mot phuong phap giai bdt ham

9
Gi£i mºt sL d/ng toán liên quan đ‚n b§t đflng thøc hàm b‹ng phương pháp chuy”n qua gii h/n Trnh Đào Chi‚n Trưng Cao đflng Sư ph/m Gia Lai Phương pháp chuy”n qua gii h/n dãy sL đôi khi khá hœu hi»u trong vi»c gi£i mºt sL d/ng toán liên quan đ‚n b§t đflng thøc hàm. Bài vi‚t đ• c“p đ‚n phương pháp này thông qua mºt sL bài toán minh ha. 1. Mºt sL d/ng toán gi£i b§t phương trình hàm. Bài toán 1.1. Tìm t§t c£ các hàm f : R R + tha mãn các đi•u ki»n sau f (x) 1+ x, x, y R; (1) f (x + y) f (x) f (y) , x, y R. (2) Gi£i. Trưc h‚t, lưu ý r‹ng f (x) > 0, x R. Trong (1), cho x =0 ta có f (0) 1. Trong (2), cho x = y =0 ta có f (0) f 2 (0), suy ra f (0) 1. Do đó f (0) = 1. Đi•u ki»n (2) suy ra r‹ng f (x 1 + x 2 + ... + x n ) f (x 1 ) f (x 2 ) ...f (x n ), vi mØi x i R, 1 i n. Do đó f (x)= f ( x n + ... + x n ) f n ( x n ) , vi mØi x R n N * . K‚t hæp vi đi•u ki»n (2), ta có f (x) f n ( x n ) ( 1+ x n ) n . Tl b§t đflng thøc này, cho n →∞, ta có f (x) e x . Hơn nœa, ta có 1= f (0) = f (x +(-x)) f (x) f (-x) e x e -x =1. Do đó f (x)= e x . Thß l/i ta th§y hàm này tha mãn đi•u ki»n bài toán. Bài toán 1.2. Chøng minh r‹ng không tn t/i hàm f : R + R + sao cho f (x + y) f (x)+ y.f (f (x)) , x, y R + . (3) Gi£i. Gi£ sß r‹ng tn t/i hàm f tha mãn đi•u ki»n cıa bài toán. Trong (3), cho x =1 và thay y bi x ta đưæc f (1 + x) f (1) + x.f (f (1)). Đi•u này suy ra r‹ng lim x+f (x)=+, và do đó lim x+f (f (x)) = +. Mt khác, trong (3), cho y =1, ta đưæc f (x + 1) f (x)+ f (f (x)) , x R + . (4) Đi•u này suy ra r‹ng lim x+(f (x + 1) - f (x)) = +. Do đó, tn t/i x 0 R + sao cho f (x 0 + k) - f (x 0 + k - 1) > 2, k 1. (5) 1

Upload: popeye-nguyen

Post on 18-Nov-2015

214 views

Category:

Documents


1 download

DESCRIPTION

affffff

TRANSCRIPT

  • Gii mt s dng ton lin quan n bt ng thc hm

    bng phng php chuyn qua gii hn

    Trnh o Chin

    Trng Cao ng S phm Gia Lai

    Phng php chuyn qua gii hn dy s i khi kh hu hiu trong vic gii mt

    s dng ton lin quan n bt ng thc hm. Bi vit cp n phng php ny

    thng qua mt s bi ton minh ha.

    1. Mt s dng ton gii bt phng trnh hm.

    Bi ton 1.1. Tm tt c cc hm f : R R+ tha mn cc iu kin sau

    f (x) 1 + x, x, y R; (1)

    f (x+ y) f (x) f (y) , x, y R. (2)

    Gii.

    Trc ht, lu rng f (x) > 0, x R. Trong (1), cho x = 0 ta c f (0) 1.Trong (2), cho x = y = 0 ta c f (0) f 2 (0), suy ra f (0) 1. Do f (0) = 1.

    iu kin (2) suy ra rng f (x1 + x2 + ...+ xn) f (x1) f (x2) ...f (xn), vi mixi R, 1 i n. Do f (x) = f

    (xn+ ...+ x

    n

    ) fn

    (xn

    ), vi mi x R v n N.

    Kt hp vi iu kin (2), ta c f (x) fn(xn

    )(1 + x

    n

    )n. T bt ng thc ny, cho

    n , ta c f (x) ex. Hn na, ta c 1 = f (0) = f (x+ (x)) f (x) f (x) exex = 1.

    Do f (x) = ex. Th li ta thy hm ny tha mn iu kin bi ton.

    Bi ton 1.2. Chng minh rng khng tn ti hm f : R+ R+ sao cho

    f (x+ y) f (x) + y.f (f (x)) , x, y R+. (3)

    Gii.

    Gi s rng tn ti hm f tha mn iu kin ca bi ton.

    Trong (3), cho x = 1 v thay y bi x ta c f (1 + x) f (1) + x.f (f (1)). iuny suy ra rng lim

    x+f (x) = +, v do lim

    x+f (f (x)) = +.

    Mt khc, trong (3), cho y = 1, ta c

    f (x+ 1) f (x) + f (f (x)) , x R+. (4)

    iu ny suy ra rng limx+

    (f (x+ 1) f (x)) = +. Do , tn ti x0 R+ saocho

    f (x0 + k) f (x0 + k 1) > 2, k 1. (5)

    1

  • By gi, chn mt gi tr xc nh n N sao cho n x0 +1. Trong (5), cho k lnlt nhn cc gi tr 1, 2, ..., n v sau cng cc bt ng thc thu c, ta c

    f (x0 + n) f (x0) > 2n, n x0 + 1. (6)

    Hn na, v f (x0) > 0 nn vi cch chn n x0 + 1, ta c n > x0 + 1 f (x0). Do, bi (6), ta c

    f (x0 + n) > 2n+ f (x0) > x0 + n+ 1. (7)

    Th th, ta c

    f (f (x0 + n)) f (x0 + n+ 1) + (f (x0 + n) (x0 + n+ 1)) .f (f (x0 + n+ 1)) . (8)

    V f (f (x0 + n+ 1)) > 0 nn, bi (7), ta c

    f (x0 + n+ 1) + (f (x0 + n) (x0 + n+ 1)) .f (f (x0 + n+ 1)) > f (x0 + n+ 1) . (9)

    Hn na, bi (4), ta c

    f (x0 + n+ 1) f (x0 + n) + f (f (x0 + n)) . (10)

    Ngoi ra, v f (x0 + n) > 0 nn ta c

    f (x0 + n) + f (f (x0 + n)) > f (f (x0 + n)) . (11)

    Cui cng, t cc bt ng thc (8), (9), (10), (11), suy ra f (f (x0 + n)) >

    f (f (x0 + n)), mu thun. Ta c iu phi chng minh.

    Bi ton 1.3. Tm tt c cc hm s lin tc f : [0; 1] R tha mn iu kin

    f (x) 2xf(x2), x [0, 1] . (12)

    Gii.

    Trong (12), thay ln lt x = 0 v x = 1 ta c

    f (0) 0, f (1) 0. (13)

    Vi x [0;

    1

    2

    ), p dng (12) n ln, ta c

    f (x) 2xf(x2) 22x3f

    (x4) ... (2x)nx2nn1f

    (x2

    n), n N. (14)

    V x [0;

    1

    2

    )v f lin tc nn

    limn+

    ((2x)nx2

    nn1f(x2

    n))= 0. (15)

    2

  • T (14) v (15), ta c

    f (x) 0, x [0;

    1

    2

    ). (16)

    Mt khc, vi x (0; 1), bi (12), ta c f (x) 2

    xf (x). Suy ra

    f (x) f (x)

    2x ...

    f

    x 12n

    2nx1

    1

    2n

    . (17)

    M limn+

    f

    x 12n

    2nx1

    1

    2n

    = 0, nn bi (17), ta c

    f (x) 0, x (0; 1) . (18)

    T (16) v (18), ta c

    f (x) = 0, x [0;

    1

    2

    ). (19)

    Vi mi x [1

    2; 1

    ), tn ti n N sao cho x2n < 1

    2. Th th, bi (14) v (19), ta

    c f (x) 2nx2n1f(x2

    n)= 0. Do

    f (x) 0,x [1

    2; 1

    ). (20)

    Bi (18) v (20), ta c

    f (x) = 0, x [1

    2; 1

    ). (21)

    Bi (19) v (21), suy ra f (x) = 0, x [0; 1).Hn na, v hm f lin tc trn [0; 1] nn f (x) = 0, x [0; 1].Th li, ta thy f (x) = 0, x [0; 1] tha mn iu kin bi ton.Bi ton 1.4. Xt bt phng trnh hm

    f (x+ y) f (x) g (y) + f (y) g (x) , x, y R, (22)

    trong g (x) l mt hm gii ni, kh vi ti 0, g (0) = 1 v g (0) = k. Chng minh

    rng f (x) 0 l hm s duy nht tha mn bt phng trnh cho, vi iu kin

    limx0

    f (x)

    x= 0. (23)

    Gii. Gi s rng f (x) l nghim ca (22), vi iu kin (23).

    3

  • Th th, vi h > 0 nh, ta c f (x+ h) f (x) g (h)+f (h) g (x) hay f (x+ h)f (x) (g (h) 1) f (x) + f (h) g (x). Do

    f (x+ h) f (x)h

    g (h) g (0)h

    f (x) +f (h)

    hg (x) .

    Mt khc, ta c f (x) = f (x+ h h) f (x+ h) g (h) + f (h) g (x+ h) hayg (h) (f (x) f (x+ h)) g (h) f (x) f (x) + f (h) g (x+ h) .

    V hm g (x) kh vi ti 0 nn n lin tc ti im . Do , vi h > 0 nh, ta

    c g (h) > 0. Vy, vi h > 0 nh, ta c

    f (x+ h) f (x)h

    (g (h) 1) f (x) + f (h) g (x+ h)g (h)

    =g (h) g (0)h.g (h)

    f (x) +f (h)h.g (h)

    g (x+ h) .

    Vy vi h > 0 nh, t cc kt qu trn, ta c

    g (h) g (0)h

    f (x) +f (h)

    hg (x) f (x+ h) f (x)

    h

    g (h) g (0)h.g (h)

    f (x) +f (h)h.g (h)

    g (x+ h) .

    Tng t, bt ng thc trn cng ng i vi chiu ngc li, vi h < 0 nh. Do

    , bi iu kin (23), ta c

    f (x) = limh0

    f (x+ h) f (x)h

    tn ti v bng g (0) f (x) = kf (x), vi x R, v g (x) l mt hm gii ni.T , vi x R, ta c(

    f (x)

    ekx

    )=f

    (x) kf (x)

    ekx=kf (x) kf (x)

    ekx= 0.

    Do f (x) = Cekx (C l hng s). Hn na, t iu kin (2) suy ra rng C = 0.

    Vy f (x) 0 l hm s duy nht tha mn bt phng trnh cho, vi iu kin(23).

    2. Mt s dng ton lin quan n bt ng thc hm.

    Bi ton 2.1. Gi s f : R+ R+ l hm tha mn iu kin

    f (2x) > x+ f (f (x)) , x R+. (24)

    Chng minh rng f (x) > x, x R+.

    4

  • Gii. Bi (24), ta c

    f (x) >x

    2+ f

    (f(x2

    ))>x

    2, x R+. (25)

    Gi s rng

    f (x) > anx, x R+, (26)

    trong an l hng s. Th th, bi (24), (25), (26), ta c

    f (x) >x

    2+ f

    (f(x2

    ))>x

    2+ anf

    (x2

    )>

    1 + an2

    2x.

    Xt dy (an)n=1 xc nh bi

    a1 =1

    2, an+1 =

    1 + an2

    2, n > 1.

    Th th an+1 an =(1 an)2

    2> 0, ngha l (an)

    n=1 l mt dy tng. Hn na,

    d thy rng an < 1, vi mi n > 1. Suy ra dy l hi t v nu k hiu a l gii

    hn ca n th a =1 + a2

    2, ngha l a = 1. Do , cho n th t bt ng thc

    f (x) >1 + an

    2

    2x, ta c f (x) > x, x R+. Ta c iu phi chng minh.

    Bi ton 2.2. Gi s f : R R l hm tha mn cc iu kin

    f 2 (x) 2x2f(x2

    ),x R; f (x) 1, x (1, 1) .

    Chng minh rng f (x) x2

    2, x R.

    Gii.

    D thy rng f (0) = 0. Do , ta ch cn chng minh bt ng thc vi x 6= 0.

    t g (x) =2f (x)

    x2, vi x 6= 0. Th th g2 (x) g

    (x2

    )v do g2

    n(x) g

    ( x2n

    ), vi

    x 6= 0 v n N. Ch rng, g (x) g2 (2x) 0. Do , ta c

    g (x) 2ng( x2n

    )= 2

    n

    2f( x2n

    )( x2n

    )2 2n

    22n+1

    x2,

    vx

    2n (1, 1). By gi cho n v s dng kt qu lim

    n

    n

    2n= 0, ta thu c

    g (x) 1. Do f (x) x2

    2, x R.

    Bi ton 2.3. Gi s F l tp tt c cc hm s f : R+ R+ tha mn bt ngthc

    f (3x) f (f (2x)) + x, x R+. (27)

    5

  • Tm s thc a ln nht sao cho vi mi hm f F , ta lun c

    f (x) ax. (28)

    Gii.

    D thy rng f (x) =x

    2tha mn (27), nn f (x) =

    x

    2 F . Thay f (x) = x

    2vo

    (28), ta suy ra a 12.

    V f (x) > 0, x > 0, nn t (27) ta c

    f (x) = f

    (3x

    3

    ) f

    (f

    (2x

    3

    ))+x

    3>x

    3, x > 0. (29)

    Ta xc nh mt dy (an) nh sau

    a1 =1

    3; an+1 =

    2an2 + 1

    3, n 1. (30)

    D dng kim tra rng

    0 < an 0, n 1.

    Do , (an) l dy s dng, tng nghim ngt v b chn bi1

    2.

    Vy dy (an) hi t. Gi s limn

    an = . Th th, bi (30) v (31), ta c =22 + 1

    3

    hay =1

    2.

    By gi ta cn chng minh rng, vi mi n 1, ta lun c

    f (x) anx, x > 0. (32)

    Tht vy, bi (29) nn (32) ng vi n = 1. Gi s (32) ng vi n = k 1, nghal

    f (x) akx, x > 0. (33)

    Khi , bi (27) v (33), ta c

    f (x) f(f

    (2x

    3

    ))+x

    3 ak.f

    (2x

    3

    )+x

    3

    ak2.2x

    3+x

    3=

    2ak2 + 1

    3.x ak+1x, x > 0.

    Vy (32) ng vi n = k + 1. Do , (32) ng vi mi n 1.

    6

  • T cc iu trn suy ra rng, vi mi hm f F , ta lun c f (x) 12x.

    Tm li, gi tr ca a cn tm l a =1

    2.

    Bi ton 2.4. Tm tt c cc hm s f : [1,) [1,) tha mn cc iu kinsau

    f (x) 2 (1 + x) , x 1; (34)

    xf (x+ 1) = f 2 (x) 1, x 1. (35)

    Gii. Bi cc gi thit (34) v (35), ta c

    f (x) =xf (x+ 1) + 1

    2x (x+ 2) + 1

    x, x 1.

    Bng phng php quy np, ta chng minh c rng

    f (x) > x1

    1

    2n , x 1, n 1. (38)

    V1

    2n 0 khi n, nn bi (38) ta c

    f (x) x, x 1. (39)

    By gi, bi (35) v (39), ta c

    f (x) =xf (x+ 1) + 1

    x (x+ 1) + 1 > x+

    1

    2, x 1.

    Bng phng php quy np, ta chng minh c rng

    f (x) > x+

    (1 1

    2n

    ), x 1, n 1. (40)

    V1

    2n 0 khi n, nn t (40) ta c

    f (x) x+ 1, x 1. (41)

    7

  • Bi (37) v (41), ta suy ra f (x) = x+ 1, x 1.Th li, ta thy hm s f (x) = x+ 1, x 1, tha mn iu kin bi ton.

    Bi tp.

    Bi 1. Gi f : R R l hm s tha mn iu kin

    |f (x+ y) f (x) f (y)| 1, x, y R.

    Chng minh rng tn ti hm s g : R R tha mn cc iu kin sau

    i) |f (x) g (x)| 1, x R;

    ii) g (x+ y) = g (x) + g (y) , x, y R.

    Hng dn gii. Hm g (x) = limn+

    f (2nx)

    2nl hm cn tm.

    Bi 2. Chng minh rng khng tn ti hm s f : R R tha mn iu kin

    f (x) + f (y)

    2 f

    (x+ y

    2

    )+ |x y| , x, y R.

    Hng dn gii. Gi s tn ti hm s f tha mn iu kin bi ton. Ta chng

    minh c bt ng thc

    f (x) + f (y)

    2 f

    (x+ y

    2

    )+ 2n |x y| , x, y R, n 0.

    V 2n +, khi n +, nn dn n iu mu thun.Bi 3. Cho hm s f : R R+ tha mn iu kin

    3f (x)

    3f (x) 9

    4f

    (4x

    3

    ) 1, x R.

    Tm s thc k ln nht sao cho f (x) k, vi mi x R.Hng dn gii. Xt dy s (un) xc nh nh sau

    u1 =4

    9, un+1 =

    4

    9+

    8

    9

    3un, n 1.

    Dy s ny tng v b chn trn nn tn ti gii hn, gii hn l4

    3. Suy ra k =

    4

    3.

    Gia Lai, 8/ 3/ 2013

    T..C

    8

  • TI LIU THAM KHO[1]. Nguyn vn Mu, Bt ng thc, nh l v p dng, Nh xut bn Gio dc,

    2006.

    [2]. IH-Ching, On some functional inequalities, 129 - 135, Aequationes Mathemat-

    icae, Vol. 9, 1973.

    [3]. Titu Andresscu, Iurie Boreico, Functional equations - 17 Chapters and 199

    Problems with solution, Electronic Edition, 2007.

    [4]. Mt s Tp ch Ton hc v Tui tr.

    9