Chương 3: PHƯƠNG TRÌNH, HỆ PHƯƠNG TRÌNH

Ta có \(2\left(x+y\right)=z\left(xy-7\right)\), do x,y,z là các số dương  nên xy-7>0.

Khi đó, từ giả thiết ta được : \(z=\frac{2\left(x+y\right)}{xy-7}\)

Suy ra \(S=f\left(x;y\right)=2x+y+\frac{4\left(x+y\right)}{xy-7}\) với điều kiện \(x>0;y>0,xy>7\) (*)

Với mỗi x cố định, xét đạo hàm của hàm số \(f\left(x;y\right)\) theo ẩn y ta được :

\(f'_y\left(x;y\right)=1+\frac{4\left(xy-7\right)-4x\left(x+y\right)}{\left(xy-7\right)^2}=1-\frac{28+4x^2}{\left(xy-7\right)^2}\)

\(f'_y\left(x;y\right)=0\Leftrightarrow x^2y^2-14xy+21-4x^2=0\)

             \(\Leftrightarrow y_0=\frac{7}{x}+2\sqrt{1+\frac{7}{x^2}}\)

Suy ra \(f\left(x;y_0\right)=2x+\frac{11}{x}+4\sqrt{1+\frac{7}{x^2}}\)

Xét hàm số : \(g\left(x\right)=2x+\frac{11}{x}+4\sqrt{1+\frac{7}{x^2}}\) với x>0, với \(g'\left(x\right)=2-\frac{11}{x^2}-\frac{28}{x^3\sqrt{1+\frac{7}{x^2}}}\)

\(g'\left(x\right)=0\Leftrightarrow x=3\)

Khi đó \(g\left(x\right)\ge g\left(3\right)\Leftrightarrow g\left(x\right)\ge15\)

Với điều kiện (*), ta có \(S\ge f\left(x;y_0\right)=g\left(x\right)\ge15\)

Vậy MinS=15 khi x=3, y=5, z=2

\(\begin{cases}x^2\left(x-3\right)-y\sqrt{y-3}=-2\left(1\right)\\3\sqrt{x-2}=\sqrt{y\left(y+8\right)}\left(2\right)\end{cases}\) Điều kiện \(x\ge2;y\ge0\) (*)

Khi đó (1) \(\Leftrightarrow x^3-3x^2+2=y\sqrt{y+3}\)

               \(\Leftrightarrow\left(x-1\right)^3-3\left(x-1\right)=\left(\sqrt{y+3}\right)^3-3\sqrt{y+3}\left(3\right)\)

Xét hàm số \(f\left(t\right)=t^3-3t\) trên \(\left(1;+\infty\right)\)

Ta có \(f\left(t\right)=3t^2-3=3\left(t^2-1\right)\ge0\) với mọi \(t\ge1\) suy ra hàm số đồng biến  trên  \(\left(1;+\infty\right)\)

\(\left(x^3+y^3\right)\left(x+y\right)=xy\left(1-x\right)\left(1-y\right)\Leftrightarrow\left(\frac{x^2}{y}+\frac{y^2}{x}\right)\left(x+y\right)=\left(1-x\right)\left(1-y\right)\left(1\right)\)

Ta có : \(\left(\frac{x^2}{y}+\frac{y^2}{x}\right)\left(x+y\right)\ge4xy\)

và \(\left(1-x\right)\left(1-y\right)=1-\left(x+y\right)+xy\le1-2\sqrt{xy}+xy\)

\(\Rightarrow1-2\sqrt{xy}+xy\ge4xy\Leftrightarrow0\) <\(xy\le\frac{1}{9}\)

Dễ chứng minh : \(\frac{1}{1+x^2}+\frac{1}{1+y^2}\le\frac{1}{1+xy};\left(x,y\in\left(0;1\right)\right)\)

\(\frac{1}{\sqrt{1+x^2}}+\frac{1}{\sqrt{1+y^2}}\le\sqrt{2\left(\frac{1}{1+x^2}+\frac{1}{1+y^2}\right)}\le\sqrt{2\left(\frac{2}{1+xy}\right)}=\frac{2}{\sqrt{1+xy}}\)

\(3xy-\left(x^2+y^2\right)=xy-\left(x-y\right)^2\le xy\)

\(\Rightarrow P\le\frac{2}{\sqrt{1+xy}}+xy=\frac{2}{\sqrt{1+t}}+t\), \(\left(t=xy\right)\), (0<\(t\le\frac{1}{9}\)

Xét hàm số :

\(f\left(t\right)=\frac{2}{\sqrt{t+1}}+t\) ,  (0<\(t\le\frac{1}{9}\)

Điều kiện :\(\begin{cases}2x-y-1\ge0\\x+2y\ge0\\x>0\\y\ge-\frac{1}{3}\end{cases}\)

Từ (1) \(\Leftrightarrow\sqrt{2x-y-1}-\sqrt{x}+\sqrt{3y+1}-\sqrt{x+2y}=0\)

          \(\Leftrightarrow\frac{x-y-1}{\sqrt{2x-y-1}+\sqrt{x}}-\frac{x-y-1}{\sqrt{3y+1}+\sqrt{x-2y}}=0\)

          \(\Leftrightarrow\left(x-y-1\right)\left(\frac{1}{\sqrt{2x-y-1}+\sqrt{x}}-\frac{1}{\sqrt{3y+1}+\sqrt{x+2y}}\right)\)

          \(\Leftrightarrow\begin{cases}y=x-1\left(3\right)\\\sqrt{2x-y-1}+\sqrt{x}=\sqrt{3y+1}+\sqrt{x+2y}\left(4\right)\end{cases}\)

Từ (4) \(\Leftrightarrow\sqrt{2x-y-1}+\sqrt{x}=\sqrt{3y+1}+\sqrt{x+2y}\)

          \(\Leftrightarrow\sqrt{x}=\sqrt{3y+1}\)

          \(\Leftrightarrow y=\frac{x-1}{3}\left(5\right)\)

Từ (3) và (2) ta có :

\(\left(x-1\right)^2\left(x+2\right)=2\left(x-1\right)^3-\left(x-1\right)^2\)

\(\Leftrightarrow\left(x-1\right)^2\left(x-5\right)=0\)

\(\Leftrightarrow\begin{cases}x=1\\x=5\end{cases}\)

x=1 => y=0

x=5 => y=4

Từ (5) và (2) ta có :

\(\left(x-1\right)^2\left(x+2\right)=\frac{2}{27}\left(x-1\right)^3-\frac{1}{9}\left(x-1\right)^2\)\(\Leftrightarrow\left(x-1\right)^2\left(25x+59\right)=0\)

\(\Leftrightarrow x=1\) do x>0

Vậy hệ đã cho có nghiệm : \(\left(x;y\right)=\left(1;0\right);\left(x;y\right)=\left(5;4\right)\)

\(\begin{cases}3xy\left(1+\sqrt{9y^2+1}\right)=\frac{1}{\sqrt{x+1}-\sqrt{x}}\left(1\right)\\x^3\left(9y^2+1\right)+4\left(x^2+1\right)\sqrt{x}=10\left(2\right)\end{cases}\)

Điều kiện \(x\ge0\)

Nếu x=0, hệ phương trình không tồn tại

Vậy xét x>0

\(\Leftrightarrow3y+3y\sqrt{9y^2+1}=\frac{\sqrt{x+1}+\sqrt{x}}{x}\)

\(\Leftrightarrow3y+3y\sqrt{\left(3y\right)^2+1}=\frac{1}{\sqrt{x}}+\frac{1}{\sqrt{x}}\sqrt{\left(\frac{1}{\sqrt{x}}\right)^2+1}\) (3)

Từ (1) và x>0 ta có y>0. Xét hàm số \(f\left(t\right)=t+t.\sqrt{t^2+1},t>0\)

Ta có \(f'\left(t\right)=1+\sqrt{t^2+1}+\frac{t^2}{\sqrt{t^2+1}}>0\). Suy ra \(f\left(t\right)\) luôn đồng biến trên \(\left(0;+\infty\right)\)

Phương trình (3) \(\Leftrightarrow f\left(3y\right)=f\left(\frac{1}{\sqrt{x}}\right)\Leftrightarrow3y=\frac{1}{\sqrt{x}}\)

Thế vào phương trình (2) ta được : \(x^3+x^2+4\left(x^2+1\right)\sqrt{x}=10\)

Đặt \(g\left(x\right)=x^3+x^2+4\left(x^2+1\right)\sqrt{x}-10,x>0\)

Ta có \(g'\left(x\right)>0\) với \(x>0\) \(\Rightarrow g\left(x\right)\) là hàm số đồng biến trên khoảng (\(0;+\infty\))

Ta có g(1)=0

vậy phương trình g(x) = 0 có nghiệm duy nhất x = 1

Với x=1 => \(y=\frac{1}{3}\)

Vậy kết luận : Hệ có nghiệm duy nhất (\(1;\frac{1}{3}\))

\(\begin{cases}27x^3+3x+\left(9y-7\right)\sqrt{6-9y}=0\left(1\right)\\\frac{x^2}{3}+y^2+\sqrt{2-3x}-\frac{109}{81}=0\left(2\right)\end{cases}\)

Với điều kiện \(x\le\frac{2}{3};y\le\frac{2}{3}\) (1) tương đương với : \(\left(9x^2+1\right)3x=\left(6-9y+1\right)\sqrt{6-9y}\)

Đặt \(u=3x,v=\sqrt{6-9y}\) ta có \(\left(u^2+1\right)u=\left(v^2+1\right)v\)

Xét hàm số : \(f\left(t\right)=\left(t^2+1\right)t\) có \(f'\left(t\right)=3t^2+1>0\) nên hàm số luôn đồng biến trên R

Suy ra \(u=v\Leftrightarrow3x=\sqrt{6-9y}\Leftrightarrow\begin{cases}x\ge0\\y=\frac{2}{3}-x^2\left(3\right)\end{cases}\)

Thế (3) vào (2) ta được \(\frac{x^2}{3}+\left(\frac{2}{3}-x^2\right)^2+\sqrt{2-3x}-\frac{109}{81}=0\left(4\right)\)

Nhận xét \(x=0;x=\frac{2}{3}\) không phải là nghiệm của (4)

Xét hàm số : \(g\left(x\right)=\frac{x^2}{3}+\left(\frac{2}{3}-x^2\right)^2+\sqrt{2-3x}-\frac{109}{81}\)

Ta có \(g'\left(x\right)=2x\left(2x-1\right)-\frac{3}{2\sqrt{2-3x}}<0\), mọi \(x\in\left(0;\frac{2}{3}\right)\)

Nên hàm số g(x) nghịch biến trên \(\left(0;\frac{2}{3}\right)\)

Dễ thấy \(x=\frac{1}{3}\) là nghiệm của (1), suy ra \(y=\frac{5}{9}\) nên hệ có nghiệm duy nhất là \(\left(\frac{1}{3};\frac{5}{9}\right)\)

\(\Leftrightarrow\left\{{}\begin{matrix}2x+2y+4z=8\\2x-y+3z=6\\2x-6y+8z=14\end{matrix}\right.\Leftrightarrow\left\{{}\begin{matrix}x+y+2z=4\\3y+z=2\\8y-4z=-6\end{matrix}\right.\)

\(\Leftrightarrow\left\{{}\begin{matrix}x+y+2z=4\\12y+4z=8\\8y-4z=-6\end{matrix}\right.\Leftrightarrow\left\{{}\begin{matrix}x+y+2z=4\\20y=-2\\3y+z=2\end{matrix}\right.\)

\(\Leftrightarrow\left\{{}\begin{matrix}x+y+2z=4\\y=-\dfrac{1}{10}\\z=2-3y=2+\dfrac{3}{10}=\dfrac{23}{10}\end{matrix}\right.\Leftrightarrow\left\{{}\begin{matrix}x=-\dfrac{1}{2}\\y=-\dfrac{1}{10}\\z=\dfrac{23}{10}\end{matrix}\right.\)