← Trở về thư viện

Bất đẳng thức Côsi và ứng dụng

Bất đẳng thức CôSi (Cauchy) hay bất đẳng thức AM-GM là bất đẳng thức so sánh giữa trung bình cộng và trung bình nhân của n số thực không âm.

Mục lục bài viết9 mục

Bất đẳng thức CôSi (Cauchy) hay bất đẳng thức AM-GM là bất đẳng thức so sánh giữa trung bình cộng và trung bình nhân của n số thực không âm.

1. Bất đẳng thức Cô-si là gì?

Trong toán học, bất đẳng thức Cauchy là bất đẳng thức so sánh giữa trung bình cộng và trung bình nhân của n số thực không âm được phát biểu như sau.

Với a1,a2,…,ana_1,a_2,\ldots,a_n là các số thực không âm, khi đó

a1+a2+⋯+an⩾na1a2…ann.a_1+a_2+\cdots +a_{n}\ge n\sqrt[n]{a_1a_2\ldots a_n}.

Dấu bằng xảy ra khi và chỉ khi a1=a2=⋯=an.a_1=a_2=\cdots =a_n.

các bất đẳng thức thường sử dụng, SỬ DỤNG AM-GM ĐỂ CHỨNG MINH BẤT ĐẲNG THỨC DẤU BẰNG KHÔNG TẠI TÂM, chọn điểm rơi trong bất đẳng thức Côsi

Chứng minh bất đẳng thức AM-GM cho hai số không âm bằng hình học

Trung bình cộng của n số thực không âm luôn lớn hơn hoặc bằng trung bình nhân của chúng, và trung bình cộng chỉ bằng trung bình nhân khi và chỉ khi n số đó bằng nhau.

Các trường hợp đặc biệt của bất đẳng thức Cosi:

  • Bất đẳng thức Cô si với 2 số thực không âm aa và bb thì:

    a+b2⩾ab\frac{a+b}{2} \geqslant \sqrt{ab}

    Dấu “=” xảy ra khi và chỉ khi a = b.

  • Bất đẳng thức Cô si với 3 số thực không âm a,ba,b và cc thì:

    a+b+c3⩾abc3\frac{a+b+c}{3} \geqslant \sqrt[3]{abc}

    Dấu “=” xảy ra khi và chỉ khi a = b =c.

Tên đúng của bất đẳng thức này là bất đẳng thức AM-GM. Có nhiều cách để chứng minh bđt này nhưng hay nhất là cách chứng minh quy nạp của Cauchy.

2. Các dạng phát biểu của bất đẳng thức Cô-si

a. Dạng tổng quát của bất đẳng thức Cô-si

Cho x1,x2,x3,…,xnx_1, x_2, x_3,…,x_n là các số thực dương ta có:

– Dạng 1: x1+x2+…+xnn⩾x1x2x3…xnn\dfrac{x_1+x_2+…+x_n}{n} \geqslant \sqrt[n]{x_1 x_2 x_3…x_n}

– Dạng 2: x1+x2+…+xn⩾nx1x2x3…xnn{x_1+x_2+…+x_n} \geqslant n\sqrt[n]{x_1 x_2 x_3…x_n}

– Dạng 3: (x1+x2+…+xnn)n⩾x1x2x3…xn\left(\dfrac{x_1+x_2+…+x_n}{n}\right)^n \geqslant x_1 x_2 x_3…x_n

– Dạng 4: (x1+x2+…+xn)(1x1+1x2+…1xn)⩾n2\left(x_1+x_2+…+x_n\right)\left(\frac{1}{x_1}+\frac{1}{x_2}+…\frac{1}{x_n} \right) \geqslant n^2

Dấu đẳng thức xảy ra khi và chỉ khi x1=x2=x3=…=xn.x_1= x_2= x_3=…=x_n.

b. Dạng đặc biệt của bất đẳng thức Cô-si

Là các trường hợp đặc biệt của dạng tổng quát ở trên khi n=2, n=3.

Bất đẳng thức Côsi và ứng dụng 1

c. Một số bất đẳng thức được suy ra từ bất đẳng thức Cauchy

Bất đẳng thức Côsi, bdt cosi, bất đẳng thức cauchy

d. Chú ý khi sử dụng bất đẳng thức AM – GM

  • Khi áp dụng bất đẳng thức Cô si thì các số phải là những số không âm;

  • Bất đẳng thức Côsi thường được áp dụng khi trong BĐT cần chứng minh có tổng và tích;

  • Điều kiện xảy ra dấu ‘=’ là các số bằng nhau;

  • Bất đẳng thức Côsi còn có hình thức khác thường hay sử dụng.

3. Hệ quả của bất đẳng thức Cô-si

  • x2+y2≥2xy;2(x2+y2)≥(x+y)2;2(x+y)≥x+yx^{2}+y^{2} \geq 2 x y ; 2\left(x^{2}+y^{2}\right) \geq(x+y)^{2} ; \sqrt{2(x+y)} \geq \sqrt{x}+\sqrt{y}

  • x2+y2−xy≥3(x+y)24x^{2}+y^{2}-x y \geq \frac{3(x+y)^{2}}{4}

  • x2+y2+z2≥xy+yz+zxx^{2}+y^{2}+z^{2} \geq x y+y z+z x

  • 3(x2+y2+z2)≥(x+y+z)2≥3(xy+yz+zx)3\left(x^{2}+y^{2}+z^{2}\right) \geq(x+y+z)^{2} \geq 3(x y+y z+z x)

  • x2y2+y2z2+z2y2≥xyz(x+y+z)+3(x4+y4+z4)≥(xy+yz+zx)2≥3xyz(x+y+z)x^{2} y^{2}+y^{2} z^{2}+z^{2} y^{2} \geq x y z(x+y+z)+3\left(x^{4}+y^{4}+z^{4}\right) \geq(x y+y z+z x)^{2} \geq 3 x y z(x+y+z)

4. Các dạng bài tập bất đẳng thức Cô-si

Bài 1: Tìm giá trị nhỏ nhất của biểu thức A=x+7xA=x+\frac{7}{x} với x > 0.

**Lời giải: Áp dụng bất đẳng thức Cô si cho hai số x > 0 và ta có:

x+7x≥2x⋅7x=27x+\frac{7}{x} \geq 2 \sqrt{x \cdot \frac{7}{x}}=2 \sqrt{7}

Dấu “=” xảy ra khi và chỉ khi x=7x⇔x2=7⇔x=7x=\frac{7}{x} \Leftrightarrow x^{2}=7 \Leftrightarrow x=\sqrt{7} (do x>0).

Vậy min⁡A=27⇔x=7.\min A=2 \sqrt{7} \Leftrightarrow x=\sqrt{7}.

Bài 2: Cho x>0,y>0x>0, y>0 thỏa mãn điều kiện 1x+1y=12.\frac{1}{x}+\frac{1}{y}=\frac{1}{2}. Tìm giá trị lớn nhất của biểu thức A=x+y.A=\sqrt{x}+\sqrt{y}.

Lời giải: Áp dụng bdt Cosi ta có

1x+1y≥21x⋅1y⇔12≥2xy⇔xy≥4\frac{1}{x}+\frac{1}{y} \geq 2 \sqrt{\frac{1}{x} \cdot \frac{1}{y}} \Leftrightarrow \frac{1}{2} \geq \frac{2}{\sqrt{x y}} \Leftrightarrow \sqrt{x y} \geq 4

Lại có, áp dụng bất đẳng thức Cô si cho hai số (x>0, y>0) ta có:

x+y≥2xy=24=4\sqrt{x}+\sqrt{y} \geq 2 \sqrt{\sqrt{x y}}=2 \sqrt{4}=4

Dấu “=” xảy ra khi và chỉ khi

{x=y1x+1y=12⇔x=y=4.\left\{\begin{array}{l} x=y \\ \frac{1}{x}+\frac{1}{y}=\frac{1}{2} \end{array} \right. \Leftrightarrow x=y=4.

Vậy min⁡A=4\min A = 4 khi và chỉ khi x=y=4.x = y = 4.

Bài 3: Ví dụ: Cho aa, bb là số dương thỏa mãn a2+b2=2.a^{2}+b^{2}=2. Chứng minh rằng

(a+b)5≥16ab(1+a2)(1+b2)(a+b)^{5} \geq 16 a b \sqrt{\left(1+a^{2}\right)\left(1+b^{2}\right)}

Lời giải: Ta có (a+b)5=(a2+2ab+b2)(a3+3ab2+3a2b+b3)(a+b)^{5}=\left(a^{2}+2 a b+b^{2}\right)\left(a^{3}+3 a b^{2}+3 a^{2} b+b^{3}\right)

Áp dụng bdt Côsi ta có

a2+2ab+b2≥22ab(a2+b2)=4ab vaˋ (a3+3ab2)+(3a2b+b3)≥2(a3+3ab2)(3a2b+b3)=4ab(1+b2)(a2+1)\begin{aligned} &a^{2}+2 a b+b^{2} \geq 2 \sqrt{2 a b\left(a^{2}+b^{2}\right)}=4 \sqrt{a b} \text { và } \\ &\left(a^{3}+3 a b^{2}\right)+\left(3 a^{2} b+b^{3}\right) \geq 2 \sqrt{\left(a^{3}+3 a b^{2}\right)\left(3 a^{2} b+b^{3}\right)}=4 \sqrt{a b\left(1+b^{2}\right)\left(a^{2}+1\right)} \end{aligned}

Suy ra (a2+2ab+b2)(a3+3ab2+3a2b+b3)≥16ab(a2+1)(b2+1)\left(a^{2}+2 a b+b^{2}\right)\left(a^{3}+3 a b^{2}+3 a^{2} b+b^{3}\right) \geq 16 a b \sqrt{\left(a^{2}+1\right)\left(b^{2}+1\right)}

Do đó (a+b)5≥16ab(1+a2)(1+b2)(a+b)^{5} \geq 16 a b \sqrt{\left(1+a^{2}\right)\left(1+b^{2}\right)} (đpcm). Đẳng thức xảy ra khi và chỉ khi a=b=1.a=b=1.

Bài 4: Tìm GTLN của: y=x2(1−x),x∈(0,1)y=x^{2}(1-x) \quad, x \in(0,1)

Lời giải: Do x,1−x>0x, 1-x>0 nên áp dụng bất đẳng thức Cauchy ta có:

2y=x2(1−2x)=x⋅x⋅(1−2x)≤(x+x+1−2x3)3=127⇒y≤1542 y=x^{2}(1-2 x)=x \cdot x \cdot(1-2 x) \leq\left(\frac{x+x+1-2 x}{3}\right)^{3}=\frac{1}{27} \Rightarrow y \leq \frac{1}{54}

Dấu ‘=’ xảy ra ⇔x=1−2x⇔x=13.\Leftrightarrow x=1-2 x \Leftrightarrow x=\frac{1}{3}.

Vậy Max y=127y=\frac{1}{27} khi x=13x=\frac{1}{3}

Bài 5: Tìm GTNN của: y=x+1x−1,x>1.y=x+\frac{1}{x-1}, x>1.

Lời giải: Do x−1>0x-1>0 nên áp dụng bất đẳng thức Cauchy ta có:

y=(x−1)+1x−1+1≥2(x−1)⋅1x−1+1=3⇒y≥3y=(x-1)+\frac{1}{x-1}+1 \geq 2 \sqrt{(x-1) \cdot \frac{1}{x-1}}+1=3 \Rightarrow y \geq 3

Dấu ‘=’ xảy ra ⇔x−1=1x−1⇔x=2.\Leftrightarrow x-1=\frac{1}{x-1} \Leftrightarrow x=2.

Vậy Min y=3y=3 khi x=2.x=2.

Xem thêm Chọn điểm rơi trong bất đẳng thức Côsi (Cauchy).

Bài 6: Cho 3 số dương a,ba, b, c, hãy chứng minh:

(a+1b)(b+1c)(c+1a)≥8\left(a+\frac{1}{b}\right)\left(b+\frac{1}{c}\right)\left(c+\frac{1}{a}\right) \geq 8

Hướng dẫn giải: Áp dụng BĐT Cosi, ta có:

a+1b≥2ab;b+1c≥2bc;c+1a≥2ca\begin{aligned} a+\frac{1}{b} \geq 2 \sqrt{\frac{a}{b}};\\ b+\frac{1}{c} \geq 2 \sqrt{\frac{b}{c}};\\ c+\frac{1}{a} \geq 2 \sqrt{\frac{c}{a}} \end{aligned}

Nhân theo vế 3 bdt này ta được

(a+1b)(b+1c)(c+1a)≥8ab⋅bcca=8\left(a+\frac{1}{b}\right)\left(b+\frac{1}{c}\right)\left(c+\frac{1}{a}\right) \geq 8 \sqrt{\frac{a}{b}} \cdot \sqrt{\frac{b}{c}} \sqrt{\frac{c}{a}}=8

Đẳng thức xảy ra khi và chỉ khi a=b=c.a=b=c.

Bài 7: Cho a,b,c>0.a, b, c>0. Chứng minh:

a) a2+b2+4⩾2a+2b+aba^2+b^2+4 \geqslant 2a+2b+ab b) a(1+b)+b(1+c)+c(1+a)≥3abc3(1+abc3)a(1+b)+b(1+c)+c(1+a) \geq 3 \sqrt[3]{a b c}(1+\sqrt[3]{a b c}) c) ab−1+ba−1≤aba \sqrt{b-1}+b \sqrt{a-1} \leq a b với a,b≥1a, b \geq 1

**Lời giải: a) Áp dụng bât đẳng thức Cauchy ta có:

a2+4≥4ab2+4≥4ba2+b2≥2ab.\begin{aligned} &a^{2}+4 \geq 4 a \\ &b^{2}+4 \geq 4 b \\ &a^{2}+b^{2} \geq 2 a b. \end{aligned}

Cộng lại ta được:

2a2+2b2+8≥4a+4b+2ab2 a^{2}+2 b^{2}+8 \geq 4 a+4 b+2 a b

Dấu ‘=’ xảy ra ⇔a=b=2\Leftrightarrow a=b=2

b) Ta có :

a(1+b)+b(1+c)+c(1+a)=(a+b+c)+(ab+bc+ca)a(1+b)+b(1+c)+c(1+a)=(a+b+c)+(a b+b c+c a)

Áp dụng bất đẳng thức Cauchy :

a+b+c≥3abc3ab+bc+ca≥3a2b2c23\begin{aligned} &a+b+c \geq 3 \sqrt[3]{a b c} \\ &a b+b c+c a \geq 3 \sqrt[3]{a^{2} b^{2} c^{2}} \end{aligned}

Cộng lại ta được đpcm.

Dấu ‘=’ xảy ra ⇔a=b=c.\Leftrightarrow a=b=c.

c) Ta có:

ab−1=aab−a≤a+ab−a2=ab2a \sqrt{b-1}=\sqrt{a} \sqrt{a b-a} \leq \frac{a+a b-a}{2}=\frac{a b}{2}

Tương tự:

ba−1≤ab2b \sqrt{a-1} \leq \frac{a b}{2}

Cộng lại ta được điều phải chứng minh.

Dấu ‘=’ xảy ra ⇔a=b=2.\Leftrightarrow a=b=2.

Bài 8: Chứng minh với ba số a,b,ca, b, c không âm thỏa mãn a+b+c=3a + b + c = 3 thì:

ab+c+bc+a+ca+b≥32\frac{a}{b+c}+\frac{b}{c+a}+\frac{c}{a+b} \geq \frac{3}{2}

Nhận xét: Bài toán đạt được dấu bằng khi và chỉ khi a=b=c=1.a = b = c = 1.

Ta sẽ sử dụng phương pháp làm trội làm giảm như sau:

ab+c+b+c4+12a≥3ab+c⋅b+c4⋅12a3=3183=32\frac{a}{b+c}+\frac{b+c}{4}+\frac{1}{2 a} \geq 3 \sqrt[3]{\frac{a}{b+c} \cdot \frac{b+c}{4} \cdot \frac{1}{2 a}}=3 \sqrt[3]{\frac{1}{8}}=\frac{3}{2}

Tương tự ta có bc+a+c+a4+12b≥32\frac{b}{c+a}+\frac{c+a}{4}+\frac{1}{2 b} \geq \frac{3}{2} và ca+b+a+b4+12c≥32.\frac{c}{a+b}+\frac{a+b}{4}+\frac{1}{2 c} \geq \frac{3}{2}.

Cộng vế với vế ta có:

ab+c+b+c4+12a+bc+a+c+a4+12b+ca+b+a+b4+12c≥3⋅32=92⇔ab+c+bc+a+ca+b+2(a+b+c)4+ab+bc+ca2abc≥92⇔ab+c+bc+a+ca+b+a+b+c2+a+b+c2≥92⇔ab+c+bc+a+ca+b≥92−3=32\begin{aligned} \frac{a}{b+c}+\frac{b+c}{4}+\frac{1}{2 a}+\frac{b}{c+a}+\frac{c+a}{4}+\frac{1}{2 b}+\frac{c}{a+b}+\frac{a+b}{4}+\frac{1}{2 c} & \geq 3 \cdot \frac{3}{2}=\frac{9}{2} \\ \Leftrightarrow \frac{a}{b+c}+\frac{b}{c+a}+\frac{c}{a+b}+\frac{2(a+b+c)}{4}+\frac{a b+b c+c a}{2 a b c} & \geq \frac{9}{2} \\ \Leftrightarrow \frac{a}{b+c}+\frac{b}{c+a}+\frac{c}{a+b}+\frac{a+b+c}{2}+\frac{a+b+c}{2} & \geq \frac{9}{2} \\ \Leftrightarrow \frac{a}{b+c}+\frac{b}{c+a}+\frac{c}{a+b} &\geq \frac{9}{2}-3=\frac{3}{2} \end{aligned}

Dấu “=” xảy ra khi và chỉ khi a=b=c=1.a = b = c = 1.

NHỚ LẠI · ĐỐI CHIẾU · ÔN TẬP

Tự kiểm tra kiến thức

Các thẻ lấy từ nội dung bài học. Với câu điền khuyết, bấm vào dấu “…” để chọn cụm từ phù hợp; với thẻ nhớ lại, em tự đối chiếu và đánh giá.

✦ Mẹo học tập

Học từng chút một, nghỉ ngơi đều đặn.