Dễ dàng chứng minh được với mọi \(x,y>0\) thì ta luôn có:
\(x^3+y^3\ge xy\left(x+y\right)\) \(\left(\text{*}\right)\)
Thật vậy, xét hiệu \(x^3+y^3-xy\left(x+y\right)=x^3-x^2y+-xy^2+y^3=x^2\left(x-y\right)-y^2\left(x-y\right)=\left(x-y\right)\left(x^2-y^2\right)\)
\(x^3+y^3-xy\left(x+y\right)=\left(x-y\right)^2\left(x+y\right)\ge0\) (vì \(\left(x-y\right)^2\ge0\) với mọi \(x,y\) và \(x+y>0\))
Dấu \("="\) xảy ra \(\Leftrightarrow\) \(x-y=0\) \(\Leftrightarrow\) \(x=y\)
Vậy, bất đẳng thức \(\left(\text{*}\right)\) luôn đúng với mọi \(x,y>0\)
Do đó, từ \(\left(\text{*}\right)\) ta suy ra:
\(x^3+y^3+xyz\ge xy\left(x+y\right)+xyz\) (do \(x,y,z>0\))
\(\Leftrightarrow\) \(x^3+y^3+xyz\ge xy\left(x+y+z\right)\)
\(\Leftrightarrow\) \(x^3+y^3+1\ge xy\left(x+y+z\right)\) (do \(xyz=1\))
Khi đó, vì hai vế của bđt trên cùng dấu nên ta lấy nghịch đảo hai vế và đổi chiều bất đẳng thức, tức là:
\(\frac{1}{x^3+y^3+1}\le\frac{1}{xy\left(x+y+z\right)}\) \(\left(1\right)\)
\(\Leftrightarrow\) \(\frac{1}{x^3+y^3+1}\le\frac{xyz}{xy\left(x+y+z\right)}\) (do \(xyz=1\))
\(\Leftrightarrow\) \(\frac{1}{x^3+y^3+1}\le\frac{z}{x+y+z}\)
Hoàn toàn tương tự với vòng hoán vị \(x\) \(\rightarrow\) \(y\) \(\rightarrow\) \(z\), ta cũng chứng minh được:
\(\frac{1}{y^3+z^3+1}\le\frac{x}{x+y+z}\) \(\left(2\right)\) và \(\frac{1}{z^3+x^3+1}\le\frac{y}{x+y+z}\) \(\left(3\right)\)
Cộng từng vế \(\left(1\right);\) \(\left(2\right)\) và \(\left(3\right)\), ta được:
\(\frac{1}{x^3+y^3+1}+\frac{1}{y^3+z^3+1}+\frac{1}{z^3+x^3+1}\le\frac{z}{x+y+z}+\frac{x}{x+y+z}+\frac{y}{x+y+z}=\frac{x+y+z}{x+y+z}=1\)
Dấu \("="\) xảy ra \(\Leftrightarrow\) \(x=y=z=1\)
