Nội dung

SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM KỸ THUẬT GIẢM BIẾN TRONG BÀI TOÁN TÌM GTNN – GTLN CỦA MỘT BIỂU THỨC Phần mở đầu 1. Bối cảnh của đề tài Bài toán tìm giá trị nhỏ nhất (GTNN), giá trị lớn nhất (GTLN) của một biểu thức nhiều biến là một bài toán bất đẳng thức và đây là một trong những dạng toán khó ở chương trình phổ thông. Trong đề thi tuyển sinh Đại học, Cao đẳng hàng năm, nội dung này thường xuất hiện ở dạng câu khó nhất. Trong Sách giáo khoa Giải tích 12 thì chỉ trình bày cách tìm GTNN, GTLN của hàm số (tức biểu thức một biến số). Vì vậy, một số dạng bài toán tìm GTNN, GTLN của một biểu thức chứa một biến trở nên đơn giản. Tuy nhiên thực tế, hầu hết học sinh là không giải quyết được cho bài toán từ hai biến trở lên, thậm chí còn có tâm lí không đọc đến. Qua quá trình giảng dạy lớp chuyên Toán và luyện thi Đại học tôi đã tích lũy được một số kinh nghiệm cho nội dung này. Các vấn đề trình bày trong sáng kiến kinh nghiệm là chuyên đề được ứng dụng trong giảng dạy lớp 11T2 chuyên Toán của trường THPT chuyên Thoại Ngọc Hầu và các lớp luyện thi Đại học. Sáng kiến kinh nghiệm này là sự tổng kết có chọn lọn các chuyên đề của bản thân đã viết ra trong thực tiễn giảng dạy cùng với sự đóng góp nhiệt tình của quý Thầy, Cô trong Tổ Toán – Tin trường THPT chuyên Thoại Ngọc Hầu. 2. Lý do chọn đề tài Đề tài này xuất phát từ những lí do sau:  Giúp học sinh có thêm kiến thức và tự tin hơn trong việc giải quyết bài toán khó này.  Giúp cho quý Thầy, Cô và các bạn đồng nghiệp dạy Toán có một tài liệu tham khảo trong quá trình giảng dạy bộ môn của mình. Và qua chuyên đề này tôi hy vọng quý Thầy, Cô và các bạn đồng nghiệp sẽ yêu thích hơn trong việc giảng dạy chuyên đề này. Thực tế một số Thầy, Cô không thích dạy, và kể cả những Thầy, Cô nhiều năm luyện thi Đại học cũng không đi sâu lắm về chuyên đề này. 3. Phạm vi và đối tượng nghiên cứu - Đề tài này có thể áp dụng rộng rãi cho tất cả giáo viên dạy Toán ở các trường trung học phổ thông tham khảo và các em học sinh lớp 12 ôn thi Đại học, Cao đằng. - Phạm vi nghiên cứu của đề tài này bao gồm: + Nhắc lại cách tìm GTNN, GTLN của hàm số thông qua một vài ví dụ. + Hệ thống một số dạng bài toán tìm GTNN, GTLN của một biểu thức chứa hai biến bằng cách thế một biến qua biến còn lại. + Hệ thống một số dạng bài toán tìm GTNN, GTLN của một biểu thức chứa hai biến bằng cách đặt ẩn phụ theo tính đối xứng t = x + y , t = x 2 + y 2 hoặc t = xy . + Hệ thống một số dạng bài toán tìm GTNN, GTLN của một biểu thức chứa hai biến bằng cách đặt ẩn phụ theo tính đẳng cấp t = x .. y + Hệ thống một số dạng bài toán tìm GTNN, GTLN của một biểu thức chứa ba biến bằng cách đặt ẩn phụ hoặc thế hai biến qua một biến còn lại. 4. Mục đích nghiên cứu Bản thân nghiên cứu đề tài này nhằm mục đích: - Chia sẻ với quý Thầy, Cô, các bạn đồng nghiệp và các em học sinh kinh nghiệm để giải quyết bài toán tìm GTNN, GTLN trong đề thi tuyển sinh Đại học. - Bản thân nhằm rèn luyện chuyên môn nhằm nâng cao nghiệp vụ sư phạm. - Hưởng ứng phong trào viết sáng kiến kinh nghiệm của trường THPT chuyên Thoại Ngọc Hầu. 5. Cấu trúc SKKN Sáng kiến được chia thành ba phần : Phần mở đầu Phần nội dung: gồm 3 chương Chương 1. Giá trị nhỏ nhất, giá trị lớn nhất của hàm số Chương 2. Kỹ thuật giảm biến trong bài toán tìm GTNN, GTLN của biểu thức Chương 3. Một số bài toán trong các đề thi tuyển sinh Đại học Phần kết luận Phần nội dung Chương I GIÁ TRỊ NHỎ NHẤT , GIÁ TRỊ LỚN NHẤT CỦA HÀM SỐ này chúng tôi trình bày lại một số kiến thức về đạo hàm và I.1. Trong Một sốmục kiến thức cơ sơ về đạo hàm một số công thức về đạo hàm. 1.1 Định lí. Giả sử D là một khoảng hay hợp các khoảng. Nếu hai hàm số u = u (x ) và v = v (x ) có đạo hàm trên D thì (u + v )¢ = (uv )¢ = u ¢+ v ¢; (u - v )¢ = u ¢v + uv ¢; (ku )¢ = (uv )¢ = u ¢v - uv ¢ v2 u ¢- v ¢; ku ¢; , với v (x ) ¹ 0 1.2.Định lý. Đạo hàm của một số hàm số thường gặp (c )¢ = ( c là hàng số) 0 (x )¢ = (x n )¢ = 1 nx n - 1 (x Î ¡ (x1 )¢ = ( x )¢ = - 1 2 x (e x )¢ = (x (cos x )¢ = (t an x )¢ = (co t x )¢ = - (1 + - ( u )¢ = > 0) (e u )¢ = ex (sin u )¢ = cos x (cos u )¢ = - sin x p 2 + kp ) cot 2 x )(x ¹ k p ) (t an u )¢ = (co t u )¢ = u¢ u2 u¢ 2 u euu ¢ (ln u )¢ = > 0) 1 + t an 2 x (x ¹ nu n - 1u ¢ (u1 )¢ = 1 x2 (ln x )¢ = x1 (x (sin x )¢ = (u n )¢ = ) u¢ u u ¢cos u - u ¢sin u u ¢(1 + t an 2 u ) - u ¢(1 + co t 2 u ) 1.3 Nhận xét. Đạo hàm của một số hàm phân thức hữu tỉ thường gặp 1. Cho hàm số y = ax + b với a.c ¹ 0, ad - cb ¹ 0 . Ta có cx + d ax 2 + bx + c 2. Cho hàm số y = với a.m ¹ 0 . Ta có mx + n 3. Cho y ¢= a m hàm b 2 a x +2 n m số c b x+ p n 2 (mx 2 + nx + p ) y = c p ax 2 + bx + c mx 2 + nx + p y ¢= 2 b m amx 2 + 2anx + y ¢= với ad - cb (cx + d ) . c n 2 (mx + n ) a .m ¹ 0 . Ta . có . I.2. Giá trị nhỏ nhất, giá trị lớn nhất của hàm số Trong mục này chúng tôi trình bày lại một số kiến thức về bài toán tìm giá trị nhỏ nhất, giá trị lớn nhất của hàm số. 2.1 Định nghĩa. Giả sử hàm số f xác định trên tập hợp D Ì ¡ . a) Nếu tồn tại một điểm x 0 Î D sao cho f (x ) £ f (x 0 ) với mọi x Î D thì số M = f (x 0 ) được gọi là giá trị lớn nhất của hàm số f trên D , kí hiệu là M = max f (x ). xÎ D b) Nếu tồn tại một điểm x 0 Î D sao cho f (x ) ³ f (x 0 ) với mọi x Î D thì số m = f (x 0 ) được gọi là giá trị nhỏ nhất của hàm số f trên D , kí hiệu là m = min f (x ). xÎ D 2.1 Nhận xét. Như vậy, muốn chứng tỏ rằng số M (hoặc m ) là giá trị lớn nhất (hoặc giá trị nhỏ nhất) của hàm số f trên tập hợp D cần chỉ rõ : a) f (x ) £ M (hoặc f (x ) ³ m ) với mọi x Î D ; b) Tồn tại ít nhất một điểm x 0 Î D sao cho f (x 0 ) = M (hoặc f (x 0 ) = m ). 2.2 Nhận xét. Người ta đã chứng minh được rằng hàm số liên tục trên một đoạn thì đạt được giá trị nhỏ nhất và giá trị lớn nhất trên đoạn đó. Trong nhiều trường hợp, có thể tìm giá trị lớn nhất và giá trị nhỏ nhất của hàm số trên một đoạn mà không cần lập bảng biến thiên của nó. Quy tắc tìm giá trị nhỏ nhất, giá trị lớn nhất của hàm f trên đoạn ëéa;b ùû như sau : 1. Tìm các điểm x 1, x 2,..., x n thuộc khoảng (a;b ) mà tại đó f có đạo hàm bằng 0 hoặc không có đạo hàm. 2. Tính f (x 1 ), f (x 2 ),..., f (x n ), f (a ) và f (b ). 3. So sánh các giá trị tìm được. Số lớn nhất trong các giá trị đó là giá trị lớn nhất của f trên đoạn éëa;b ùû, số nhỏ nhất trong các giá trị đó là giá trị nhỏ nhất của f trên đoạn éëa;b ùû. I.3. Một số thí dụ tìm GTNN, GTLN của hàm số Trong mục này chúng tôi trình bày một số ví dụ tìm giá trị nhỏ nhất, giá trị lớn nhất của hàm số. Thí dụ 1 ( Đề thi tuyển sinh Đại học khối B – 2003) Tìm giá trị nhỏ nhất và giá trị lớn nhất của hàm số f (x ) = x + 4 - x 2 Lời giải. Tập xác định D = ëé- 2;2 ùû, f ¢(x ) = 1 - x 4 - x2 , f ¢(x ) = 0 Û x = 2 Bảng biến thiên - 2 t f ¢(t ) + 2 0 2 - 2 2 f (t ) - 2 2 Từ bảng biến thiên ta có min f (x ) = f (- 2 ) = - 2 và max f (x ) = f ( 2 ) = 2 2 . x Î é- 2;2 ù x Î é- 2;2 ù ë ë û û Thí dụ 2. (Đề thi tuyển sinh Đại học khối B – 2004) Tìm giá trị lớn nhất và nhỏ nhất của hàm số y = ln 2 x trên đoạn éë1;e 3 ùû x 1 2 ln x . .x - ln 2 x ln x (2 - ln x ) x = Lời giải. Ta có y ¢ = x2 x2 Từ đó có bảng biến thiên : x y¢ 1 0 + 0 1;e 3 ú ëê û 4 e2 Û x = e 2 và min y = y (1 ) = 0 Û x = 1 é 3ù 1;e ú ëê û e3 - 4 e2 y Vậy max y = y (e 2 ) = é ù e2 0 9 e3 Bài tập tương tự Tìm giá trị nhỏ nhất và giá trị lớn nhất của hàm số 1) f (x ) = 2 1 - x 2 + 2 3 (1 - x 2 ) 2) f (x ) = 5 cos x - cos 5x với 3) f (x ) = 2 1- x4 + 1 + x2 + 1 + x2 + Hướng dẫn. Đặt t = p p £ x £ 4 4 1 - x2 + 3 1 - x2 + 1 1 + x2 + 1 - x 2 , với 2 £ t £ 2. CHƯƠNG II KỸ THUẬT GIẢM BIẾN TRONG BÀI TOÁN TÌM GIÁ TRỊ NHỎ NHẤT, GIÁ TRỊ LỚN NHẤT CỦA BIỂU THỨC Từ kết quả của Chương I chúng ta thấy rằng việc tìm GTNN, GTLN của hàm số khá đơn giản. Việc chuyển bài toán tìm GTNN, GTLN của một biểu thức không ít hơn hai biến sang bài toán tìm GTNN, GTLN của hàm số chứa một biến sẽ giúp chúng ta giả được bài toán tìm GTNN, GTLN của một biểu thức. II.1. Tìm GTNN, GTLN của biểu thức bằng phương pháp thế Trong phần này chúng tôi trình bày một số dạng bài toán tìm GTNN, GTLN của biểu thức chứa hai biến bằng cách thế một biến qua biến còn lại. Từ đó xét hàm số và tìm giá trị nhỏ nhất, giá trị lớn nhất của hàm số. Thí dụ 1. Cho x , y > 0 thỏa mãn x + y = P = Lời giải. Từ giả thiết x + y = 5 . Tìm giá trị nhỏ nhất của biểu thức 4 4 1 + 4y x 5 5 4 1 ta có y = - x . Khi đó P = + . 4 4 x 5 - 4x Xét hàm số f (x ) = æ 5ö 4 1 4 4 với x Î ççç 0; ÷÷÷. Ta có f ¢(x ) = - 2 + . + 2 x 5 - 4x è 4ø x (5 - 4x ) Bảng biến thiên 0 x 5 4 1 f ¢(x ) + 0 - +¥ f (x ) +¥ 5 Từ bảng biến thiên ta có min f (x ) = f (1 ) = 5 . æ ö 5 ÷ x Î ççç 0; ÷ ÷ è 4÷ ø 1 . 4 Do đó min P = 5 đạt được khi x = 1, y = Thí dụ 2. Cho x , y Î ¡ thỏa mãn y £ 0, x 2 + x = y + 12 . Tìm giá trị nhỏ nhất, giá trị lớn nhất của biểu thức P = xy + x + 2y + 17 . Lời giải. Từ giả thiết y £ 0, x 2 + x = y + 12 ta có y = x 2 + x - 12 và x 2 + x - 12 £ 0 hay - 4 £ x £ 3 . Khi đó P = x 3 + 3x 2 - 9x - 7 . Xét hàm số 2 f (x ) = x 3 + 3x 2 - 9x - 7, x Î ëé- 4; 3 ù û. Ta có f ' (x ) = 3 (x + 2x - 3 ) . Ta có bảng biến thiên x f ¢(x ) - 4 - 3 0 20 + f (x ) 1 0 - 3 + 20 - 13 - 12 Từ bảng biến thiên ta có min f (x ) = f (1 ) = - 12 , max f (x ) = f (- 3 ) = f (3 ) = 20 . é ù é ù x Î ë- 4;3 û x Î ë- 4;3 û Do đó min P = - 12 đạt được khi x = 1, y = - 10 và max P = 20 đạt được khi x = - 3, y = - 6 hoặc x = 3, u = 0 . Thí dụ 3. Cho x , y > 0 thỏa mãn x + y = 1 . Tìm giá trị nhỏ nhất của biểu thức x P = 1- x + y 1- y Lời giải. Từ giả thiết x , y > 0 , x + y = 1 ta có y = 1 - x , 0 < x < 1 . Khi đó ta có P = Xét hàm số f (x ) = x 1- x + x 1- x 1- x x + . 1- x x f ¢(x ) x , f ¢(x ) = 0 - 2- x 2 (1 - x ) 1 - x 1 2 0 - 1 + x+ 1 2x x . Bảng biến thiên æ1 ö Từ bảng biến thiên suy ra min P = min f (x ) = f ççç ÷÷÷ = x Î (0;1 ) è2 ø x = y = 2 đạt được khi 1 . 2 Nhận xét. Qua ba thí dụ này cho ta một kỹ thuật giảm biến khi tìm GTNN, GTLN của biểu thức hai biến bằng cách thế một biến qua biến còn lại và sử dụng các giả thiết để đánh giá biến còn lại. Từ đó tìm GTNN, GTLN của hàm số chứa một biến bị chặn. Bài tập tương tự 1/ Cho x , y Î éë- 3;2 ùû thỏa mãn x 3 + y 3 = 2 . Tìm giá trị nhỏ nhất, giá trị lớn nhất của biểu thức P = x 2 + y 2 . 2/ Cho x , y ³ 0 thỏa mãn x + y = 1 . Tìm giá trị nhỏ nhất, giá trị lớn nhất của biểu thức P = x y + y+ 1 x+ 1 3/ Cho x , y > 0 thỏa mãn x + y = 1 . Tìm giá trị nhỏ nhất của biểu thức P = x2 + y2 + 4/ Cho 1 1 + 2 2 x y x + y = 1. Tìm giá trị nhỏ nhất của biểu thức P = x 3 + y 3 + 3 (x 2 - y 2 ) + 3 (x + y ) 5/ Cho a, b, x , y Î ¡ thỏa mãn 0 < a, b £ 4 , a + b £ 7 và 2 £ x £ 3 £ y . Tìm giá trị nhỏ nhất của biểu thức P = 2x 2 + y 2 + 2x + y xy (a 2 + b2 ) Hướng dẫn. Tìm giá trị lớn nhất của Q = a 2 + b2 là M , xét hàm số 2x 2 + y 2 + 2x + y với ẩn y và x là tham số, tìm giá trị nhỏ nhất xy .M của g (y ) là h (x ). Sau đó tìm giá trị nhỏ nhất của hàm số h (x ) với x Î ëé2; 3 ùû. g (y ) = f (x , y ) = 6/ Cho x , y Î ¡ thỏa mãn x 3 £ y . Tìm giá trị nhỏ nhất của biểu thức P = x 2 + y 2 - 8x + 16 . Hướng dẫn. Nếu x > 0 thì x 6 £ y 2 từ đó xét hàm số f (x ) = x 6 + x 2 - 8x + 16 . Nếu x £ 0 thì x 2 + y 2 - 8x + 16 ³ 16 với mọi x £ 0, x 3 £ y . 7/ Cho x , y Î (0;1 ) thỏa mãn x + y = 1 . Tìm giá trị nhỏ nhất của biểu thức P = xx + yy . Hướng f (x ) + f (y ) 2 Xét dẫn. hàm số f (x ) = x x , x Î æx + y ö÷ ³ f çç ÷. çè 2 ÷ ø 1- x P = x x + (1 - x ) (0;1 ). Chứng Ta æ1 ö = f (x ) + f (1 - x ) ³ 2 f çç ÷ ÷= çè 2 ÷ ø minh có 2. 8/ Cho x , y > 0 thỏa mãn x + y = 2 . Chứng minh rằng xy £ x x y y II.2. Tìm GTNN, GTLN của biểu thức có tính chất đối xứng Trong phần này chúng tôi trình bày một số dạng bài toán tìm GTNN, GTLN của biểu thức chứa hai biến mà giả thiết hoặc biểu thức đó thể hiện tính đối xứng. Từ đó bằng phép đặt ẩn phụ ta chuyển về bài toán tìm G của hàm số. Thí dụ 1. Cho x 2 + y 2 = x + y . Tìm giá trị nhỏ nhất, giá trị lớn nhất của biểu thức P = x 3 + y 3 + x 2y + xy 2 Lời giải. 2 Đặt t = x + y , từ giả thiết x 2 + y 2 = x + y ta có 2xy = (x + y ) - (x + y ) = t 2 - t hay xy = t2 - t . Áp dụng bất đẳng thức 2 2 (x + y ) £ 2 (x 2 + y 2 ) = 2 (x + y ) hay 3 t 2 £ 2t suy ra 0 £ t £ 2 . Khi đó biểu thức P = (x + y ) - 2xy (x + y ) = t 2 . Do đó ta có max P = 4 đạt được khi t = 2 hay x + y = 2 và xy = 1 suy ra x = 1 và y = 1 , ta có min P = 0 đạt được khi t = 0 hay x = y = 0 . Nhận xét. Bài toán này giả thiết và biểu thức P được cho dưới dạng đối xứng với hai biến. Vì vậy, chúng ta nghĩ đến cách đổi biến t = x + y . Nhưng để giải bài toán trọn vẹn thì phải tìm điều kiện của biến t . Sau đây là một số bài toán với định hướng tương tự. Thí dụ 2. Cho x , y > 0 thỏa mãn x 2 + xy + y 2 = 1 . Tìm giá trị lớn nhất của biểu thức P = xy x+ y+ 1 Lời giải. Đặt t = x + y . Từ giả thiết x , y > 0 và x 2 + xy + y 2 = 1 suy ra 2 xy = t 2 - 1 . Áp dụng bất đẳng thức (x + y ) ³ 4xy suy ra 0 < t £ Khi đó P = t - 1 £ 3- 3 . 3 1 3 .