Bài 110 : Cho $ a ,b, c $ là 3 số thực thuộc $ [\dfrac{1}{3};3] $ . Tìm giá trị lớn nhất của biểu thức:
$ $P= \dfrac{a}{a+b}+\dfrac{b}{b+c}+\dfrac{c}{c+a} $$
Đặt $P\left( a \right) = \dfrac{a}{{a + b}} + \dfrac{b}{{b + c}} + \dfrac{c}{{c + a}}$. Xem đây là hàm theo biến $a$, còn $b,c$ là hằng số.
Ta có: $$P'\left( a \right) = \dfrac{b}{{{{\left( {a + b} \right)}^2}}} - \dfrac{c}{{{{\left( {a + c} \right)}^2}}} = \dfrac{{\left( {b - c} \right)\left( {{a^2} - bc} \right)}}{{{{\left( {a + b} \right)}^2}{{\left( {a + c} \right)}^2}}}$$
* Nếu $a \ge b \ge c$ và $a,b,c \in \left[ {\dfrac{1}{3};3} \right]$, suy ra:
$b - c \ge 0;\,\,\,{a^2} - bc \ge 0\,\, \Rightarrow P'\left( a \right) \ge 0 \Rightarrow P\left( a \right)$ tăng trên $\left[ {\dfrac{1}{3};3} \right]$
$$\Rightarrow P\left( a \right) \le P\left( 3 \right) = \dfrac{3}{{3 + b}} + \dfrac{b}{{b + c}} + \dfrac{c}{{c + 3}} = f\left( c \right)$$
Xem $f\left( c \right)$ là hàm theo biến $c$. Khi đó:
$$f'\left( c \right) = - \dfrac{b}{{{{\left( {b + c} \right)}^2}}} + \dfrac{3}{{{{\left( {c + 3} \right)}^2}}} = \dfrac{{\left( {b - 3} \right)\left( {3b - {c^2}} \right)}}{{{{\left( {b + c} \right)}^2}{{\left( {c + 3} \right)}^2}}} \le 0$$
Do đó $f\left( c \right)$ giảm trên $\left[ {\dfrac{1}{3};3} \right]$, suy ra $f\left( c \right) \le f\left( {\dfrac{1}{3}} \right) = \dfrac{3}{{3 + b}} + \dfrac{{3b}}{{3b + 1}} + \dfrac{1}{{10}} = g\left( b \right)$.
Xem $g\left( b \right)$ là hàm theo biến $b$. Khi đó:
$$g'\left( b \right) = \dfrac{3}{{{{\left( {3b + 1} \right)}^2}}} - \dfrac{3}{{{{\left( {3 + b} \right)}^2}}} = \dfrac{{\left( {1 - b} \right)\left( {1 + b} \right)}}{{{{\left( {3b + 1} \right)}^2}{{\left( {3 + b} \right)}^2}}}$$
Lập bảng biến thiên của $g\left( b \right)$ trên $\left[ {\dfrac{1}{3};3} \right]$, ta có: $g\left( b \right) \le g\left( 1 \right) = \dfrac{8}{5}$.
* Nếu $c \ge b \ge a$ và $a,b,c \in \left[ {\dfrac{1}{3};3} \right]$. Từ kết quả trên ta có $P\left( {c,b,a} \right) \le \dfrac{8}{5}$.
Mặt khác: $$P\left( {a,b,c} \right) - P\left( {c,b,a} \right) = \dfrac{{\left( {a - b} \right)\left( {b - c} \right)\left( {a - c} \right)}}{{\left( {a + b} \right)\left( {b + c} \right)\left( {a + c} \right)}} \le 0 \Rightarrow P\left( {a,b,c} \right) \le \dfrac{8}{5}$$
Vậy $maxP = \dfrac{8}{5} \Leftrightarrow \left( {a,b,c} \right) = \left\{ {\left( {3,1,\dfrac{1}{3}} \right);\,\,\left( {\dfrac{1}{3},3,1} \right);\,\,\left( {3,\dfrac{1}{3},1} \right)} \right\}$