 a   − +  ÷   = 1 a 1 b   + −  ÷   1 b 1 c   + −  ÷   1 c 1 a   + −  ÷   (2) Giải: Vì abc = 1 nên ta có thể đặt: a = x y ; b = y z ; c = z x với x, y, z là các số thực khác 0. Khi đó ta có: Vế` trái của (1) được biến đổi thành: 1/ 1 x x 1 y z + + + 1 y y 1 z x + + + 1 z z 1 x y + + = yz xy yz zx+ + + zx xy yz zx+ + + xy xy yz zx+ + = xy yz zx xy yz zx + + + + = 1 2/ Vế trái của (2) biến đổi thành: x z 1 y y   − +  ÷   y x 1 x z   − +  ÷   z y 1 x x   − +  ÷   = . . x y z y z x z x y y z x − + − + − + = ( )( )( )x y z y z x z x y xyz − + − + − + (*) Tương tự ta cũng biến đổi được vế phải của (2) về biểu thức (*); Suy ra điều chứng minh. Ví dụ 2: (IMO 2000) Cho a, b, c là các số thực dương có tích bằng 1. Chứng minh rằng: 1 a 1 b   − +  ÷   1 b 1 c   − +  ÷   1 c 1 a   − +  ÷   ≤ 1 Giải: Vì abc = 1 và a, b, c là các số thực dương nên ta có thể đặt: a = x y ; b = y z ; c = z x với x, y, z là các số thực dương. Theo kết quả của ví dụ 1 ta có: 1 a 1 b   − +  ÷   1 b 1 c   − +  ÷   1 c 1 a   − +  ÷   ≤ 1 <=> <=> ( )( )( )x y z y z x z x y xyz − + − + − + ≤ 1 <=> (x – y + z)(y – z + z)(z – x + y) ≤ xyz (*) Do x, y, z có vai trò như nhau, không mất tính tổng quát ta giả sử: x ≥ y ≥ z ≥ 0 Như vậy x – y + z > 0 và y – z + x > 0 + Nếu z – x + y < 0 thì (*) hiển nhiên đúng + Nếu z – x + y > 0; p dụng bất đẳng thức Cosi cho hai số dương ta có: ( )( )x y z y z x x− + − + ≤ ; ( )( )y z x z x y y− + − + ≤ và ( )( )z x y x y z z− + − + ≤ Nhân từng vế của các bất đẳng thức trên ta suy ra được (*) Vậy (*) đúng với mọi x, y, z là các số thực dương. Ví dụ 3: Cho a, b, c là các số thực dương có tích bằng 1. Chứng minh rằng: ( ) 1 a b 1+ + ( ) 1 b c 1+ + ( ) 1 c a 1+ ≥ 3 2 (1) Giải: Vì abc = 1 và a, b, c là các số thực dương nên ta có thể đặt: a = x y ; b = y z ; c = z x với x, y, z là các số thực dương, thì (1) trở thành: ( ) 1 x y 1 y z + + ( ) 1 y z 1 z x + + ( ) 1 z x 1 x y + ≥ 3 2 <=> yx zx xy xy zx yz xy zx yz + + + + + ≥ 3 2 ; Đây chính là bất đẳng thức Nét-sbít cho 3 số dương (xy, yz, zx); Suy ra điều chứng minh. +Ngược lại: đối với một số bài toán chứng minh đẳng thức hoặc bất đẳng thức mà các biểu thức (hoặc biến đổi của chúng) có chứa các biểu thức a b ; b c ; c a việc đặt x = a b ; y = b c ; z = c a với lưu ý rằng xyz = 1 luôn là một phương pháp hữu hiệu. Ví dụ 4: Cho a, b, c là các số thực dương. Chứng minh rằng: 1/ b c a 1 a 2b b 2c c 2a + + ≤ + + + ; 2/ a b c 1 a 2b b 2c c 2a + + ≥ + + + Giải: 1/ Bất đẳng thức cần chứng minh <=> 1 1 1 1 a b c 2 2 2 b c a + + ≤ + + + (1) Đặt: x = a b ; y = b c ; z = c a ta có x, y, z là các số thực dương thoả mãn xyz = 1. Suy ra: (3) <=> 1 1 1 1 x 2 y 2 z 2 + + ≤ + + + <=> (x + 2)(y + 2) + (y + 2)(z + 2) + (z + 2) (x + 2) ≤ (x + 2)(y + 2)(z + 2) <=> (xy + yz + zx) + 4(x + y + z) + 12 ≤ xyz + 2(xy + yz + xz) + 4(x + y + z) + 8 <=> 4 ≤ xyz + xy + yz + xz <=> 3 ≤ xy + yz + xz. Đây là bất đẳng thức đúng vì áp dụng bất đẳng thức Cosi cho 3 số dương ta có: xy + yz + xz ≥ ( ) 2 3 3 xyz = 3xyz = 3 Suy ra điều chứng minh. 2/ Có thể chứng minh tương tự câu 1 hoặc sử dụng kết quả câu 1 và đẳng thức: ( ) a b c a 2b b 2c c 2a + + + + + + ( ) b c a 2 a 2b b 2c c 2a + + + + + = 3 để nhận được bất đẳng thức cần chứng minh. Ví dụ 5: Tìm tất cả các số thực dương a, b, c thoả mãn phương trình: b c a 3 a b b c c a 2 + + = + + + Giải: Đặt x = a b ; y = b c ; z = c a ; xyz = 1 thì phương trình đã cho tương đương với phương trình: 1 1 1 3 x 1 y 1 z 1 2 + + = + + + . Quy đồng mẫu số, khai triển các tích và rút gọn với chú ý xyz = 1) ta được phương trình: (xy + yz + zx) – (x + y + z) = 0 <=> xyz – (xy + yz + zx) + (x + y + z) – 1 = 0 <=> (x – 1)(y – 1)(z – 1) = 0 <=> x = 1 hoặc y = 1 hoặc z = 1 <=> a = b; b = c; c = a hay a = b = c Ví dụ 6: Cho a, b, c là các số thực dương. Chứng minh rằng: ( ) ( ) ( ) ab bc ca c c a a a b b b c + + + + + ≥ a b c c a a b b c + + + + + Giải: Bất đẳng thức cần chứng minh tương đương với: . . . ( ) ( ) ( ) b a c b a c c c a a a b b b c + + + + + ≥ a b c c a a b b c + + + + + <=> . . . ( ) ( ) ( ) b 1 c 1 a 1 c a b c a b 1 1 1 a b c + + + + + ≥ 1 1 1 c a b 1 1 1 a b c + + + + + Đặt x = a b ; y = b c ; z = c a ; xyz = 1 thì: <=> y z x z 1 x 1 y 1 + + + + + ≥ 1 1 1 z 1 x 1 y 1 + + + + + <=> y(x + 1)(y + 1) + z(y + 1)(z + 1) + x(z + 1) (x + 1) ≥ (x + 1)(y + 1) + (y + 1)(z + 1) + (z + 1) (x + 1) <=> (xy 2 + yz 2 +zx 2 ) + (x 2 + y 2 + z 2 ) + (xy + yz + zx) + (x + y + z) ≥ (xy + yz + zx) + 2(x + y + z) + 3 <=> (xy 2 + yz 2 +zx 2 ) + (x 2 + y 2 + z 2 ) ≥ (x + y + z) + 3 <=> (x – 1) 2 + (y – 1) 2 + (z – 1) 2 + (x + y + z – 3) + (xy 2 + yz 2 +zx 2 – 3) ≥ 0 (**) p dụng bất đẳng thức Cosi cho 3 số dương với chú ý xyz = 1, ta có: x + y + z ≥ 3. 3 xyz = 3 và xy 2 + yz 2 +zx 2 ≥ 3. ( ) 3 3 xyz = 3 Từ đó suy ra (**) là bất đẳng thức đúng. Nên ta có điều phải chứng minh. Bài tập áp dụng: 1/ Cho a, b, c là các số thực dương. Chứng minh rằng: 1/ 2 2 2 2 2 2 a b c a 2bc b 2ca c 2ab + + ≥ + + + 1 2/ 2 2 2 bc ca ab a 2bc b 2ca c 2ab + + ≤ + + + 1 2/ Cho a, b, c là các số thực dương thoả mãn a ≥ b ≥ a c 2 + . Chứng minh rằng: a b c a bc b ca c ab + + ≥ + + + 3 2