Bài 5: Bất đẳng thức và tính chất
Nắm vững khái niệm bất đẳng thức, thứ tự trên trục số thực, tính chất bắc cầu, liên hệ giữa thứ tự và phép cộng, phép nhân số dương và số âm.
Trong giao thông đường bộ, để đảm bảo an toàn, các phương tiện khi lưu thông phải tuân thủ nghiêm ngặt các quy định về tốc độ. Biển báo giao thông bên cạnh gồm có:
- Biển báo P.127c: Quy định tốc độ tối đa cho phép theo từng làn đường (ví dụ: làn trong cùng tối đa $60\text{ km/h}$, làn bên cạnh tối đa $50\text{ km/h}$).
- Biển báo R.306: Quy định tốc độ tối thiểu cho phép (ví dụ: các phương tiện không được chạy dưới $60\text{ km/h}$).
Nếu một ô tô di chuyển với tốc độ $v\text{ (km/h)}$ trên làn đường tương ứng thì $v$ phải thoả mãn những điều kiện toán học nào?
Bất đẳng thức
Nhắc lại thứ tự trên tập số thực $\mathbb{R}$, khái niệm bất đẳng thức và tính chất bắc cầu
Nhắc lại về thứ tự trên tập số thực
Với hai số thực $a$ và $b$, ta luôn có một và chỉ một trong ba trường hợp sau xảy ra:
Trên trục số nằm ngang có chiều dương từ trái sang phải, nếu $a < b$ thì điểm $a$ nằm ở bên trái điểm $b$.
Các quy ước ký hiệu:
• Ký hiệu $a \le b$ có nghĩa là $a < b$ hoặc $a = b$ (đọc là "$a$ nhỏ hơn hoặc bằng $b$" hoặc "$a$ không lớn hơn $b$").
• Ký hiệu $a \ge b$ có nghĩa là $a > b$ hoặc $a = b$ (đọc là "$a$ lớn hơn hoặc bằng $b$" hoặc "$a$ không nhỏ hơn $b$").
• $a > 0 \iff a$ là số dương; $a < 0 \iff a$ là số âm; $a \ge 0 \iff a$ là số không âm; $a \le 0 \iff a$ là số không dương.
Hệ thức có dạng $a < b$ (hay $a > b, a \le b, a \ge b$) được gọi là một bất đẳng thức. Trong đó:
- $a$ được gọi là vế trái, $b$ được gọi là vế phải của bất đẳng thức.
- Hai bất đẳng thức $a < b$ và $c < d$ (hoặc $a > b$ và $c > d$) được gọi là cùng chiều.
- Hai bất đẳng thức $a < b$ và $c > d$ (hoặc $a > b$ và $c < d$) được gọi là ngược chiều.
a) $-3 < 5$;
b) $x^2 + 1 \ge 0$;
c) $2x - 3 \le 5$.
Xem lời giải chi tiết
• a) Với bất đẳng thức $-3 < 5$: Vế trái là $-3$, vế phải là $5$. Đây là bất đẳng thức đúng vì số âm $-3$ luôn nhỏ hơn số dương $5$.
• b) Với bất đẳng thức $x^2 + 1 \ge 0$: Vế trái là $x^2 + 1$, vế phải là $0$. Do $x^2 \ge 0$ với mọi số thực $x$, nên $x^2 + 1 \ge 1 > 0$ với mọi $x$. Do đó đây là bất đẳng thức đúng với mọi giá trị của $x$.
• c) Với bất đẳng thức $2x - 3 \le 5$: Vế trái là $2x - 3$, vế phải là $5$. Tính đúng sai của bất đẳng thức phụ thuộc vào giá trị của biến $x$ (ví dụ: với $x = 0$ ta có $-3 \le 5$ là đúng; với $x = 5$ ta có $7 \le 5$ là sai).
a) $x$ là số không âm;
b) $y$ không lớn hơn $5$;
c) $z$ lớn hơn hoặc bằng $-2$ và nhỏ hơn $7$.
Xem lời giải chi tiết
• a) $x$ là số không âm được biểu thị bởi bất đẳng thức: $x \ge 0$.
• b) $y$ không lớn hơn $5$ được biểu thị bởi bất đẳng thức: $y \le 5$.
• c) $z$ lớn hơn hoặc bằng $-2$ và nhỏ hơn $7$ được biểu thị bởi hệ bất đẳng thức kép: $-2 \le z < 7$.
Viết bất đẳng thức biểu thị điều kiện về tốc độ $v\text{ (km/h)}$ của một phương tiện khi:
a) Chạy trên làn đường có biển báo P.127c với tốc độ tối đa cho phép là $60\text{ km/h}$;
b) Chạy trên làn đường có biển báo R.306 với tốc độ tối thiểu cho phép là $60\text{ km/h}$.
Xem lời giải chi tiết
• a) Biển báo P.127c quy định tốc độ tối đa cho phép là $60\text{ km/h}$, nghĩa là tốc độ di chuyển $v$ không được vượt quá $60\text{ km/h}$. Do đó điều kiện là: $v \le 60$ (và $v > 0$).
• b) Biển báo R.306 quy định tốc độ tối thiểu cho phép là $60\text{ km/h}$, nghĩa là tốc độ di chuyển $v$ phải đạt từ $60\text{ km/h}$ trở lên. Do đó điều kiện là: $v \ge 60$.
Tính chất bắc cầu của thứ tự (SGK Trang 33)
Định lý bắc cầu:
Với ba số thực $a, b, c$ bất kì: Nếu $a < b$ và $b < c$ thì ta có $a < c$.
Tương tự, tính chất bắc cầu cũng đúng với các quan hệ $>$, $\le$, $\ge$.
Xem lời giải chi tiết
Áp dụng tính chất bắc cầu của thứ tự đối với ba số $a$, $b - 1$ và $c$:
Vì $a < b - 1$ và $b - 1 < c$ nên suy ra: $a < c$.
Xem lời giải chi tiết
Vì $a \ge b$ nên $a > b$ hoặc $a = b$. Tương tự vì $b \ge c$ nên $b > c$ hoặc $b = c$.
- Nếu $a = b$ thì từ $b \ge c$ suy ra ngay $a \ge c$.
- Nếu $b = c$ thì từ $a \ge b$ suy ra ngay $a \ge c$.
- Nếu $a > b$ và $b > c$, theo tính chất bắc cầu của quan hệ lớn hơn ta có $a > c \implies a \ge c$.
Vậy trong mọi trường hợp ta luôn có $a \ge c$ (đpcm).
Trong một giải bóng đá, gọi $a, b, c$ lần lượt là số điểm của ba đội thi đấu A, B và C. Biết rằng đội A có điểm số cao hơn đội B ($a > b$) và đội B có điểm số cao hơn đội C ($b > c$). Hãy so sánh điểm của đội A và đội C, từ đó chỉ ra đội có điểm số cao nhất và đội có điểm số thấp nhất trong ba đội.
Xem lời giải chi tiết
Theo đề bài ta có: $a > b$ và $b > c$.
Áp dụng tính chất bắc cầu của quan hệ lớn hơn trên tập số thực, ta có ngay: $a > c$.
Do đó, thứ tự điểm số của ba đội là: $a > b > c$.
Vậy đội A có điểm số cao nhất và đội C có điểm số thấp nhất.
Liên hệ giữa thứ tự và phép cộng
Quy tắc cộng cùng một số vào cả hai vế của một bất đẳng thức
So sánh hai số $-3$ và $2$. Sau đó cộng cả hai vế với số $4$, rồi so sánh $(-3) + 4$ và $2 + 4$. Nhận xét về chiều của bất đẳng thức thu được so với bất đẳng thức ban đầu.
Xem lời giải chi tiết
• Ta có: $-3 < 2$ (vì $-3$ là số âm, $2$ là số dương).
• Khi cộng $4$ vào hai vế, ta được:
Vế trái: $(-3) + 4 = 1$
Vế phải: $2 + 4 = 6$
• So sánh: Vì $1 < 6$ nên ta có $(-3) + 4 < 2 + 4$.
• Nhận xét: Chiều của bất đẳng thức thu được ($<$) hoàn toàn cùng chiều với bất đẳng thức ban đầu ($-3 < 2$).
Khi cộng cùng một số vào cả hai vế của một bất đẳng thức, ta được bất đẳng thức mới cùng chiều với bất đẳng thức đã cho.
Với ba số thực $a, b, c$, ta có:
$a < b \implies a + c < b + c$
$a \le b \implies a + c \le b + c$
$a > b \implies a + c > b + c$
$a \ge b \implies a + c \ge b + c$
a) $a + 5$ và $b + 5$;
b) $a - 3$ và $b - 3$.
Xem lời giải chi tiết
• a) Vì $a < b$, cộng cùng số $5$ vào cả hai vế ta được: $a + 5 < b + 5$.
• b) Vì $a < b$, cộng cùng số $-3$ vào cả hai vế (hoặc trừ cùng số $3$) ta được: $a - 3 < b - 3$.
Xem lời giải chi tiết
Ta có giả thiết: $x - 5 > y - 5$.
Cộng cùng số $5$ vào cả hai vế của bất đẳng thức, theo tính chất liên hệ giữa thứ tự và phép cộng ta được:
$(x - 5) + 5 > (y - 5) + 5 \implies x > y$.
Vậy $x > y$ (đpcm).
Liên hệ giữa thứ tự và phép nhân
Nhân với số thực dương (cùng chiều) và nhân với số thực âm (đổi chiều)
Cho bất đẳng thức $-2 < 3$:
a) Nhân cả hai vế với số dương $2$, so sánh $(-2) \cdot 2$ và $3 \cdot 2$. Nêu nhận xét về chiều của bất đẳng thức nhận được.
b) Nhân cả hai vế với số âm $-2$, so sánh $(-2) \cdot (-2)$ và $3 \cdot (-2)$. Nêu nhận xét về chiều của bất đẳng thức nhận được.
Xem lời giải chi tiết
Xuất phát từ bất đẳng thức đã cho: $-2 < 3$.
• a) Nhân cả hai vế với số dương $2$:
Vế trái: $(-2) \cdot 2 = -4$
Vế phải: $3 \cdot 2 = 6$
Vì $-4 < 6$ nên $(-2) \cdot 2 < 3 \cdot 2$. Chiều của bất đẳng thức không đổi (cùng chiều).
• b) Nhân cả hai vế với số âm $-2$:
Vế trái: $(-2) \cdot (-2) = 4$
Vế phải: $3 \cdot (-2) = -6$
Vì $4 > -6$ nên $(-2) \cdot (-2) > 3 \cdot (-2)$. Chiều của bất đẳng thức đã bị đổi chiều (từ $<$ sang $>$).
Khi nhân cả hai vế của một bất đẳng thức với cùng một số thực dương, ta được bất đẳng thức mới CÙNG CHIỀU với bất đẳng thức đã cho.
$a < b \implies a \cdot c < b \cdot c$
$a \le b \implies a \cdot c \le b \cdot c$
Khi nhân cả hai vế của một bất đẳng thức với cùng một số thực âm, ta được bất đẳng thức mới ĐỔI CHIỀU (NGƯỢC CHIỀU) với bất đẳng thức đã cho.
$a < b \implies a \cdot c > b \cdot c$
$a \le b \implies a \cdot c \ge b \cdot c$
a) $3a$ và $3b$;
b) $-5a$ và $-5b$.
Xem lời giải chi tiết
• a) So sánh $3a$ và $3b$: Vì $a > b$ và $3 > 0$ (nhân với số dương), theo tính chất nhân ta giữ nguyên chiều: $3a > 3b$.
• b) So sánh $-5a$ và $-5b$: Vì $a > b$ và $-5 < 0$ (nhân với số âm), theo tính chất nhân ta phải đổi chiều bất đẳng thức: $-5a < -5b$.
a) $4m - 1 \le 4n - 1$;
b) $-2m + 3 \ge -2n + 3$.
Xem lời giải chi tiết
• a) Chứng minh $4m - 1 \le 4n - 1$:
Từ $m \le n$, nhân cả hai vế với số dương $4 > 0$ ta được: $4m \le 4n$.
Cộng tiếp số $-1$ vào cả hai vế ta được: $4m - 1 \le 4n - 1$ (đpcm).
• b) Chứng minh $-2m + 3 \ge -2n + 3$:
Từ $m \le n$, nhân cả hai vế với số âm $-2 < 0$, bất đẳng thức phải đổi chiều: $-2m \ge -2n$.
Cộng tiếp số $3$ vào cả hai vế ta được: $-2m + 3 \ge -2n + 3$ (đpcm).
Một trường học tổ chức chuyến đi trải nghiệm cho học sinh vùng cao. Chi phí cố định thuê phương tiện đi lại trọn gói là $3\,000\,000$ đồng. Chi phí ăn uống, tài liệu và bảo hiểm cho mỗi học sinh là $120\,000$ đồng. Tổng kinh phí nhà trường vận động và huy động được từ nguồn xã hội hoá tối đa là $15\,000\,000$ đồng.
a) Gọi $x$ là số học sinh tham gia chuyến đi ($x \in \mathbb{N}^*$). Hãy lập bất đẳng thức biểu thị tổng chi phí không vượt quá kinh phí huy động được.
b) Trường học có thể tổ chức chuyến dã ngoại cho tối đa bao nhiêu học sinh?
Xem lời giải chi tiết
• a) Lập bất đẳng thức điều kiện kinh phí:
Chi phí cho $x$ học sinh bao gồm:
- Chi phí thuê xe cố định: $3\,000\,000$ đồng.
- Chi phí ăn uống, bảo hiểm cho $x$ học sinh: $120\,000x$ đồng.
Tổng chi phí chuyến đi là: $3\,000\,000 + 120\,000x$ (đồng).
Vì tổng kinh phí tối đa là $15\,000\,000$ đồng nên ta có bất đẳng thức:
$3\,000\,000 + 120\,000x \le 15\,000\,000$.
• b) Tìm số lượng học sinh tối đa:
Trừ cả hai vế của bất đẳng thức cho $3\,000\,000$:
$120\,000x \le 15\,000\,000 - 3\,000\,000 \implies 120\,000x \le 12\,000\,000$.
Chia cả hai vế cho số dương $120\,000 > 0$ (bất đẳng thức cùng chiều):
$x \le \frac{12\,000\,000}{120\,000} \implies x \le 100$.
Vì $x \in \mathbb{N}^*$ và $x \le 100$ nên giá trị lớn nhất của $x$ là $100$.
Kết luận: Nhà trường có thể tổ chức chuyến dã ngoại cho tối đa $100$ học sinh.
| Tính chất | Công thức | Quy tắc chiều |
|---|---|---|
| 1. Tính chất bắc cầu | $a < b \text{ và } b < c \implies a < c$ | Giữ nguyên chiều |
| 2. Cộng/Trừ cùng một số | $a < b \implies a + c < b + c$ | Giữ nguyên chiều (Cùng chiều) |
| 3. Nhân/Chia số DƯƠNG ($c > 0$) | $a < b \implies a \cdot c < b \cdot c$ | Giữ nguyên chiều (Cùng chiều) |
| 4. Nhân/Chia số ÂM ($c < 0$) | $a < b \implies a \cdot c > b \cdot c$ | BẮT BUỘC ĐỔI CHIỀU |