Inequality 14

Cho a,b,c là các số thực không âm phân biệt.  Tìm giá trị nhỏ nhất của biểu thức:

P=(a^2+b^2+c^2)\left[\dfrac{1}{(a-b)^2}+\dfrac{1}{(b-c)^2}+\dfrac{1}{(c-a)^2}\right]

Lời giải

Giả sử c=\min \left\{a,b,c\right\}. Ta có: 0<a-c\le a, 0<b-c\le b

Do đó:

P\ge (a^2+b^2)\left[\dfrac{1}{(a-b)^2}+\dfrac{1}{a^2}+\dfrac{1}{b^2}\right]=\dfrac{a^2+b^2}{(a-b)^2}+(a^2+b^2)\left(\dfrac{1}{a^2}+\dfrac{1}{b^2}\right)

Đặt x=\dfrac{a}{b}+\dfrac{b}{a}>2. Ta có:

\dfrac{a^2+b^2}{(a-b)^2}=\dfrac{a^2+b^2}{a^2+b^2-2ab}=\dfrac{\dfrac{a}{b}+\dfrac{b}{a}}{\dfrac{a}{b}+\dfrac{b}{a}-2}=\dfrac{x}{x-2}

(a^2+b^2)\left(\dfrac {1}{a^2}+\dfrac{1}{b^2}\right)=\dfrac{a^2}{b^2}+\dfrac{b^2}{a^2}+2=\left(\dfrac{a}{b}+\dfrac{b}{a}\right)^2=x^2

Suy ra: P\ge \dfrac{x}{x-2}+x^2

Xét hàm số f(x)=\dfrac{x}{x-2}+x^2 với x>2

Ta có: f'(x)=\dfrac{2(x-1)(x^2-3x+1)}{(x-2)^2}

Lập bảng biến thiên ta thấy f(x)\ge f\left(\dfrac{3+\sqrt{5}}{2}\right)=\dfrac{11+5\sqrt{5}}{2}

Vậy giá trị nhỏ nhất của P bằng \dfrac{11+5\sqrt{5}}{2}.

Dấu "=" xảy ra khi và chỉ khi \dfrac{a}{b}+\dfrac{b}{a}=\dfrac{3+\sqrt{5}}{2},c=0 và các hoán vị \blacksquare.