Do \(a\le\left|a\right|,b\le\left|b\right|\) nên ta chỉ cần chứng minh
\(\dfrac{\left|a\right|}{\sqrt{a^2+b^2}}+\dfrac{\left|b\right|}{\sqrt{9a^2+b^2}}+\dfrac{2\left|a\right|\left|b\right|}{\sqrt{a^2+b^2}.\sqrt{9a^2+b^2}}\le\dfrac{3}{2}\)
Đặt \(a^2=x,b^2=3y^2\)
\(P=2\sqrt{\dfrac{x}{x+3y}}+2\sqrt{\dfrac{y}{y+3x}}+4\sqrt{\dfrac{xy}{\left(x+3y\right)\left(y+3x\right)}}\le3\)
Sử dụng BĐT AM-GM, ta có
\(2\sqrt{\dfrac{x}{x+3y}}\le\dfrac{x}{x+y}+\dfrac{x+y}{3x+y},2\sqrt{\dfrac{y}{y+3x}}\le\dfrac{y}{x+y}+\dfrac{x+y}{y+3x}\)\(4\sqrt{\dfrac{xy}{\left(x+3y\right)\left(y+3x\right)}}\le\dfrac{8xy}{\left(x+3y\right)\left(y+3x\right)}+\dfrac{1}{2}\)
Cộng ba bất đẳng thức trên vế theo vế
\(P\le\dfrac{3}{2}+\dfrac{x+y}{x+3y}+\dfrac{x+y}{y+3x}+\dfrac{8xy}{\left(x+3y\right)\left(y+3x\right)}\)
Và do đó chứng minh sẽ hoàn tất nếu ta chỉ ra được rằng:
\(\dfrac{x+y}{x+3y}+\dfrac{x+y}{y+3x}+\dfrac{8xy}{\left(x+3y\right)\left(y+3x\right)}\le\dfrac{3}{2}\)
Ta có: \(\dfrac{3}{2}-\dfrac{x+y}{x+3y}-\dfrac{x+y}{y+3x}-\dfrac{8xy}{\left(x+3y\right)\left(y+3x\right)}=\dfrac{3}{2}-\dfrac{4\left(x+y\right)^2+8xy}{\left(x+3y\right)\left(y+3x\right)}=\dfrac{\left(x-y\right)^2}{2\left(x+3y\right)\left(y+3x\right)}\ge0\)Bài toán được chứng minh xong. Đẳng thức xảy ra khi \(b=\sqrt{3}a>0\)
