Ta có

\(\frac{a+1}{b^2+1}=\left(a+1\right)-\frac{ab^2+b^2}{b^2+1}\ge\left(a+1\right)-\frac{ab^2+b^2}{2b}=\left(a+1\right)-\frac{ab+b}{2}\)   (1)

Tương tự  \(\frac{b+1}{c^2+1}\ge\left(b+1\right)-\frac{bc+c}{2}\)   (2)

và  \(\frac{c+1}{a^2+1}\ge\left(a+1\right)-\frac{ca+a}{2}\)   (3)

Cộng (1), (2), (3) vế theo vế:

\(VT\ge\left(a+b+c+3\right)-\frac{\left(ab+bc+ca\right)+\left(a+b+c\right)}{2}\ge6-\frac{\frac{\left(a+b+c\right)^2}{3}+3}{2}=3\)

Đẳng thức xảy ra  \(\Leftrightarrow a=b=c=1\)

Đặt \(\left(\frac{1}{a};\frac{1}{b};\frac{1}{c}\right)=\left(x;y;z\right)\)

\(a+b+c+ab+ac+bc=6abc\) \(\Rightarrow\frac{1}{a}+\frac{1}{b}+\frac{1}{c}+\frac{1}{ab}+\frac{1}{bc}+\frac{1}{ca}=6\)

Hay \(x+y+z+xy+yz+xz=6\)

Cần chứng minh \(\frac{1}{a^2}+\frac{1}{b^2}+\frac{1}{c^2}=x^2+y^2+z^2\ge3\)

Ta có : \(\left(x^2+1\right)+\left(y^2+1\right)+\left(z^2+1\right)\ge2\left(x+y+z\right)\) (BĐT Cosi)

\(2\left(x^2+y^2+z^2\right)\ge2\left(xy+yz+xz\right)\) (BĐT Cosi)

\(\Rightarrow3\left(x^2+y^2+z^2\right)+3\ge2\left(x+y+z+xy+yz+xz\right)=12\)

\(\Rightarrow x^2+y^2+z^2\ge3\) (đpcm)

Dấu "=" xảy ra \(\Leftrightarrow a=b=c=1\)

\(\frac{a+1}{b^2+1}=\frac{\left(a+1\right)\left(b^2+1\right)-b^2\left(a+1\right)}{b^2+1}=a+1-\frac{b^2\left(a+1\right)}{b^2+1}\)

\(\ge a+1-\frac{b^2\left(a+1\right)}{2b}=a+1-\frac{ab+a}{2}\)

Thiết lập các bất đẳng thức tương tự rồi cộng lại ta được:

\(LHS\ge a+b+c+3-\frac{ab+bc+ca+3}{2}\ge6-\frac{\frac{\left(a+b+c\right)^2}{3}+3}{2}=3=RHS\)

1) Trước hết ta đi chứng minh BĐT : \(\frac{1}{a}+\frac{1}{b}\ge\frac{4}{a+b}\)  với \(a,b>0\) (1) 

Thật vậy : BĐT  (1) \(\Leftrightarrow\frac{a+b}{ab}-\frac{4}{a+b}\ge0\)

\(\Leftrightarrow\frac{\left(a+b\right)^2-4ab}{ab\left(a+b\right)}\ge0\)

\(\Leftrightarrow\frac{\left(a-b\right)^2}{ab\left(a+b\right)}\ge0\)  ( luôn đúng )

Vì vậy BĐT (1) đúng.

Áp dụng vào bài toán ta có:

\(\frac{1}{4}\left(\frac{4}{a+b}+\frac{4}{b+c}+\frac{4}{a+c}\right)\le\frac{1}{4}\left(\frac{1}{a}+\frac{1}{b}+\frac{1}{b}+\frac{1}{c}+\frac{1}{a}+\frac{1}{c}\right)\)

                                                                 \(=\frac{1}{4}\cdot\left[2.\left(\frac{1}{a}+\frac{1}{b}+\frac{1}{c}\right)\right]=\frac{1}{2}\left(\frac{1}{a}+\frac{1}{b}+\frac{1}{c}\right)\)

Dấu "=" xảy ra \(\Leftrightarrow a=b=c\)

Vậy ta có điều phải chứng minh !

Bài 1 : 

Áp dụng bất đẳng thức \(\frac{1}{a+b}\le\frac{1}{4}\left(\frac{1}{a}+\frac{1}{b}\right)\) với a , b > 0

\(\Rightarrow\hept{\begin{cases}\frac{1}{a+b}\le\frac{1}{4}\left(\frac{1}{a}+\frac{1}{b}\right)\\\frac{1}{b+c}\le\frac{1}{4}\left(\frac{1}{b}+\frac{1}{c}\right)\\\frac{1}{a+c}\le\frac{1}{2}\left(\frac{1}{a}+\frac{1}{c}\right)\end{cases}}\)

Cộng theo từng vế 

\(\frac{1}{a+b}+\frac{1}{b+c}+\frac{1}{a+c}\le\frac{1}{4}\left(\frac{1}{a}+\frac{1}{a}+\frac{1}{b}+\frac{1}{b}+\frac{1}{c}+\frac{1}{c}\right)\)

\(\Rightarrow\frac{1}{a+b}+\frac{1}{b+c}+\frac{1}{c+a}\le\frac{1}{4}\left(\frac{2}{a}+\frac{2}{b}+\frac{2}{c}\right)\)

\(\Rightarrow\frac{1}{a+b}+\frac{1}{b+c}+\frac{1}{c+a}\le\frac{1}{2}\left(\frac{1}{a}+\frac{1}{b}+\frac{1}{c}\right)\)( đpcm)

2 )

Áp dụng bất đẳng thức Cacuchy - Schwarz :
\(VT=\frac{a^4}{a^2b}+\frac{b^4}{b^2c}+\frac{c^4}{c^2a}\ge\frac{\left(a^2+b^2+c^2\right)^2}{a^2b+b^2c+c^2a}\left(1\right)\)

Vì \(a+b+c=1\)nên 

\(a^2+b^2+c^2=\left(a+b+c\right)\left(a^2+b^2+c^2\right)\)

\(=\left(a^3++ab^2+b^3+bc^2+c^3+ca^2\right)+\left(a^2b+b^2c+c^2a\right)\)

Áp dụng AM - GM 

\(a^3+ab^2\ge2a^2b\). Tương tự cho 2 cặp còn lại suy ra 

\(a^3+b^3+c^3+ab^2+bc^2+ca^2\ge2\left(a^2b+b^2c+c^2a\right)\)

\(\Rightarrow a^2+b^2+c^2\ge3\left(a^2b+b^2c+c^2a\right)\left(2\right)\)

Từ (1) và (2) \(\Rightarrow VT\ge3\left(a^2+b^2+c^2\right)\left(đpcm\right)\)

Dấu " = " xảy ra khi \(a=b=c=\frac{1}{3}\)

\(------------------------\)

Từ bất đẳng thức cơ bản sau: \(a^2+b^2+c^2\ge ab+bc+ca\)  thì ta rút ra một bất đăng thức mới có dạng như sau:

\(3\left(ab+bc+ca\right)\le\left(a+b+c\right)^2=9\) 

nên  \(ab+bc+ca\le3\)  \(\left(i\right)\)

\(---------------------\)

Ta có:

\(\frac{a+1}{b^2+1}=a+1-\frac{b^2\left(a+1\right)}{b^2+1}\ge a+1-\frac{b^2\left(a+1\right)}{2b}=a+1-\frac{b+ab}{2}\left(1\right)\) 

Thiết lập tương tự các mối quan hệ như trên theo sơ đồ hoán vị  \(b\rightarrow c\rightarrow a\)  như sau:

\(\hept{\begin{cases}\frac{b+1}{c^2+1}\ge b+1-\frac{c+bc}{2}\left(2\right)\\\frac{c+1}{a^2+1}\ge c+1-\frac{a+ca}{2}\left(3\right)\end{cases}}\)

Từ \(\left(1\right);\left(2\right)\)  và   \(\left(3\right)\)  với lưu ý đã chứng minh ở  \(\left(i\right)\)  suy ra  \(\frac{a+1}{b^2+1}+\frac{b+1}{c^2+1}+\frac{c+1}{a^2+1}\ge\frac{a+b+c}{2}+3-\frac{ab+bc+ca}{2}\ge\frac{3}{2}+3-\frac{3}{2}=3\)

Dấu bằng xảy ra khi và chỉ khi  \(a=b=c=1\)

\(\frac{a+1}{b^2+1}=a+1-\frac{b^2\left(a+1\right)}{b^2+1}\ge a+1-\frac{b^2\left(a+1\right)}{2b}=a+1-\frac{b\left(a+1\right)}{2}\)

Tương tự: \(\frac{b+1}{c^2+1}\ge b+1-\frac{c\left(b+1\right)}{2}\) ; \(\frac{c+1}{a^2+1}\ge c+1-\frac{a\left(c+1\right)}{2}\)

Cộng vế với vế:

\(VT\ge6-\frac{1}{2}\left(ab+bc+ca+a+b+c\right)\)

\(VT\ge\frac{9}{2}-\frac{1}{2}\left(ab+bc+ca\right)\ge\frac{9}{2}-\frac{1}{6}\left(a+b+c\right)^2=3\)

Dấu "=" xảy ra khi \(a=b=c=1\)

Áp dụng BĐT AM-GM ta có:

\(\frac{a+1}{b^2+1}=\left(a+1\right)-\frac{ab^2+b^2}{b^2+1}\ge\left(a+1\right)-\frac{ab^2+b^2}{2b}=\left(a+1\right)-\frac{ab+b}{2}\)

Tương tự cho 2 BĐT còn lại rồi cộng theo vế:

\(VT\ge a+b+c+3-\frac{a+b+c+ab+bc+ac}{2}\)

\(\ge a+b+c+3-\frac{a+b+c+\frac{\left(a+b+c\right)^2}{3}}{2}\)

\(\ge3+3-\frac{3+\frac{3^2}{3}}{2}=3\)

\("="\Leftrightarrow a=b=c=1\)

Ta có: \(a+1-\frac{a+1}{b^2+1}=\frac{ab^2+b^2}{b^2+1}\le\frac{ab^2+b^2}{2b}=\frac{ab}{2}+\frac{b}{2}\) vì \(b^2+1\ge2b\)

nên \(\frac{a+1}{b^2+1}\ge a+1-\frac{b}{2}-\frac{ab}{2}\) Tương tự: 

Vậy ta có: \(VT\ge a+b+c+3-\frac{a+b+c}{2}-\frac{1}{2}\left(ab+bc+ca\right)\)

Vì \(ab+bc+ca\le\frac{\left(a+b+c\right)^2}{3}=\frac{9}{3}=3\)

nên \(VT\ge3+\frac{a+b+c}{2}-\frac{1}{2}3=3+\frac{3}{2}-\frac{3}{2}=3=VP\)

\(P=\sum\frac{a+1}{b^2+1}=\sum\left(a+1-\frac{b^2\left(a+1\right)}{b^2+1}\right)\ge\sum\left(a+1-\frac{b^2\left(a+1\right)}{2b}\right)=\sum\left(a+1-\frac{1}{2}b\left(a+1\right)\right)\)

\(\Rightarrow P\ge\frac{1}{2}\left(a+b+c\right)-\frac{1}{2}\left(ab+bc+ca\right)+3\)

\(P\ge\frac{1}{2}\left(a+b+c\right)-\frac{1}{6}\left(a+b+c\right)^2+3=3\)

Dấu "=" xảy ra khi \(a=b=c=1\)