Tag Archives: ChuyenToan

Đề thi vào lớp 10 Chuyên Toán vào trường PTNK năm 2020

ĐỀ BÀI

Bài 1.  Cho các phương trình: $x^2+ ax +3=0$ và $x^2 +bx +5=0$ với $a$, $b$ là tham số. a) Chứng minh nếu $ab\ge 16$ thì trong hai phương trình trên có ít nhất một phương trình có nghiệm. b) Giả sử hai phương trình trên có nghiệm chung $x_0$. Tìm $a$, $b$ sao cho $|a|+|b|$ có giá trị nhỏ nhất. Bài 2. Cho phương trình: $3x^2-y^2=23^n$ với $n$ là số tự nhiên. a) Chứng minh nếu $n$ chẵn thì phương trình đã cho không có nghiệm nguyên $(x,y)$. b) Chứng minh nếu $n$ lẻ thì phương trình đã cho có nghiệm nguyên $(x,y)$. Bài 3.  Cho đường tròn $(O)$, dây cung $BC$ không chứa tâm $O$ và điểm $A$ thay đổi trên cung lớn $BC$. Lấy các điểm $E$ và $F$ thỏa mãn: $\angle ABE =\angle CAE =\angle ACF =\angle BAF =90^\circ $. a) Chứng minh rằng $AE\cdot AC =AF \cdot AB$ và điểm $O$ là trung điểm $EF$. b) Hạ $AD$ vuông góc với $EF$ $(D\in EF)$. Chứng minh các tam giác $DAB$ và $DCA$ đồng dạng và điểm $D$ thuộc một đường tròn cố định. c) Gọi $G$ là giao điểm của $AD$ với đường tròn $(O)$ $(G\ne A)$. Chứng minh $AD$ đi qua một điểm cố định và $GB\cdot AC = GC\cdot AB$. d) Gọi $K$ là tâm đường tròn ngoại tiếp tam giác $AEF$. Chứng minh $AK$ đi qua một điểm cố định. Bài 4.  Cho số tự nhiên $a=3^{13}\cdot 5^7 \cdot 7^{20}$ a) Gọi $A$ là tập hợp các số nguyên dương $k$ sao cho $k$ là ước của $a$ và $k$ chia hết cho 105. Hỏi tập $A$ có bao nhiêu phần tử? b) Giả sử $B$ là một tập con bất kỳ của $A$ có 9 phần tử. Chứng minh ta luôn có thể tìm được 2 phần tử của $B$ sao cho tích của chúng là số chính phương. Bài 5. Cho hệ phương trình với $k$ là tham số: $\left\{ \begin{array}{l} \dfrac{x}{\sqrt{yz}}+\sqrt{\dfrac{x}{y}}+\sqrt{\dfrac{x}{z}}=k\\ \dfrac{y}{\sqrt{zx}}+\sqrt{\dfrac{y}{z}}+\sqrt{\dfrac{y}{x}}=k\\ \dfrac{z}{\sqrt{xy}}+\sqrt{\dfrac{z}{x}}+\sqrt{\dfrac{z}{y}}=k \end{array} \right. $ a) Giải hệ với $k=1$. b) Chứng minh hệ vô nghiệm với $k\ge 2$ và $k\ne 3$.

LỜI GIẢI

Bài 1.  Xét phương trình: $x^2 +ax +3=0 \quad (1)$, ta có: $\Delta_1 = a^2-12$. Xét phương trình: $x^2 +bx +5=0 \quad (2)$, ta có: $\Delta_2 = b^2-20$ Ta có: $\Delta_1 + \Delta_2 = a^2 + b^2 -32 \ge 2ab -32 \ge 0$ Vậy trong hai số $\Delta_1$ và $\Delta_2$ có ít nhất một số không âm hay một trong hai phương trình đã cho có nghiệm. Dễ thấy $x_0 \ne 0$.
  • $(1) \Leftrightarrow -a=\dfrac{x_0^2+3}{x_0} \Leftrightarrow |a|=\dfrac{x_0^2+3}{|x_0|}$ $(2) \Leftrightarrow -b=\dfrac{x_0^2+5}{x_0} \Leftrightarrow |b|=\dfrac{x_0^2+5}{|x_0|}$
  • Suy ra $|a|+|b|= 2|x_0| + \dfrac{8}{|x_0|} \ge 2\sqrt{2|x_0| \cdot \dfrac{8}{|x_0|}} =8 $
Dấu $”=”$ xảy ra khi và chỉ khi: $x_0^2=4 \Leftrightarrow \left[ \begin{array}{l} x_0 =2 \\ x_0 = -2 \end{array} \right. $ Với $x_0=2$ hoặc $x_0=-2$, lần lượt giải được $a=\dfrac{7}{2}; \, b= \dfrac{9}{2}$ hoặc \ $a=-\dfrac{7}{2}; \, b=- \dfrac{9}{2}$ Vậy giá trị nhỏ nhất của $|a|+|b|$ là 8 khi $a=\dfrac{7}{2}; \, b= \dfrac{9}{2}$ hoặc $a=-\dfrac{7}{2}; \, b=- \dfrac{9}{2}$ Bài 2. a) Ta nhận thấy 1 số chính phương $m=a^2$ khi chia cho 3 thì có số dư lần lượt là 0 hoặc 1. Nên tổng 2 số chính phương nếu chia hết cho 3 thì mỗi số đều phải chia hết cho 3. Quay lại bài toán, do $n$ chẵn nên $23^n$ và $y^2$ đều là các số chính phương mà $23^n +y^2 =3x^2\ \vdots \ 3 \Rightarrow 23^n\ \vdots \ 3$ (vô lí) Vậy $n$ chẵn thì phương trình đã cho không có nghiệm nguyên. b) Do $n$ lẻ $\Rightarrow n=2k+1$ ($k\in \mathbb{N^*}$) Xét $\left\{ \begin{array}{l} x=3\cdot 23^k\\ y=2\cdot 23^k \end{array}\right. $ $\Rightarrow 3x^2-y^2=23^{2k+1}=23^n$ Vậy phương trình có nghiệm nguyên Bài 3.
a) Ta có $\angle BAE + \angle EAF = 90^\circ$ và $\angle CAF + \angle EAF = 90^\circ$. Suy ra $\angle BAE = \angle CAF$. $\triangle ABE \backsim \triangle ACF$, suy ra $AE \cdot AC = AB \cdot AF$ Gọi $I$ là giao điểm của $BE$ và $CF$. Khi đó $AI$ là đường kính của $O$. Tứ giác $AEIF$ là hình bình hành, $O$ là trung điểm $AI$ nên là trung điểm $EF$. b) Các tứ giác $ADBE, ADFC$ nội tiếp. Khi đó $\angle ADB = \angle AEB = \angle AFC = \angle ACD$. $\angle ABD = \angle AEC = \angle IFE = \angle AFC = \angle ADC$. Suy ra $\triangle ADB \backsim \triangle ACDA$. (g.g) Ta có $\angle BDC = 2 \angle ADB = 2 \angle AEB = 2 \angle EIF = \angle BOC$. Suy ra tứ giác $BDOC$ nội tiếp. $D$ thuộc đường tròn ngoại tiếp tam giác $BOC$ cố định. c)  Gọi $S$ là giao điểm của $AD$ và $(BOC$), ta có $\angle OBS = \angle ODS = 90^\circ$. Suy ra $OS$ là đường kính của $(BOC$, do đó $S$ cố định. $AD$ qua $S$ cố định và $SB, SC$ là tiếp tuyến của $(O)$. Khi đó $\triangle SAB \backsim \triangle SGB$, suy ra $\dfrac{AB}{BG} = \dfrac{SB}{SG}$ tương tự thì $\dfrac{AC}{GC} = \dfrac{SC}{SG}$. Mà $SB = SC$, nên $\dfrac{AB}{BG} = \dfrac{AC}{CG}$, suy ra $GB \cdot AC = GC \cdot AB$. Dễ thấy $D$ là trung điểm của $AG$. d) Gọi $M$ là trung điểm của $BC$. Ta chứng minh $A, M, K$ thẳng hàng. Ta chứng minh được $\angle DAE = \angle KAF$ ($\angle 90^\circ – \angle AED$). Gọi $T$ là trung điểm $CG$. Ta có $\triangle ACD \backsim \triangle BCG$ suy ra $\triangle ABC \backsim \triangle DCG$. Từ đó ta có $\triangle ACM \backsim \triangle DCT$. Khi đó $\angle CAM = \angle CDT = \angle ACD = \angle BAD$. Mà $\angle CAM = \angle CAF + \angle FAM$ và $\angle BAD = \angle BAE + \angle EAD$. Suy ra $\angle FAM = \angle EAD = \angle FAK$. Vậy $A, M, K$ thẳng hàng. $AK$ qua trung điểm $M$ của $BC$ cố định. Bài 4.  a) $k\ \vdots \ 105 \Rightarrow k$ chia hết cho 3, 5, 7 $\Rightarrow k=3^n\cdot 5^m \cdot 7^p$ với $m$, $n$, $p$ nguyên dương $\Rightarrow $ có $13\cdot 7\cdot 20 =1820$ cách. b) Giả sử $B$ là tập hợp 9 số nguyên dương $a_i$, $i=\overline{1,9}$\ với $a_i=3^{n_i}\cdot 5^{m_i}\cdot7^{p_i}$ trong đó $0\le n_i\le 13$; $0\le m_i\le 7$ và $0\le p_i\le 20$ Do $B$ có 9 phân tử. Xét nguyên lý Dirichlet với tập các số $n_i$ thì ta có ít nhất 5 số hạng $a_i$ sao cho các số mũ $n_i$ của 3 tương ứng cùng tính chẵn lẻ. Xét tiếp nguyên lý Dirichlet 5 số này cho số mũ $m_i$ của 5 tương ứng thì ta có ít nhất 3 số mà số mũ $m_i$ cũng cùng tính chẵn lẻ. Với 3 số còn lại này ta cũng xét nguyên lý Dirichlet cho số mũ $p_i$ của 7 thì ta sẽ có ít nhất 2 số cũng tính chẵn lẻ. Do 2 số được chọn này có số mũ cùng tính chẵn lẻ với cả các số 3, 5 và 7 nên tích chúng lại sẽ là số chính phương. Bài 5.  Điều kiện $x, y, z > 0$ hoặc $x, y, z < 0$. Từ hệ ta có $x + \sqrt{xz} + \sqrt{xy} = k\sqrt{yz} (1), y + \sqrt{yz} + \sqrt{yz} = k\sqrt{xz} (2), z +\sqrt{zx}+\sqrt{zy} = k\sqrt{xy} (3)$. a) Khi $k = 1$ ta có $x + \sqrt{xz} + \sqrt{xy} = \sqrt{yz} (1), y + \sqrt{yz} + \sqrt{yz} = \sqrt{xz} (2), z +\sqrt{zx}+\sqrt{zy} = \sqrt{xy} (3)$.
  • Nếu $x, y, z > 0$ thì cộng (3) phương trình ta có vô lí.
  • Nếu $x, y, z < 0$. Cộng 3 phương trình ta có $x+y+z +\sqrt{xy}+\sqrt{xz}+\sqrt{zy} = 0 \Leftrightarrow (\sqrt{-x}-\sqrt{y})^2 +(\sqrt{-y}-\sqrt{-z})^2+(\sqrt{-x}-\sqrt{-z})^2 = 0$, do đó $x=y=z$.
  • Thử lại thấy bộ $(x,y,z)$ mà $x=y=z <0$ thỏa hệ phương trình.
b) Giả sử $k\geq 2, k = 3$ thì hệ có nghiệm $(x,y,z)$. Từ hệ ta có $x+y+z = (k-2)(\sqrt{xy}+\sqrt{xz}+\sqrt{yz}) \geq 0, suy ra $x, y, z > 0$. Giả sử $x = \max{x,y,z}$, ta có $k = \dfrac{x+\sqrt{xy}+\sqrt{xz}}{\sqrt{yz}} \geq 3$. $k = \dfrac{z+\sqrt{xz}+\sqrt{yz}}{\sqrt{xy}} \leq 3$. Do đó $k = 3$ (vô lí). Vậy hệ vô nghiệm khi $k \geq 2 $ và $k \neq 3$.

Một số bài toán số học hay ôn thi vào 10 Chuyên Toán

Trong khi thì HSG TPHCM vừa qua có một điều đáng tiếc nhất là câu số học không có trong đề thi, làm nhiều thí sinh khá hụt hẫng nhưng cũng làm nhiều thí sinh vui mừng, vì số học luôn là câu hỏi hóc búa của mỗi kì thi. Có lẽ BTC cuộc thi muốn dành sự quan tâm cho các câu hỏi thực tế nên phần số học bị bỏ qua.

Khác với kì thi HSG, kì thi tuyển sinh vào 10 thì đề thi luôn có đủ cả các phần: đại số, số học, hình học và tổ hợp. Số học cũng như tổ hợp, luôn là phần khiến nhiều thí sinh gặp khó khăn, trong bài viết nhỏ này, tôi xin giới thiệu lại một số bài toán số học đã được cho trong các kì thi tuyển sinh của trường Phổ thông Năng khiếu, nơi tôi làm việc hơn 10 năm qua. Các bạn thí sinh chuẩn bị thi vào trường nên xem kĩ lời giải và cố gắng học thật tốt phần này, điều đó sẽ giúp rất nhiều cơ hội trúng tuyển vào lớp chuyên toán.

Số học THCS thì nội dung quay xung quanh các phép chia hết, phương trình nghiệm nguyên, số nguyên tố, số chính phương,…Việc đầu tiên là nắm chắc các tính chất của phép chia hết, tính chất cơ bản nhất của số nguyên tố hay số chính phương. Bài toán chia hết cũng xuất hiện nhiều lần trong đề thi, sau đây là một bài khá đơn giản nhưng hay:

Bài 1. (PTNK 2011 – Chuyên Toán) Cho các số nguyên $a, b, c$ sao cho $2a+b,2b+c, 2c+a$ đều là các số chính phương ().
a) Biết rằng có ít nhất một trong 3 số chính phương trên chia hết cho 3. Chứng minh rằng $(a-b)(b-c)(c-a)$ chia hết cho 27.
b) Tồn tại hay không các số $a, b, c$ thỏa điều kiện () mà $(a-b)(b-c)(c-a)$ không chia hết cho 27?

Nhận xét. Đây là một bài toán chia hết, liên quan đến các số chính phương, để ý thấy chủ yếu là chia hết cho 3. Ta phải nghĩ đến một số chính phương chia 3 xảy ra những trường hợp nào, từ đó thiết lập các tính chất đã biết:

  • Một số chính phương khi chia cho 3 dư 0 hoặc 1.
  • $a^2 + b^2 $ chia hết cho 3 khi và chỉ khi $a, b$ đồng thời chia hết cho 3.
  • Việc chứng minh tích chia hết cho 27, thì nghĩ đến việc ta cần chứng minh $a, b, c$ có cùng số dư khi chia cho 3, đó là trường hợp đơn giản nhất. Sau đây là lời giải

a) Giả sử $2a + b = m^2, 2b+c = n^2, 2c + a = p^2$.
Cộng ba đẳng thức lại, ta được $3(a+b+c) = m^2 + n^2 + p^2$. Suy ra $m^2+n^2+p^2$ chia hết cho 3.
Ta thấy bình phương của một số nguyên khi chia cho 3 dư 1 hoặc 0. Do đó nếu 1 trong 3 số, chẳng hạn $m$ chia hết cho 3 thì $n^2+p^2$ chia hết cho 3 và như thế $n^2$ và $p^2$ cũng chia hết cho 3.
Hơn nữa $2a+b = 3a +(b-a)$ chia hết cho 3, suy ra $a-b$ chia hết cho 3. Tương tự thì $b-c, c-a$ chia hết cho 3. Suy ra $(a-b)(b-c)(c-a)$ chia hết cho 27.
b) Tồn tại. Chẳng hạn có thể lấy $a=2, b=0,c=1$.

Sau đây cũng là bài toán chia hết, nhưng ở mức độ khó hơn hẳn, đòi hỏi học sinh phải có suy luận tốt và nắm chắc được nhiều kiến thức.
Bài 2. (PTNK 2016 – CT) Cho $x, y$ là hai số nguyên dương mà $x^2 + y^2 + 10$ chia hết cho $xy$.

a) Chứng minh rằng $x, y$ là hai số lẻ và nguyên tố cùng nhau.
b) Chứng minh $k = \dfrac{x^2+y^2+10}{xy}$ chia hết cho 4 và $k \geq 12$.

Nhận xét. Bài toán này cũng giống bài toán trên, là liên quan đến các số chính phương $x^2, y^2$. Việc chứng minh chẵn lẻ liên quan đến số dư khi chia cho 4 của một số chính phương.

Câu a) chỉ là bài toán xét trường hợp khá dễ nhìn, khi phản chứng là giả sử $x, y$ không cùng là số lẻ, từ đó khi xét tính chẵn lẻ của $x^2 + y^2 + 10$ và $xy$ sẽ giải quyết được vấn đề. \ Việc chứng minh nguyên tố cùng nhau thì cách tiếp cận quen thuộc nhất là gọi ước chung lớn nhất và chứng minh nó bằng 1.
Câu b) khó hơn khi có hai ý, ý đầu có thể áp dụng tiếp câu a, nhưng ý sau việc chứng minh $k \geq 12$ có thể đánh lừa nhiều học sinh trong khi việc đơn giản chỉ là chứng minh $k$ chia hết cho 3 là giải quyết được bài toán, mà chứng minh $k$ chia hết cho $3$ cũng là việc xét số dư của tử và mẫu thức khi chia cho 3. Sau đây là lời giải chi tiết.

Lời giải.
a) Giả sử trong hai số $x, y$ có một số chẵn, vì vai trò $x, y$ như nhau nên có thể giả sử $x$ chẵn. Suy ra $x^2 + y^2 + 10$ chia hết cho 2, suy ra $y$ chẵn. Khi đó $x^2 + y^2 + 10$ chia hết cho 4, suy ra 10 chia hết cho 4 vô lý.
Vậy trong hai số đều là số lẻ.
Đặt $d= (x,y)$, $x= d.x’, y = d.y’$ ta có $x^2 + y^2 + 10 = d^2(x’^2 + y’^2) + 10$ chia hết cho $d^2x’y’$. Suy ra 10 chia hết cho $d^2$. Suy ra $d= 1$. Vậy $x, y$ nguyên tố cùng nhau.
b)  Đặt $x = 2m + 1, y = 2n + 1$, suy ra $k = \dfrac{4(m^2+m+n^2+n+3}{(2m+1)(2n+1)}$.
Ta có $4, (2m+1).(2n+1)$ nguyên tố cùng nhau. Suy ra $m^2 + n^2 +m+n+3$ chia hết cho $(2m+1)(2n+1)$. Từ đó ta có $k$ chia hết cho 4. Chứng minh $k \geq 12$ bằng hai cách.
Cách 1. Ta có $x^2 + y^2 + 10 = kxy$.
Nếu trong hai số $x, y$ có một số chia hết cho 3, giả sử $x$ chia hết cho 3. Ta có $y^2 + 10$ chia hết cho 3 vô lý vì $y^2 $ chia 3 dư 0 hoặc dư 1.
Vậy $x, y$ không chia hết cho 3, suy ra $x^2 + y^2 + 10$ chia hết cho 3 và $3, xy$ nguyên tố cùng nhau. Do đó $k$ chia hết cho 3.
Do đó $k$ chia hết cho 12, vậy $k\geq 12$.
Cách 2. Xét $k=4$ ta có $x^2 + y^2 + 10 = 4xy$ () $\Leftrightarrow (x-2y)^2 = 3y^2 – 10$.
Ta có $(x-2y)^2$ chia 3 dư 0 hoặc 1 mà $3y^2-10$ chia 3 dư 2, nên phương trình () không có nghiệm nguyên dương.
Xét $k=8$ ta có $x^2 + y^2 + 10 = 8xy (*)\Leftrightarrow (x-4y)^2 = 15y^2 -10$.
Ta có $(x-4y)^2$ chia 3 dư 0 hoặc 1 mà $15y^2-10$ chia 3 dư 2 nên (**) không có nghiệm nguyên dương.
Vậy $k \geq 12$.

Sau chia hết, các kiến thức về phương trình nghiệm nguyên cũng rất quan trọng, trong nhiều bài thi của PTNK kĩ năng giải phương trình nghiệm nguyên giúp mình được nhiều việc.\
Sau đây là bài toán số học, nhưng bản chất số học thì ít mà đại số thì nhiều, chỉ việc biến đổi đại số vài dòng là xong. Tuy vậy nhiều học sinh sau khi đọc đề lại phát hoảng, vì đề bài phát biểu nghe rất “kinh”, đánh lừa được các thí sinh yếu bóng vía. Bài toán sau chế tác từ bài thi của Bungari:
Bài 3. (PTNK 2012 – CT) Số nguyên dương $n$ được gọi là số điều hòa nếu như tổng các bình phương của các ước
của nó ( kể cả 1 và n ) đúng bằng $(n+3)^2$ .

a) Chứng minh rằng số 287 là số điều hòa.
b) Chứng minh rằng số $n = p^3$( $p$ nguyên tố ) không phải là số điều hòa.
c) Chứng minh rằng nếu số $n = pq$ ( $p,q$ là các số nguyên tố khác nhau) là số điều hòa thì $n
+ 2$ là số chính phương.

Nhận xét. Bài toán đưa ra định nghĩa số điều hòa, nghe có vẻ ghê gớm nhưng không có ý nghĩa mấy, hoặc không phù hợp với từ điều hòa hay dùng. Nhiều thí sinh đọc đề mà thuộc dạng yếu bóng vía sẽ bỏ qua, ngay cả bỏ qua câu a rất dễ. Tuy nhiên nếu đã hiểu định nghĩa, việc giải quyết các câu hỏi là điều khá dễ, cũng liên

Lời giải. 

a)  Số $n = 287$ có các ước dương là 1, 7, 41, 287. Ta có $1^2 + 7^2 + 41^2 +287^2 = (287+3)^2$ nên 287 là số điều hòa.
b) Các ước dương của $n = p^3$ là $1, p, p^2, p^3$. Giả sử $n$ là số điều hòa, ta có $(n+3)^2 = 1^2 + p^2 + p^4 + p^6 \Leftrightarrow p^4 + p^2 = 6p^3 + 8$. Suy ra $p|8$ mà $p$ nguyên tố nên $p = 2$. Thử lại thấy không thỏa, vậy $n = p^3$ không phải là số điều hòa với mọi số nguyên tố $p$.
c) Các ước dương của $n = pq$ là $1, p, q, pq$. Vì $n$ là số điều hòa nên ta có:
$1+p^2+q^2+p^2q^2 = (pq+3)^2 \Leftrightarrow p^2 + q^2 = 6pq + 8 \Leftrightarrow (p+q)^2 = 4(pq+2)$. Do 4 là số chính phương nên $pq+2$ cũng là số chính phương hay $n+2$ là số chính phương

Sau đây là một bài khá đẹp, ý tưởng từ phương pháp lùi vô hạn trong giải phương trình nghiệm nguyên, tuy vậy các phải có suy luận một chút khác biệt.
Bài 4.  (PTNK 2014 – CT)

a) Tìm các số nguyên $a, b, c$ sao cho $a+b+c = 0$ và $ab+bc+ac+3=0$.
b) Cho $m$ là số nguyên. Chứng minh rằng nếu tồn tại các số nguyên $a, b, c$ khác 0 sao cho $a+b+c = 0$ và $ab+bc+ac + 4m = 0$ thì cũng tồn tại các số nguyên $a’, b’, c’$ sao cho $a’+b’+c’ = 0$ và $a’b’+b’c’+a’c’ + m = 0$.
c)  Với $k$ là số nguyên dương, chứng minh rằng không tồn tại các số nguyên $a, b, c$ khác 0 sao cho $a+b+c = 0$ và $ab+bc+ac + 2^k = 0$.

Lời giải
a)  Từ $a+b+c = 0, ab+bc+ca = – 3$ ta có $a^2 + b^2 + c^2 = 6$. Do $a, b, c$ vai trò như nhau nên ta có thể giả sử $|a| \geq |b| \geq |c|$. Khi đó $ 1 < |a| < 3$. Suy ra $|a| = 2$, suy ra $a = 2$ hoặc $a = – 2$.
Với $a = 2$ thì $b + c = -2, b^2 + c^2 = 2$ giải ra được $b = c =-1$.Ta có có bộ $(2;-1;-1)$ và các hoán vị. \ Với $a = -2 $ thì $b+c = 2, b^2 + c^2 = 2$, giải ra được $b = c = 1$, ta có bộ $(-2;1;1)$ và hoán vị.
b) Ta có $a + b + c = 0$ chẵn (1)và $ab+bc+ac = -4m$ chẵn.(2)
Nếu 3 số $a, b, c$ đều lẻ, không thỏa (1).
Nếu có 1 chẵn, 2 lẻ thì không thỏa (2).
Do đó 3 số $a, b,c$ đều chẵn. Khi đó đặt $a’ = \dfrac{a}{2}, b’ = \dfrac{b}{2}, c’ = \dfrac{c}{2}$ thì $a’,b’,c’$ thỏa đề bài.
c) Với $k = 0$ ta có $a+b+c = 0, ab+bc+ac = -1$ thì $a^2 + b^2 +c^2 = 2$ (3) . Không có bộ 3 số nguyên $a, b, c$ khác 0 thỏa (3).
Với $k = 1$ thì $a+b+c=0,ab+bc+ac = -2$ khi đó $a^2+b^2+c^2 = 4$ (4). Giả sử $|a|$ nhỏ nhất khi đó $ 1\leq a^2 < 2$ (không có $a$ thỏa). Không tồn tại $a, b, c$ nguyên khác 0 thỏa (4).
Với $k > 1$.
Nếu $k$ chẵn, đặt $k = 2n$ ta có $a+b+c = 0, ab+bc+ac + 4^n = 0$, theo câu b), tồn tại $a_1, b_1, c_1$ nguyên thỏa $a_1 + b_1 +c_1 = 0, a_1b_1+a_1c_1+b_1c_1 + 4^{n-1} = 0$.

Tương tự ta sẽ được $a_n, b_n,c_n$ nguyên thỏa $a_n+b_n+c_n = 0, a_nb_n+b_nc_n+a_nc_n = -1$ (vô nghiệm).
Nếu $k$ lẻ đặt $k = 2n+1$ ta có $a+b+c = 0, ab+bc+ac + 2.4^n = 0$, làm tương tự trên ta được $a_n+b_n+c_n = 0, a_nb_n+b_nc_n+a_nc_n = – 2$ (vô nghiệm).
Vậy không tồn tại các số $a, b, c$ khác 0 thỏa đề bài.

Ngoài ra việc sử dụng đồng dư cũng được khai thác qua các bài toán chia hết hoặc các bài toán phương trình nghiệm nguyên, nhiều khi được sử dụng một cách bất ngờ cũng gây khó khăn cho thí sinh và rất ít thí sinh làm trọn vẹn, sau đây là một ví dụ:
Bài 5. (PTNK 2018 – CT) Cho $ A_n = 2018^n + 2032^n – 1964^n – 1984^n $ với $ n $ là số tự nhiên.

a) Chứng minh với mọi số tự nhiên $ n $ thì $ A_n $ chia hết cho $ 51 $.
b) Tìm tất cả những số tự nhiên $ n $ sao cho $ A_n $ chia hết cho $ 45. $

Nhận xét. Đây là dạng toán khá quen thuộc với học sinh, chỉ là việc xét các trường hợp một cách khéo léo và cẩn thận để giải quyết bài toán.

a) Do $ 2018 \equiv 1964 \quad \text{(mod 3)} \Rightarrow 2018^n \equiv 1964^n \quad \text{(mod 3)} . $
$ 2032 \equiv 1984 \quad \text{(mod 3)} \Rightarrow 2032^n \equiv 1984^n \quad \text{(mod 3)} $.
$ \Rightarrow A_n \ \vdots \ 3. $
Ta lại có $ 2018 \equiv 1984 \quad \text{(mod 17)} \Rightarrow 2018^n \equiv 1984^n \quad \text{(mod 17)} $.
$ 2032 \equiv 1964 \quad \text{(mod 17)} \Rightarrow 2032^n \equiv 1964^n \quad \text{(mod 17)} $.
$ \Rightarrow A_n \ \vdots\ 17. $
Do $ (3; 17) = 1 $ nên $ A_n \ \vdots \ 51 \quad \forall n$
b) $ A_n = 2018^n + 2032^n – 1964^n – 1984^n. $

  • Ta xét các trường hợp của $ n $ để $ A_n \ \vdots \ 5. $
    Ta có $ A_n \equiv (-2)^n + 2^n -2\cdot(-1)^n $ (mod 5).
    Do đó nếu $ n $ lẻ $ \Rightarrow A_n \equiv 2 \quad $(mod 5)$ \quad \text{(loại)}$.
  • Nếu $ n = 4k \Rightarrow A_n \equiv 2\cdot 2^{4k} -2 \equiv 2-2 \equiv 0 \quad$ (mod 5) (nhận)
  • Nếu $ n = 4k + 2 \Rightarrow A_n \equiv 2\cdot 2^{4k+2} -2 \equiv 8 – 2 \equiv 6$ (mod 5) (loại).
    Vậy $ A_n \ \vdots \ 5 \Leftrightarrow n \ \vdots \ 4. $
    Ta xét các trường hợp của $ n $ để $ A_n \ \vdots \ 9. $
    Ta có
  • $A_n \equiv 2^n + (-2)^n – 2^n – 4^n \quad \text { (mod 9)}$

$\equiv 2^n -4^n \quad \text { (mod 9) \quad (Do n chẵn).} $
$\equiv 2^n(1-2^n) \quad \text { (mod 9)}$

Vì $ (2;9 ) = 1 \Rightarrow 2^n – 1 \ \vdots \ 9$.
Xét $ n= 3k $ với $ k \in \mathbb{N} $. Ta có $ A_n \equiv 2^{3k} – 1 \equiv (-1)^k – 1 \quad \text { (mod 9)} \Rightarrow k$ chẵn
Xét $ n= 3k + 1 $ với $ k \in \mathbb{N} $. Ta có $ A_n \equiv 2^{3k + 1} – 1 \equiv 2\cdot(-1)^k – 1 \quad \text { (mod 9) \quad (loại)}. $
Xét $ n= 3k + 2 $ với $ k \in \mathbb{N} $. Ta có $ A_n \equiv 2^{3k + 2} – 1 \equiv 4\cdot(-1)^k – 1 \quad \text { (mod 9) \quad (loại)}. $

Vậy $ A_n \ \vdots \ 45 \Leftrightarrow n \ \vdots \ 12. $

Tóm lại bài toán số học thi vào lớp 10 Chuyên Toán luôn là bài toán khó, nhưng không phải không kiếm được điểm, chỉ cần thí sinh bình tĩnh vận dụng được kiến thức đã học có thể giải quyết được các ý a, ý b thì phức tạp hơn đòi hỏi phải phân tích và xử lí khéo léo cẩn thận hơn, âu cũng hợp lí cho đề thi chọn học sinh có năng khiếu toán.\
Sau đây có một số bài tập cho các em rèn luyện trước kì thi cam go này.

Bài tập rèn luyện

Bài 1. (Tuyển sinh vào lớp 10 Chuyên Toán trường PTNK 1997)
a) Tìm tất cả các số nguyên dương $n$ sao cho $n2^n + 3^n$ chia hết cho 5.
b) Tìm tất cả các số nguyên dương $n$ sao cho $n2^n + 3^n $ chia hết cho 25.

Bài 2. (Tuyển sinh vào lớp 10 Chuyên Toán trường PTNK 1997)
a) Tìm tất cả các số nguyên dương sao cho $2^n – 1$ chia hết 7.
b) Cho số nguyên tố $p \geq 5$. Đặt $A = 3^p – 2^p – 1$. Chứng minh $A$ chia hết cho $42p$.

Bài 3. Cho $n$ là số tự nhiên. Chứng minh rằng $3^nn^3+1$ chia hết cho 7 khi và chỉ khi $3^n + n^3$ chia hết cho 7.

Bài 4. Tìm tất cả các số tự nhiên x, y thỏa: ${5^x} = {y^4} + 4y + 1$.

Bài 5. Chứng minh rằng phương trình ${y^2} + y = x + {x^2} + {x^3}$ không có nghiệm nguyên dương.

Đề thi vào lớp 10 chuyên toán Phổ thông Năng khiếu: Năm 2016

ĐỀ BÀI

BÀI 1. 
a) Giải hệ $\left\{\begin{array}{l} (x-2y)(x+my) = m^2-2m-3 \\(y-2x)(y+mx) = m^2-2m-3
\end{array} \right.$ khi $m = -3$ và tìm $m$ để hệ co ít nhất một nghiệm $(x_o, y_o)$ thỏa $x_o > 0, y_o > 0$.
b)  Tìm $a \geq 1$ để phương trình $ax^2 + (1-2a)x + 1-a=0$ có hai nghiệm phân biệt $x_1, x_2$ thỏa $x_2^2 – ax_1 = a^2-a-1$.
BÀI 2.  Cho $x, y$ là hai số nguyên dương mà $x^2 + y^2 + 10$ chia hết cho $xy$.

a) Chứng minh rằng $x, y$ là hai số lẻ và nguyên tố cùng nhau.
b)  Chứng minh $k = \dfrac{x^2+y^2+10}{xy}$ chia hết cho 4 và $k \geq 12$.

BÀI 3.  Biết $x \geq y \geq z, x + y + z =0$ và $x^2 + y^2 + z^2 = 6$.

a) Tính $S = (x-y)^2 + (x-y)(y-z) + (y-z)^2$.
b) Tìm giá trị lớn nhất của $P = |(x-y)(y-z)(z-x)|$.

BÀI 4. Tam giác $ABC$ nhọn có $\angle BAC > 45^o$. Dựng các hình vuông $ABMN, ACPQ$ ($M$ và $C$ khác phía đối với $AB$; $B$ và $Q$ khác phía đối với $AC$). $AQ$ cắt đoạn $BM$ tại $E$ và $NA$ cắt đoạn $CP$ tại $F$.

a) Chứng minh $\triangle ABE \sim \triangle ACF$ và tứ giác $EFQN$ nội tiếp.
b) Chứng minh trung điểm $I$ của $EF$ là tâm đường tròn ngoại tiếp tam giác $ABC$.
c) $MN$ cắt $PQ$ tại $D$, các đường tròn ngoại tiếp các tam giác $DMQ$ và $DNQ$ cắt nhau tại $K$ ($K$ khác $D$), các tiếp tuyến tại $B$ và $C$ của đường tròn ngoại tiếp tam giác $ABC$ cắt nhau tại $J$. Chứng minh các điểm $D, A, K, J$ thẳng hàng.

BÀI 5. Với mỗi số nguyên dương $m$ lớn hơn 1, kí hiệu $s(m)$ là ước nguyên dương lớn nhất của $m$ và khác $m$. Cho số tự nhiên $n > 1$, đặt $n_o = n$ và lần lượt tính các số $n_1 =n_o- s(n_o), n_2 = n_1 – s(n_1), …, n_{i+1} = n_i – s(n_i)$,…. Chứng minh tồn tại số nguyên dương $k$ để $n_k = 1$ và tính $k$ khi $n = 2^{16}.14^{17}$.

Hết

Lời giải. 

Bài 1: 

a) Đây là hệ đối xứng loại 2, nên phương pháp giải là lấy (1) – (2) để có thừa số $x-y$, từ đó giải tiếp.

Chú ý xét trường hợp và điều kiện $x_o > 0, y_o > 0$ để biện luận. Những dạng toán này chú ý tính toán cẩn thận và xét đầy đủ các trường hợp.

b) Là bài dạng  biểu thức nghiệm không đối xứng, có nhiều cách, có thể tính nghiệm theo $m$ từ đó suy ra $m$.

Lời giải.

a) Khi $m = -3$ ta có hệ:

$\left\{\begin{array}{l} (x-2y)(x-3y)=12 \\(y-2x)(y-3x) = 12 \end{array} \right.$

$\Leftrightarrow \left\{\begin{array}{l} x^2-5xy+6y^2=12 (1)\\y^2-5xy+6x^2 = 12(2) \end{array} \right.$

Lấy (1) – (2) ta có $5(y^2-x^2) = 0 \Leftrightarrow x = y, x = -y$.
Với $x= y$ thế vào (1) ta có $x^2 =6 \Leftrightarrow x = \sqrt{6}, y = \sqrt{6}$ hoặc $x=-\sqrt{6}, y = -\sqrt{6}$.
Với $x = -y$ thế vào (1) ta có $x^2 = 1 \Leftrightarrow x = 1, x = -1$. Với $x = 1, y = -1$, với $x=-1, y = 1$.
Vậy hệ phương trình có 4 nghiệm.
Hệ có thể viết lại $\left\{\begin{array}{l} x^2+(m-2)xy-2my^2 = m^2-2m-3 (1)\\y^2+(m-2)xy-2mx^2= m^2-2m-3(2) \end{array} \right.$

Lấy (1) – (2) ta có $(2m+1)(y^2-x^2) = 0$.
Xét $m = \dfrac{-1}{2}$ ta có hệ trở thành: $x^2 – \dfrac{5}{2}xy + y^2 + \dfrac{7}{4}=0$, có nghiệm $ (\dfrac{5+\sqrt{2}}{2},2)$ thỏa đề bài.
Xét $m \neq \dfrac{-1}{2}$ ta có $x = y$ hoặc $x = -y$.

Trường hợp $x = -y$ không thỏa đề bài.
Trường hợp $x = y$, thế vào (1) ta có:

$-(m+1)x^2 = m^2-2m-3 = (m+1)(m-3)$.
Nếu $m = -1$ ta có $(x-2y)(x-y) = 0, (y-2x)(y-x) = 0$ có nghiệm thỏa đề bài, chỉ cần chọn $x=1, y=1$.
Nếu $m \neq -1$ ta có $x^2 = 3-m$ để có nghiệm $x_o = y_o > 0$ thì $m < 3$.

Khi đó phương trình có nghiệm $x_0 = \sqrt{3-m}, y_o = \sqrt{3-m}$ thỏa đề bài.

Kết luận $m = \dfrac{-1}{2}, m = -1$ và $m < 3$.

b) Điều kiện để phương trình có hai nghiệm phân biệt $\Delta = (1-2a)^2-4a(1-a) = 8a^2-8a+1 > 0$.
Theo định lý Viete ta có $x_1 + x_2 = \dfrac{2a-1}{a}$, suy ra $ax_1 + ax_2 = 2a – 1$. Suy ra $ax_1 = 2a-1-ax_2$.
Kết hợp giả thiết ta có $x_2^2+ax_2-2a+1=a^2-a-1
\Leftrightarrow x_2^2+ax_2-a^2-a+2=0
\Leftrightarrow ax_2^2+a^2x_2-a^3-a^2+2a=0$ (1).
Mà $x_2$ là nghiệm của phương trình nên ta có $ax_2^2+(1-2a)x_2+1-a = 0 (2)$.
Lấy (1) – (2) ta có $(a^2+2a-1)x_2 = a^3+a^2-3a+1$, mà $a \geq 1$ nên $a^2 + 2a – 1 \neq 0$, suy ra $x_2 = a-1$.
Thế vào phương trình (1) ta có $(a-1)^2+a(a-1)-a^2-a+2 = 0 \Leftrightarrow a=1, a=3$.
Thử lại ta nhận hai giá trị $a = 1, a=3$.

Bài 2.

a) Giả sử trong hai số $x, y$ có một số chẵn, vì vai trò $x, y$ như nhau nên có thể giả sử $x$ chẵn. Suy ra $x^2 + y^2 + 10$ chia hết cho 2, suy ra $y$ chẵn. Khi đó $x^2 + y^2 + 10$ chia hết cho 4, suy ra 10 chia hết cho 4 vô lý.
Vậy trong hai số đều là số lẻ.
Đặt $d= (x,y)$, $x= d.x’, y = d.y’$ ta có $x^2 + y^2 + 10 = d^2(x’^2 + y’^2) + 10$ chia hết cho $d^2x’y’$. Suy ra 10 chia hết cho $d^2$. Suy ra $d= 1$. Vậy $x, y$ nguyên tố cùng nhau.

b) Đặt $x = 2m + 1, y = 2n + 1$, suy ra $k = \dfrac{4(m^2+m+n^2+n+3}{(2m+1)(2n+1)}$, ta có $4, (2m+1).(2n+1)$ nguyên tố cùng nhau. Suy ra $m^2 + n^2 +m+n+3$ chia hết cho $(2m+1)(2n+1)$. Từ đó ta có $k$ chia hết cho 4. Chứng minh $k \geq 12$ bằng hai cách.
Cách 1: Ta có $x^2 + y^2 + 10 = kxy$.
Nếu trong hai số $x, y$ có một số chia hết cho 3, giả sử $x$ chia hết cho 3. Ta có $y^2 + 10$ chia hết cho 3 vô lý vì $y^2 $ chia 3 dư 0 hoặc dư 1.
Vậy $x, y$ không chia hết cho 3, suy ra $x^2 + y^2 + 10$ chia hết cho 3 và $3, xy$ nguyên tố cùng nhau. Do đó $k$ chia hết cho 3.
Do đó $k$ chia hết cho 12, vậy $k\geq 12$.
Cách 2: Xét $k=4$ ta có $x^2 + y^2 + 10 = 4xy$ () $\Leftrightarrow (x-2y)^2 = 3y^2 – 10$.
Ta có $(x-2y)^2$ chia 3 dư 0 hoặc 1 mà $3y^2-10$ chia 3 dư 2, nên phương trình () không có nghiệm nguyên dương.
Xét $k=8$ ta có $x^2 + y^2 + 10 = 8xy (*)\Leftrightarrow (x-4y)^2 = 15y^2 -10$.
Ta có $(x-4y)^2$ chia 3 dư 0 hoặc 1 mà $15y^2-10$ chia 3 dư 2 nên (**) không có nghiệm nguyên dương.
Vậy $k \geq 12$.

Bài 3. Bài này là bài bdt khó, nhưng câu a đã gợi ý để làm câu b, chú ý các bdt phụ quan trọng.

a) Ta có $(x+y+z)^2 = x^2+y^2+z^2 + 2(xy+yz+xz)$. Suy ra $xy + yz + xz = -3$.
Ta có $S = (x-y)^2 + (x-y)(y-z) + (y-z)^2 $

$= x^2 -2xy+y^2+xy-y^2+yz-xz+y^2-2yz + z^2$

$= x^2+y^2+z^2-yx-yz-xz = 9$.

b) Ta có thể chứng minh trực tiếp không qua câu a) như sau:

$(x-y)(y-z) \leq \dfrac{1}{3}((x-y)^2+(x-y)(y-z) + (y-z)^2) = 3$. Suy ra $P \leq 3|x-z|$.
Ta có $|x-z| \leq \sqrt{2(x^2+z^2)}\leq \sqrt{2(x^2+y^2+z^2)}= \sqrt{12}$. Suy ra $P \leq 3\sqrt{12} = 6\sqrt{3}$.
Đẳng thức xảy ra khi $x = \sqrt{3}, y =0, z = -\sqrt{3}$.

Vậy giá trị lớn nhất của P là $6\sqrt{3}$ khi $x = \sqrt{3}, y =0, z = -\sqrt{3}$

Ngoài ra ta có thể áp dụng câu a: Đặt $a = x-y, b = y-z$ ta có $a^2+b^2+ab = 9$, cần tìm giá trị lớn nhất của $P = ab(a+b)$.

Áp dụng $ab \leq \dfrac{1}{4} (a+b)^2$ và $a^2+b^2+ab \geq \dfrac{3}{4} (a+b)^2$. Ta có điều cần chứng minh.

Bài 4. Đây là bài hình khó và dài, các em chú ý hình vẽ cụ thể là góc, vẽ hình chính xác. 

Tránh dùng các kiến thức cấp 3: phương tích trục đẳng phương,…

a) Ta có $\angle EAB + \angle BAC = 90^\circ, \angle FAC + \angle BAC = 90^\circ$. Suy ra $\angle EAB = \angle FAC$.
Mặt khác có $\angle ABE = \angle ACF = 90^\circ$. Suy ra $\triangle ABE \backsim \triangle ACF$.
Suy ra $AE\cdot AC = AF\cdot AB$ mà $ AC = AQ, AB = AN$. Suy ra $AE\cdot AQ = AN\cdot AF$. Suy ra tứ giác $QNEF$ nội tiếp.
b) Cách 1: Gọi $T$ là giao điểm của $MB$ và $CP$. Ta có $ABTC$ nội tiếp và $AT$ là đường kính của đường tròn ngoại tiếp tam giác $ABC$. Mặt khác ta có $AF|| ET, AE|| FT$ nên $AETF$ là hình bình hành. Suy ra trung điểm $EF$ cũng là trung điểm $AT$. Do đó trung điểm $I$ của $EF$ là tâm đường tròn ngoại tiếp tam giác $ABC$.
Cách 2: Xét hình thang $AEBF$, gọi $X$ là trung điểm của $AB$ khi đó $IX$ thuộc đường trung bình của hình thang, suy ra $IX || BE$ hay $IX$ vuông góc $AB$ vậy $IX$ là trung trực của đoạn $AB$. Chứng minh tương tự thì $I$ cũng thuộc trung trực đoạn $AC$. Vậy $I$ là tâm ngoại tiếp của tam giác $ABC$.

b) $DA$ cắt $EF$ tại $K’$ ta có $\angle NFK’ = \angle NQA$ (vì $NQFE$ nội tiếp). Mà $\angle NQA = \angle NDA$(vì $AQDN$ nội tiếp). Suy ra $\angle NDA = \angle AFK’$.
Suy ra $NDFK’$ nội tiếp. Chứng minh tương tự ta có $DQK’E$ nội tiếp.
Do đó $K’$ là giao điểm của đường tròn ngoại tiếp hai tam giác $DQM$ và $DPN$. Vậy $K’ \equiv K$. Suy ra $D, A, K$ thẳng hàng.
Ta có $\angle BKE = \angle EAB = \angle CAF = \angle CKF$. Suy ra $\angle BKC = 180^\circ – 2 \angle BKE = 2(90^\circ – \angle EAB) = 2\angle BAC = \angle BIC$. Suy ra $BKIC$ nội tiếp. Mà $IBJC$ nội tiếp, suy ra và $JB = JC$ nên $\angle BKJ = \angle CKJ$. Hay $KJ$ là phân giác $\angle BKC$.
Mặt khác $\angle BKA = 180^\circ – \angle AEB = 180^\circ – \angle AFC = \angle AKC$. Suy ra tia đối của tia $KA$ cũng là phân giác của $\angle BKC$. Do đó $A, K, J$ thẳng hàng.
Vậy 4 điểm $D, A, K, J$ thẳng hàng.

Bài 5. Đây là bài toán lạ và khá hay, sử dụng đơn biến.

Ta có $s(n_i) < n_i$, suy ra $n_i – s(n_i) \geq 1$. Suy ra $n_{i+1} \geq 1$. Do đó $n_i \geq 1$ với mọi $i = 1, 2, …$.
Mặt khác $n_{i+1} = n_i – s(n_i) < n_i$ với mọi $i$. Suy ra $n=n_o > n_1 > n_2 > …>…$.
Nếu không tồn tại $n_k$ để $n_k = 1$ ta xây dựng được dãy vô hạn các số nguyên dương giảm và nhỏ hơn $n$ (vô lý) vì số các số nhỏ hơn $n$ là bằng $n-1$.
Vậy tồn tại $k$ sao cho $n_k = 1$.
Với $n=2^{16}.14^{17} = 2^{33}.7^{17}$, ta có $n_1 = 2^{33}7^{17} – 2^{32}.7^{17}= 2^{32}.7^{17}$.\
$n_2 = 2^{31}.7^{17}$.
Tiếp tục ta có $n_{33} = 7^{17}$.
Đặt $m_o= 7^{17}$ ta có $m_1 = 6.7^{16}$, $m_2 = 3.7^{16}, m_3 = 2.7^{16}, m_4 = 7^{16}$. Tương tự ta có $m_8 = 7^{15}$,…,$m_{68} = 7^0 = 1$.
Vậy $k = 33 + 68 = 101$.

Đáp án và bình luận thi vào lớp 10 PTNK năm 2013: Đề chuyên toán

ĐỀ BÀI

BÀI 1. Cho phương trình $x^2-4mx+m^2-2m+1=0$ (1) với m là tham số .

a) Tìm m sao cho phương trình (1) có hai nghiệm phân biệt. Chứng minh rằng khi đó hai
nghiệm không thể trái dấu.
b)  Tìm $m$ để phương trình có hai nghiệm $x_1, x_2$ thỏa $|x_1 -x_2| =1$.

BÀI 2.  Giải hệ phương trình $\left\{ \begin{array}{l}
3{x^2} + 2y + 1 = 2z\left( {x + 2} \right)\\
3{y^2} + 2z + 1 = 2x\left( {y + 2} \right)\\
3{z^2} + 2x + 1 = 2y\left( {z + 2} \right)
\end{array} \right.$

BÀI 3. Cho $x, y$ là hai số không âm thỏa $x^3+y^3 < x- y$.

a) Chứng minh rằng $y \leq x \leq 1$.
b) Chứng minh rằng $x^3+y^3 \leq x^2 + y^2 \leq 1$.

BÀI 4.  Cho $M = a^2 + 3a + 1$ với $a$ là số nguyên dương.

a) Chứng minh rằng mọi ước của $M$ đều là số lẻ.
b) Tìm $a$ sao cho $M$ chia hết cho 5. Với những giá trị nào của $a$ thì $M$ là lũy thừa của 5?

BÀI 5.  Cho tam giác $ABC$ có góc $\angle A = 60^o$ , đường tròn $(I)$ nội tiếp tam giác (với tâm I) tiếp xúc với các cạnh $BC,CA,AB$ lần lượt tại $D,E,F$. Đường thẳng $ID$ cắt $EF$ tại $K$, đường thẳng qua $K$ và song song với $BC$ cắt $AB,AC$ theo thứ tự tại $M,N$.

a) Chứng minh rằng các tứ giác $IFMK$ và $IMAN$ nội tiếp .
b) Gọi $J$ là trung điểm cạnh $BC$.Chứng minh rằng ba điểm $A,K,J$ thẳng hàng.
c) Gọi $r$ là bán kính của dường tròn $(I)$ và $S$ là diện tích tứ giác $IEAF$.Tính $S$ theo $r$ và
chứng minh $S_{IMN} \geq \dfrac{S}{4}$ ($S_{IMN}$ là diện tích tam giác $IMN$).

BÀI 6.  Trong một kỳ thi, 60 thí sinh phải giải 3 bài toán. Khi kết thúc kỳ thi , người ta nhận
thấy rằng: Với hai thí sinh bất kỳ luôn có ít nhất một bài toán mà cả hai thí sinh đó đều giải
được. Chứng minh rằng :

a) Nếu có một bài toán mà mọi thí sinh đều không giải được thì phải có một bài toán khác mà
mọi thí sinh đều giải được .
b) Có một bài toán mà có ít nhất 40 thí sinh giải được.

LỜI GIẢI

Nhìn vào đề này thấy độ phức tạp nhẹ nhàng, các câu dễ có thể một phát ăn ngay là bài 1, 3a, 4a, 4b ý đầu, 5a.

Tiếp theo là các câu khó hơn như 2,3b ý sau, 5b, 5c và khó nhằn nhất có lẽ là bài tổ hợp.

Bài hình trong đề này là một bài rất quen thuộc, do đó việc giải lại các bài toán đã học là một việc quan trọng. Chú ý những lỗi suy luận trong làm bài, các em tự làm và tự đánh giá điểm để xem được nhiêu điểm nhé, đáp án sẽ có sau vài ngày nữa.

Bài 1. (1,5 điểm) 

a) Phương trình có hai nghiệm phân biệt khi và chỉ khi $\Delta ‘ = 3m^2+2m-1> 0 \Leftrightarrow m > \dfrac{1}{3}$ hoặc $m < – 1$. Khi đó tích hai nghiệm của phương trình $x_1x_2 = (m-1)^2 \geq 0$ nên phương trình không thể có hai nghiệm trái dấu.

b) Điều kiện để phương trình có hai nghiệm $x_1, x_2$ không âm:

$\Delta’ = 3m^2+2m-1\geq 0; S = x_1+x_2 \geq 0; P=x_1x_2 = m^2-2m+1 \geq 0$

$\Leftrightarrow m \geq \dfrac{1}{3} $
Ta có $|\sqrt{x_1}-\sqrt{2}| = 1 $
$\Leftrightarrow x_1 + x_2 – \sqrt{x_1x_2} = 1 $
$\Leftrightarrow 4m – 2\sqrt{m^2-2m+1} = 1 $
$\Leftrightarrow m = \dfrac{1}{2} (n), m = \dfrac{-1}{2} (l)$.

Bình luận Nhiều bạn xét $P \geq 0$ suy ra phương trình có hai nghiệm cùng dấu, cái này là suy luận sai, vì còn trường hợp bằng 0, tốt nhất là dùng phản chứng.

Bài 2. (1 điểm) Cộng ba phương trình lại ta có:
$3(x^2+y^2+z^2) + 2(x+y+z)+3 = 2(xy+yz+zx) + 4(x+y+z)$

$\Leftrightarrow 3(x^2+y^2+z^2)-2(xy+yz+xz) – 2(x+y+z)+3 = 0$

$\Leftrightarrow (x-y)^2+(y-z)^2+(z-x)^2 + (x-1)^2+(y-1)^2+(z-1)^2 = 0$
$\Leftrightarrow \left\{\begin{array}{l}x=1\\y=1\\z=1
\end{array} \right.$
Thử lại thấy $(1, 1,1)$ là nghiệm của hệ.

Bình luận: Bài này hệ hoái vị vòng quanh, bất đẳng thức là một trong những cách hay dùng.

Bài 3. (1,5 điểm) 

a) Ta có $x – y \geq x^3 + y^3 \geq 0$, suy ra $x \geq y$.
Ta có $x \geq y + y^3 + x^3 \geq x^3$, suy ra $x(1-x)(1+x) \geq 0$. \Suy ra $0\leq x \leq 1$.
Do đó $0 \leq y \leq x \leq 1$.
b) Từ câu a ta có $0 \leq y \leq x \leq 1$, suy ra $x^3 \leq x^2, y^3 \leq y^2$. Suy ra $x^3+y^3 \leq x^2+y^2$.
Ta có $x – y \geq x^3+y^3 \geq x^3-y^3 \geq 0$.
Suy ra $x^2+y^2+xy \leq 1$, suy ra $x^2+y^2 \leq 1$.
Vậy $x^3+y^3\leq x^2+y^2 \leq 1$.

Bình luận: Đây là bất đẳng thức tương đối dễ, chỉ dùng các biến đổi đơn giản, tuy vậy để làm được ý cuối trong điều kiện phòng thi thì không đơn giản.

Bài 4. (1,5 điểm) 

a)Ta có $M = a^2 + 3a + 1 = a(a+1) + 2a + 1$. Mà $a(a+1)$ là tích hai số tự nhiên liến tiếp nên chia hết cho 2, suy ra $M = a(a+1) + 2a +1$ là số lẻ, do đó mọi ước của $M$ đều là số lẻ.
b) Giả sử $M = a^2 + 3a + 1$ chia hết cho 5. Mà $M = (a-1)^2 + 5a$ nên $(a-1)^2$ chia hết cho 5. Suy ra $a = 5k + 1$ ($k$ là số tự nhiên).
Thử lại thấy với $a = 5k + 1$ thì M chia hết cho 5.
Giả sử $M = (a-1)^2+ 5a = 5^n$.
Nếu $n \geq $ ta có $M$ chia hết cho 25.
Từ M chia hết cho 5, tương tự trên ta có $a = 5k + 1$.
Khi đó $M = 25k^2 + 25k + 5 = 5(5k^2+5k+1)$. Ta có $5k^2 + 5k + 1$ không chia hết cho 5 nên M không chia hết cho 25. (mâu thuẫn).
Nếu $n = 1$. Khi đó $k = 0, a= 1$ và $A=5$ thỏa đề bài.
Đáp số $a = 1$.

Bình luận: Bài này thực chất là bài phương trình nghiệm nguyên, cách hay sử dụng là đồng dư, và đưa ra điều kiện của $a$, ta cũng có thể thử vài giá trị để đoán được nghiệm, từ đó cho ra cách giải.

Bên cạnh đó, nắm chắc một chút các phương pháp chia hết như biến đổi thành tổng.

Bài 5.  (3 điểm) 

a) Do $MN|| BC$ nên $IK \bot MN$. Do $\angle IKN = \angle IFM = 90^\circ$ nên tứ giác $IFMK$ nội tiếp. Tam giác $AEF$ đều nên $\angle KFI = 30^\circ$. Từ đó $\angle IMN = \angle KFI = \angle IAN = 30^\circ$ nên tứ giác $IMAN$ nội tiếp.
b) Ta có $\angle IMN = \angle INM = 30^\circ$ nên tam giác $IMN$ cân tại $I$.
Lại có $IK \bot MN$ nên $K$ là trung điểm của $MN$.
Gọi $J’$ là giao điểm của $AK$ và $BC$, ta có $\dfrac{MK}{BJ’} = \dfrac{AK}{AJ’} = \dfrac{NK}{CJ’}$ mà $MK = NK$ nên $BJ’ = CJ’$. Suy ra $J’$ là trung điểm của $BC$. Suy ra $J \equiv J’$, do đó $A, K, J$ thẳng hàng.
b) Ta có $AE = AF = r\sqrt{3}$, suy ra $S = 2S_{IAF} = 2.\dfrac{1}{2}IF\cdot AF = r^2 \sqrt{3}$.

Ta chứng minh được $S_{IEF} = \dfrac{1}{4}S$.
Các tam giác $IMN$ và $IEF$ cân tại $I$ có $\angle IMN = \angle IEF$ nên đồng dạng. Do đó $\dfrac{S_{IMN}}{S_{IEF}} = \dfrac{IM^2}{IF^2} \geq 1$ (do $IM \geq IF$). Suy ra $S_{IMN} \geq S_{IEF} = \dfrac{S}{4}$.
Dấu bằng xảy ra khi $M \equiv F$ hay tam giác $ABC$ là tam giác đều.

Bình luận. Đây là một mô hình quen thuộc của đường tròn nội tiếp, hầu hết các bạn đã gặp bài toán này, do đó nắm chắc các bài toán là một lợi thế.

Bài 6. (1,5 điểm) 

a) Kí hiệu các bài toán là BT1, BT2, BT3.
Từ giả thiết suy ra rằng mọi thí sinh đều giải được ít nhất một bài toán.
Ta giả sử, mọi thí sinh đều không giải được BT1. Khi đó mọi thí sinh đều giải được BT2 hoặc BT3. Nếu có một thí sinh chỉ giải được 1 bài toán, giả sử đó là bài toán 2. Khi đó theo đề bài thì mọi thí sinh khác đều giải được bài toán 2. Vậy mọi thí sinh đều giải được bài toán 2. Còn nếu tất cả các thí sinh đều giải được 2 bài toán thì cũng thỏa.

b) Ta xét hai trường hợp:
TH1: Có một thí sinh nào đó giải đúng một bài toán, theo câu a thì mọi thí sinh đều giải được bài toán đó, ta có điều cần chứng minh.
TH2: Mọi thí sinh đều giải được ít nhất 2 bài toán. Gọi $a$ là số thi sinh giải được cả 3 bài toán, $b$ là số thí sinh giải được BT1 và BT2, $c$ là số thí sinh giải được BT2 và BT3, $d$ là số thí sinh giải được BT1 và BT3.
Ta có $a + b+ c+ d = 60$.
Nếu $b, c, d > 20$, suy ra $b+c+d > 60$ vô lý. Do đó có một trong ba số $b, c, d$ phải nhỏ hơn hoặc bằng 20. Giả sử là $b \leq 20$. Suy ra $a+c+d \geq 40$.

Hay số thí sinh giải được bài BT3 không ít hơn 40. Điều cần chứng minh.

Bình luận: Đây là bài tổ hợp vừa phải, câu a, chỉ cần đọc kĩ giả thiết là làm được.

Câu b, là biểu đồ venn có thể suy nghĩ đến khi cần phân ra các tập rời nhau.

Bên cạnh đó phản chứng là phương pháp được sử dụng.

Nhìn chung đề này có nhiều câu dễ và quen thuộc, với những câu đó phải làm trước và làm thật chắc, khi đó mới có nhiều thời gian làm các câu khó.

Một số bài toán số học ôn thi vào 10 – P1

Bài 1. Tìm tất cả các số nguyên tố $p$ sao cho tổng các ước dương của $p^4$ là một số chính phương.

Lời giải

  • Theo đề ta có phương trình $1+p+p^2+p^3+p^4 = x^2$.
  • Ta có $(2p^2+p)^2< 4x^2 < (2p^2+p+2)$.
  • Do đó $4x^2 = (2p^2+p+1) = 4p^2+4p^3+4p^2+4p+4$
  • $p^2 -2p – 3 = 0 \Leftrightarrow p=3$.

Bài 2.  Cho $m,n$ là các số nguyên dương thỏa $m+m+1$ là một ước nguyên tố của $2(m^2+n^2)-1$. Chứng minh rằng $m.n$ là một số chính phương.

Lời giải

Ta có $2m^2+2n^2 -1 = (m+n)^2+(m-n)^2 -1 = (m+n-1)(m+n+1) + (m-n)^2$ chia hết cho $m+n-1$,

suy ra $(m-n)^2$ chia hết cho $m+n+1$.

Mà $m+n+1$ nguyên tố, suy ra $(|m-n|,m+n+1) = 1$, do đó $m=n$, suy ra $mn = m^2$ là số chính phương.

Bài 3.  Chứng minh rằng nếu tích của hai số nguyên tố cùng nhau là một số chính phương thì mỗi số cũng là số chính phương.

Lời giải

Cho $ab = x^2$, trong đó $(a,b)=1$.\
Đặt $d = (a,x), a=a’d, x=x’d$ ta có $a’b = x’^2d$. \
Do $(a’,x’^2)=1$ nên $b$ chia hết cho $x’^2$. \
Mặt khác do $(a,b) = 1$ nên $(b,d) = 1$, suy ra $x’^2$ chia hết cho $b$.\
Do đó $b=x’^2$, $a’=d$. Từ đó ta có $a=a’^2, b= x’^2$ là các số chính phương.\
\textbf{Nhận xét} Tương tự nếu $(a,b) = 1$ và $ab = x^k$ thì $a, b$ là lũy thừa bậc $k$ của một số nguyên.\
Đây là một bổ đề rất hay sử dụng.

Bài 4. Cho các số nguyên dương $a, b$ thỏa $2{a^2} + a = 3{b^2} + b$.
a) Tìm $a, b$ biết $a$ và $b$ là hai số nguyên tố cùng nhau.
b) Chứng minh $a-b$ và $2a + 2b + 1$ là các số chính phương.

Lời giải

a) $a(2a+1) = b(3b+1)$. Ta có $3b +1$ chia hết cho $a$ và $2a+1$ chia hết cho $b$.
Đặt $2a + 1 = kb$, suy ra $3b+1 = ka$. Suy ra $6ab + 2a+3b+1 = k^2ab$, suy ra $k = 1, 2$.
Nếu $k = 1$ ta có $2a+1 = b, 3b+1 = a$ (Vô nghiệm).
Nếu $k = 2$ ta có $2a+1 = 2b, 3b+1 = 2a$. (Vô nghiệm).
Phương trình vô nghiệm.
b) Ta có $(a-b)(2a+2b+1) = b^2$.
Giả sử $p$ là ước nguyên tố của $a-b, 2a+2b+1$, suy ra $p|b^2 \Rightarrow p|b$, suy ra $p|a$, suy ra $p|1$ (vô lý).\
Do đó $(a-b,2a+2b+1) = 1$.
Từ đó ta có $a-b, 2a+2b+1$ là các số chính phương.

Bài 5. Tìm tất cả số tự nhiên $a$ để tồn tại các số nguyên tố $p, q, r$ thỏa $$a=\dfrac{p+q}{r}+
\dfrac{q+r}{p}+ \dfrac{p+r}{q}$$.

Lời giải

  •  Nếu trong 3 số có đúng 2 số bằng nhau, giả sử $p = q \neq r$. Khi đó ta có $a = 2(\dfrac{p}{r}+\dfrac{r}{p}) + 2$. Suy ra $\dfrac{2(p^2+r^2)}{pr} = a-2$.

Suy ra $pr|2(p^2+r^2)$, mà $(p,r) = 1$, suy ra $p|2$, suy ra $p=2$. Vô lý.

  • Nếu 3 số đều khác nhau. Ta có $apqr = pq(p+q) + qr(q+r) + pr(p+r)$. Suy ra $p|qr(q+r)$, suy ra $p|p+q+r$.
    Tương tự ta có $q|p+q+r, r|p+q+r$. Suy ra $pqr|p+q+r$.
    Ta có $pqr > 4r$, suy ra $3pqr > 4(p+q+r) > 4pqr$. Vô lý.
  • 3 số bằng nhau, thì $a = 6$.

Bài tập

Bài 1. Cho $m,n$ và $d$ là các số nguyên dương. Chứng minh rằng nếu $mn^2 + 1$ và $m^2n+1$ cùng chia hết cho $d$ thì $m^3+1$ và $n^3+1$ cũng chia hết cho $d$.

Bài 2. Cho $n \geq 3$ là số tự nhiên sao cho $3n+1$ là số chính phương. Chứng minh rằng có thể tìm được các số nguyên dương $a,b, c$ sao cho $$x = \sqrt{1+\dfrac{3n+3}{a^2+b^2+c^2}} $$
là một số nguyên.

Bài 3. Tìm tất cả các số nguyên $n$ sao cho $n = q(q^2-q-1) = r(2r+1)$ với $p, r$ là các số nguyên tố.

Định lý Viete và áp dụng nâng cao

Leave a reply

1. Định lý Viete và áp dụng

Định lý Viete: Nếu phương trình $ax^2 + bx + c=0$ $(a\ne 0)$ có hai nghiệm $x_1$, $x_2$ $(\Delta \ge 0)$  thì $$S=x_1+x_2 =-\dfrac{b}{a},\ P=x_1x_2 = \dfrac{c}{a}$$

Ví dụ 1: Cho phương trình $x^3 -4x\sqrt{x} +m + 1=0$ $(1)$

a) Giải phương trình $(1)$ khi $m=-33$

b) Tìm $m$ để phương trình $(1)$ có đúng hai nghiệm phân biệt $x_1$, $x_2$ thỏa $x_1^6 +x_2^6=82$.

Giải

Đặt $t=x\sqrt{x} \ge 0$

a) Khi $m=-33$ ta có phương trình: $t^2 -4t -32=0  \Leftrightarrow t=-4 \ ( \text{loại})  \text{ hoặc } \ t=8  ( \text{nhận})$

Với $t = 8$ ta được $x = 4$.

b) Với $t=x\sqrt{x}$ thì phương trình $(1)$ tương đương $t^2-4t+m+1=0 \ \ \ (2)$

Để $(1)$ có hai nghiệm phân biệt thì $(2)$ phải có hai nghiệm phân biệt không âm $\Leftrightarrow \begin{cases} \Delta’>0 &\\\\ S>0 &\\\\ P\ge 0 \end{cases}$

Ta có $\Delta’ =3-m >0 \Leftrightarrow m<3 $ và $\left\{ \begin{array}{l} S=t_1 + t_2 =4 \\ P =t_1t_2=m+1 \end{array} \right. $

Khi đó $x_1^6 + x_2^6 = t_1^4 + t_2^4 $

$= \left( t_1^2 + t_2^2 \right) ^2 – 2t_1^2 t_2^2 $

$= \left[ S^2 -2P \right] ^2 -2P^2 $

$= (14-2m)^2 -2(m+1)^2 $

$= 2m^2 -60m +194 $

$x_1^6 + x_2^6 =82 \Leftrightarrow m^2 -30m +56 =0 \Leftrightarrow \left[ \begin{array}{l} m=2 \\ m=28 \end{array} \right.$

Chỉ có $m=2$ thoả các điều kiện. Vậy $m=2$ thoả yêu cầu đề bài.

Ví dụ 2: Cho phương trình $\dfrac{(x+1)(x^2+mx+2m+14)}{\sqrt{x}} = 0 \ (1)$.

a) Giải phương trình $(1)$ khi $m = -8$.

b) Tìm $m$ để phương trình $(1)$ có 2 nghiệm phân biệt $x_1,x_2$ sao cho: $\sqrt{x_2^2+(m+1)x_2+2m+14} = 3 – \sqrt{x_1}$

Giải

a) Điều kiện $x > 0$.

Khi $m = -8$ ta có phương trình:

$\dfrac{(x+1)(x^2-8x-2)}{\sqrt{x}} = 0 \Leftrightarrow x^2-8x – 2 = 0$ (do $x+1 > 0$).

$\Leftrightarrow x = 4+3\sqrt{2} $ (n) hoặc  $x=4-3\sqrt{2} $ (l).

Vậy phương trình có một nghiệm $x = 4 +3\sqrt{2}$.

b) Phương trình $(1)$ tương đương $x^2+mx+2m+14 = 0$  $(2)$

Để $(1)$ có $2$ nghiệm phân biệt thì $(2)$ có hai nghiệm phân biệt dương, tương đương $\Delta = m^2-4(2m+14) > 0,  S = -m > 0,  P = 2m + 14 >0   (*)$

Khi đó $x_1 + x_2 = -m, x_1x_2 = 2m+14$ và $x_2$ là nghiệm nên $x_2^2+mx_2+2m+14 = 0$, suy ra $x_2^2+(m+1)x_2 +2m+14 = x_2$.

Do đó $\sqrt{x_2^2+(m+1)x_2+2m+14} = 3 – \sqrt{x_1}$

$\Leftrightarrow \sqrt{x_1}+\sqrt{x_2}=3$

$\Leftrightarrow x_1 + x_2 +2\sqrt{x_1x_2}=9$

$\Leftrightarrow 2\sqrt{2m+14}=9+m $ (điều kiện $m\ge -9$)

$\Leftrightarrow 4(2m+14) = m^2+18m+81 $

$\Leftrightarrow m^2 +10m+25 = 0 $

$\Leftrightarrow m = -5 \,\, (n) $

Vậy $m = -5$ thoả yêu cầu đề bài.

Ví dụ 3: Gọi $a, b$ là hai nghiệm của phương trình $x^2 + px + 1 = 0$; $c, d$ là hai nghiệm của phương trình $y^2 + qy + 1 = 0$. Chứng minh rằng $$(a-c)(a-d)(b-c)(b-d) = (p-q)^2$$

Giải

Theo định lý Viete ta có $a+b=-p, ab = 1$ và $c+d = -q, cd = 1$.

Khi đó $(a-c)(a-d)(b-c)(b-d) = (a^2-a(c+d)+cd)(b^2-b(c+d)+cd)$

$= (a^2+aq+1)(b^2+bq+1)$

$= a^2b^2+abq^2+ab^2q + a^2bq + a^2+b^2+aq+bq+1$

$= 1+q^2+abq(a+b) + q(a+b)+1+(a+b)^2-2ab$

$= q^2-2pq+p^2 = (p-q)^2$.

Ví dụ 4: Cho phương trình $(m^2+5)x^2-2mx-6m=0$.

a) Tìm $m$ để phương trình có hai nghiệm phân biệt. Chứng minh rằng khi đó tổng hai nghiệm không thể là số nguyên.

b) Tìm $m$ để phương trình có hai nghiệm $x_1, x_2$ thoả $(x_1x_2-\sqrt{x_1+x_2})^4=16.$

Giải

a) Phương trình có hai nghiêm phân biệt khi và chỉ khi:

$\begin{cases} m^2+5 \ne 0 &\\ \Delta’=m^2+6m(m^2+5)>0 \end{cases}$

$\Leftrightarrow m(6m^2+m+30)>0$

$\Leftrightarrow m[5m^2+(m+\dfrac{1}{2})^2+\dfrac{119}{4}] >0$

$\Leftrightarrow m>0.$

Khi đó theo định lý Viete ta có $x_1 + x_2 = \dfrac{2m}{m^2+5}$.

Vì $m^2+5-2m = (m-1)^2 + 4 > 0$, suy ra $m^2+5 >2m > 0$.

Do đó $0 < \dfrac{2m}{m^2+5} < 1$ nên tổng hai nghiệm của phương trình không thể là số nguyên.

b) Điều kiện để phương trình có hai nghiệm $\Delta’ \geq 0 \Leftrightarrow m \geq 0$. Khi đó

$\begin{cases} x_1+x_2=\dfrac{2m}{m^2+5}&\\ x_1x_2=-\dfrac{6m}{m^2+5}. \end{cases}$

Ta có $(x_1x_2-\sqrt{x_1+x_2})^4=16 \Leftrightarrow x_1x_2-\sqrt{x_1+x_2}=2$ hoặc $x_1x_2-\sqrt{x_1+x_2}=-2$

Trường hợp 1: $x_1x_2 – \sqrt {x_1 + x_2} = 2 \Leftrightarrow \dfrac{{ – 6m}}{{{m^2} + 5}} – \sqrt {\dfrac{{2m}}{{{m^2} + 5}}} = 2$ .

Đặt $t = \sqrt {\dfrac{{2m}}{{{m^2} + 5}}} $ , ta có phương trình: $ – 3{t^2} – t = 2\left( {VN} \right)$

Trường hợp 2:  ${x_1}{x_2} – \sqrt {{x_1} + {x_2}} = – 2 \Leftrightarrow \dfrac{{ – 6m}}{{{m^2} + 5}} – \sqrt {\dfrac{{2m}}{{{m^2} + 5}}} = – 2$ .

Đặt $t = \sqrt {\dfrac{{2m}}{{{m^2} + 5}}} $ ta có phương trình: $-3t^2 -t = -2 \Leftrightarrow t = -1 (l), t=\dfrac{2}{3}$.

Với $t = \dfrac{2}{3}$ ta có $\dfrac{2m}{m^2+5} = \dfrac{4}{9}$. Giải ra được $m = 2\ (n), m = \dfrac{5}{2}\ (n)$.

Ví dụ 5: Cho phương trình $x^2-px+p=0$ với $p$. Tồn tại hay không số nguyên dương $p$ sao cho phương trình đã cho có nghiệm nguyên?

Giải

Ta có $\Delta=p^2-4p$.

Để phương trình có nghiệm nguyên thì $\Delta $ phải là số chính phương. Suy ra tồn tại số nguyên dương $k$ để

$p^2-4p=k^2$

$\Leftrightarrow k^2-(p-2)^2=4$

$\Leftrightarrow (k+p-2)(k-p+2)=4.$

Vì $k+p-2+k-p+2=2k $ là một số chẵn nên cả hai số $k+p-2$ và $k-p+2$ đều là số chẵn.

Từ đó $k+p-2=k-p+2=2$ hoặc $k+p-2=k-p+2=-2$.

Suy ra $p=2$. Khi đó phương trình trở thành $$x^2-2x+2=0.$$

Phương trình trên vô nghiệm vậy không tồn tại số nguyên dương $p$ thoả yêu cầu đề bài.

Ví dụ 6: Giả sử phương trình $2x^2+2ax+1-b=0$ có hai nghiệm nguyên . Chứng minh rằng $a^2-b^2+2$ là số nguyên không chia hết cho 3.

Giải

Theo định lý Viete ta có $x_1 + x_2 = -a, x_1x_2 = \dfrac{1-b}{2}$.

Khi đó $$Q= a^2 – b^2 + 2 = (x_1+x_2)^2 – (2x_1x_2-1)^2 + 2 = x_1^2 + x_2^2 -4x_1^2x_2^2 + 6x_1x_2 + 1$$ là một số nguyên.

Ta sẽ chứng minh $Q$ không chia hết cho 3.

Ta có tính chất sau, với một số nguyên $m$ bất kì thì nếu $m$ chia hết cho 3 thì $m^2$ chia hết cho 3. Nếu $m$ chia 3 dư 1 hoặc 2 thì $m^2$ chia 3 dư 1.

Ta có $Q = x_1^2 +x_2^2 – x_1^2x_2^2 + 1 – 3x_1^2x_2^2 + 6x_1x_2$.

Ta cần chứng minh $Q’ = x_1^2 + x_2^2 – x_1^2x_2^2 + 1$ không chia hết cho 3. Xét xác trường hợp sau:

TH1: Nếu $x_1, x_2$ không chia hết cho 3 thì $x_1^2 , x_2^2$ chia 3 dư 1. Khi đó $Q’$ chia 3 dư 2.

TH2: Nếu $x_1$ chia hết cho 3, $x_2$ không chia hết cho 3, khi đó $Q’$ chia 3 dư 2.

TH3: $x_1, x_2$ chia hết cho 3. Khi đó $Q’$ chia 3 dư 1.

Vậy $Q’$ không chia hết cho 3.

Do đó $Q$ không chia hết cho 3.

Ví dụ 7: Cho hai phương trình $x^2+ax+6=0$ và $x^2+bx+12=0$ có một nghiệm chung. Tìm GTNN của $|a|+|b|$.

Giải

Gọi $x_0$ là nghiệm chung của hai phương trình. Khi đó ta có

$\begin{cases} x_0^2+ax_0+6=0 \ \ \ (1)&\\ x_0^2+bx_0+12=0 \ \ \ (2) \end{cases}.$

Cộng vế theo vế hai phương trình trên ta được $2x_0^2+(a+b)x_0+18=0 \ \ \ (3).$

Tồn tại $x_0 \Leftrightarrow $ phương trình (3) phải có nghiệm $\Leftrightarrow \Delta=(a+b)^2-144 \ge 0 \Leftrightarrow |a+b| \ge 12.$

Mặt khác $|a|+|b| \ge |a+b| \ge 12$. Dấu “=” xảy ra $\Leftrightarrow \begin{cases} ab \ge 0&\\|a+b|=12. \end{cases}$

Nếu $a+b=12$ thì từ (3) suy ra $ 2x_0^2+12x_0+18=0$

$\Leftrightarrow x_0^2+6x_0+9=0$

$\Leftrightarrow (x_0+3)^2=0$

$\Leftrightarrow x_0=-3.$

Thay vào (1) và (2) suy ra $a=5, b=7$.

Nếu $a+b=-12$ thì từ (3) suy ra $2x_0^2-12x_0+18=0 \Leftrightarrow x_0=3.$

Thay vào (1) và (2) suy ra $a=-5, b=-7.$

Vậy GTNN của $|a|+|b|$ bằng 12 khi $(a,b)=(5,7)$ hoặc (-5,-7).

Ví dụ 8: Giả sử phương trình $ax^2+bx+c=0$ có hai nghiệm thuộc $[0,3]$. Tìm GTLN, GTNN của biểu thức $A=\dfrac{18a^2-9ab+b^2}{9a^2-3ab+ac}.$

Giải

Vì phương trình đã cho có hai nghiệm nên $a \ne 0$.

Khi đó $A=\dfrac{18- 9 \dfrac{b}{a}+ \left( \dfrac{b}{a}\right) ^2}{9-3\dfrac{b}{a}+\dfrac{c}{a}}.$

Gọi $x_1, x_2$ là hai nghiệm của phương trình đã cho. Khi đó $\begin{cases} x_1+x_2=-\dfrac{b}{a}&\\x_1x_2=\dfrac{c}{a}. \end{cases}$

Biểu thức cần tính trở thành

$A=\dfrac{18- 9 \dfrac{b}{a}+ \left( \dfrac{b}{a}\right) 2}{9-3\dfrac{b}{a}+\dfrac{c}{a}}=\dfrac{18+9(x_1+x_2)+(x_1+x_2)^2}{9+3(x_1+x_2)+x_1x_2}$

Giả sử $0 \le x_1 \le x_2 \le 3 \Rightarrow \begin{cases} x_1^2 \le x_1x_2&\\ x_2^2 \le 9 \end{cases} \Rightarrow (x_1+x_2)^2 \le x_1^2+x_2^2+2x_1x_2 \le 9+3x_1x_2.$

Suy ra $Q=\dfrac{18- 9 \dfrac{b}{a}+ (\dfrac{b}{a})^2}{9-3\dfrac{b}{a}+\dfrac{c}{a}}$

$=\dfrac{18+9(x_1+x_2)+(x_1+x_2)^2}{9+3(x_1+x_2)+x_1x_2} $

$\le \dfrac{18+9(x_1+x_2)+9+3x_1x_2}{9+3(x_1+x_2)+x_1x_2}=3.$

Dấu “=” xảy ra khi và chỉ khi $x_1=x_2=3$ hoặc $x_1=0$ và $x_2=3.$

Nếu $x_1=x_2=3$ thì $\begin{cases} \dfrac{-b}{a}=6&\\ \dfrac{c}{a}=9 \end{cases} \Leftrightarrow \begin{cases} b=-6a&\\ c=9a. \end{cases}$

Nếu $x_1=0, x_2=3$ thì $\begin{cases} -\dfrac{b}{a}=3&\\ \dfrac{c}{a}=0 \end{cases} \Leftrightarrow \begin{cases} b=-3a&\\ c=0. \end{cases}$

Ta có $$A-2=\dfrac{3(x_1+x_2)+x_1^2+x_2^2}{9+3(x_1+x_2)+x_1x_2} \ge 0 \Rightarrow A \ge 2.$$

Dấu “=” xảy ra khi $x_1=x_2=0 \Leftrightarrow b=c=0.$

Vậy GTLN của A là 3 và GTNN của A là 2.

2. Bài tập rèn luyện

Bài 1: Tìm $m$ để phương trình $\dfrac{(x+1)[m(mx+1)x+1-x]}{\sqrt{x}}=0$ có nghiệm.

Bài 2: Cho phương trình $(x^2-4(m+1)x-2m^2-1)(\sqrt{x}+x-6)=0$.

a) Giải phương trình khi $m=1$.

b) Chứng minh phương trình không thể có 3 nghiệm phân biệt.

Bài 3: Cho phương trình $\sqrt{x}(x+1)[mx^2+2(m+2)x+m+3=0]$.

a) Giải phương trình khi $m=1$.

b) Chứng minh phương trình không thể có 3 nghiệm phân biệt.

Bài 4: Cho phương trình $\dfrac{\sqrt{x}(mx^2-3(m+1)x+2m+3)}{x-2}=0$.

a) Giải phương trình khi $m=2$.

b) Tìm $m$ để phương trình có 3 nghiệm phân biệt.

Bài 5: Cho phương trình $x^4+2mx^2+4=0$.

a) Giải phương trình với $m=3$.

b) Tìm $m$ để phương trình có 0,1,2,3,4 nghiệm

c) Tìm $m$ để phương trình có 4 nghiệm phân biệt thoả $x_1^4+x_2^4+x_3^4+x_4^4=32$.

Bài 6: Cho phương trình $x^2-2(m+1)|x-2|-4x+m=0$.

a) Giải phương trình khi $m$=1.

b) Tìm $m$ để phương trình có 0,1,2,3,4 nghiệm.

Bài 7: Tìm $m$ để phương trình $x^3+2(m-1)x^2+(m^2-4m+1)x-2(m^2+1)=0$ có ba nghiệm phân biệt nhỏ hơn 3.

Bài 8: Tìm $m$ để phương trình $x^3-2mx^2+(2m^2-1)x+m(1-m^2)=0$ có 3 nghiệm phân biệt lớn hơn 1.

Bài 9: Cho phương trình $x++2\sqrt{x-1}-m^2+6m-11=0.$

a) Giải phương trình khi $m=2$.

b) Chứng minh rằng phương trình có nghiệm với mọi $m$.

Bài 10: Cho phương trình $(x^2-mx-2m^2)\sqrt{x-3}=0$.

a) Giài phương trình khi $m=2$.

b) Tìm $m$ để phương trình có hai nghiệm thoả $x_1^2+2x_2^2=7m^2+2$.

c) Chứng minh rằng phương trình đã cho luôn có không quá hai nghiệm phân biệt.

Bài 11: Cho phương trình $\dfrac{mx^2+(m-3)x+2m-1}{x+3}=0$.

a) Giải phương trình khi $m=-1$.

b) Tìm $m$ để phương trình có hai nghiệm thoả $21x_1+7m(2+x_2+x_2^2)=58.$

PHƯƠNG PHÁP ĐẾM BẰNG HAI CÁCH – Phần 1

Leave a reply

PHƯƠNG PHÁP ĐẾM BẰNG HAI CÁCH

(Dành cho học sinh lớp 10 chuyên toán)

Lời nói đầu
Đếm bằng hai cách là một phương pháp hay gặp trong đời sống, ví dụ bài toán sau: Một công ty nhập vào 3 xe hàng $ A, B, C $ gồm hai loại hàng $ I $ và $ II $. Trong đó xe $ A $ có 3 loại $ I $ và 2 loại $ II $, xe $ B $ có 4 loại $ I $ và 6 loại $ II $, xe $ C $ có 4 loại $ I $ và 6 loại $ II $. Tính số lượng hàng mà công ty nhâp vào. Đây là bài toán khá đơn giản, để giải bài toán ta có thể lập bảng và khi đó ta có thể tính bằng 2 cách như sau: Tính tổng số hàng trên mỗi xe rồi cộng lại; hoặc ta có thể tính tổng số hàng loại $ I $ trên 3 xe,tổng số hàng loại 2 trên 3 xe, rồi sau đó cộng lại.


Trên đây là một ví dụ của tính bằng hai cách, ta có thể tính tổng theo dòng hoặc có thể tính tổng theo cột. Tổng quát hơn ta có công thức đại số sau: $\sum_{i \in I,j \in J}a_{ij}=\sum_{j \in J}(\sum_{j \in J}a_{ij})=\sum_{j \in J}(\sum_{i \in J}a_{ij})$

Trong một số tình huống đề bài yêu cầu đếm số phần tử của một tập hợp mà không quan tâm ta đếm bằng cách nào, khi đó đếm bằng hai cách cho ta cùng một đáp số giống nhau, khi đó ta sẽ thiết lập được một đẳng thức tổ hợp. Một ví dụ đơn giản như đếm số tập con của tập có $ n $ phần tử, ta có thể đếm số tập có $ k $ phần tử với $ k = 0,1,…,n $, lấy tổng ta được $ C^0_n +C^1_n +….+C^n_n $. Nhưng nếu ta đếm bằng cách khác như sau: xét một tập hợp $ A $ bất kì, khi đó phần tử $ i $ có thể thuộc $ A $ hoặc $ i $ không thuộc $ A $, mỗi phần tử có 2 trường hợp, mà có $ n $ phần tử nên số tập $ A $ là $ 2^n $. Từ đó ta có đẳng thức $ C^0_n + C^1_n + …. + C^n_n = 2^n $. Đếm bằng hai cách cho ta một phương pháp để chứng minh đẳng thức liên quan tới hệ số khai triển nhị phân hay các đẳng thức tổ hợp.

Ngoài ra đếm bằng hai cách có thể áp dụng trong các bài toán bất đẳng thức, cực trị tổ hợp hay một số bài toán chứng minh sự tồn tại.

Để sử dụng phương pháp đếm bằng hai cách, đòi hỏi học sinh phải biết và vận dụng tốt các phép đếm cơ bản. Bài viết này được sử dụng để giảng dạy cho học sinh lớp 10 chuyên Toán, các em mới bước đầu làm quen với các bài toán tổ hợp nói chung và các bài toán đếm nói riêng nên ví dụ được nêu ra có độ khó không cao giúp các em làm quen với phương pháp này. Vì thời gian quá gấp rút nên không tránh khỏi sai sót, bạn đọc có thắc mắc xin liên hệ địa chỉ nguyentangvu@gmail.com,cảm ơn.

1. Chứng minh các đẳng thức tổ hợp
Ví dụ 1. Cho các số nguyên dương $ n $ và $ k $ với $ 0 < k \leq n $. Chứng minh các đẳng thức tổ hợp sau:

a) $ C_n^k=C^k_{n-1}+C^{k-1}_{n-1} $

b) $ \sum_{k \geq 0}C^{2k}_n=2^{n-1} $

Giải

a) Dễ thấy vế trái của đẳng thức là số cách chọn $ k $ phần tử từ  $ n $  phần

tử. Để chọn $ k $ phần tử từ $ n $ phần tử ta có thể làm như sau: Xét phần tử

$ a $, nếu $ a $ được chọn thì ta cần chọn thêm $ k−1 $ phần tử từ $ n−1 $

phần tử còn lại ta có $ C^{k−1}_{ n−1} $ cách. Nếu $ a $ không được chọn,

ta chọn $ k $ phần tử từ $ n−1 $ phần tử còn lại, ta có $ C^k_ {n−1} $. Do

đó số cách chọn trong hai trường hợp là $C^k_{n-1}+C^{k-1}_{n-1} $. Từ

đó ta có điều cần chứng minh.

b) Ta xét bài toán “đếm số cách chọn một số chẵn phần tử từ $ n $ phần tử”.Ta có thể đếm theo cách sau:

Cách 1: Ta có số cách chọn $ 2k $ phần tử từ $ n $ phần tử là $ C^{2k}_n $ . Khi

đó $ \sum_{k \geq 0}C^{2k}_n $ lần tổng số cách chọn một số chẵn phần tử từ

$ n $ phần tử.

Cách 2: Xét một phần tử $ a $, thì có hai khả năng $ a $ được chọn hoặc $ a $

không được chọn, ta có 2 trường hợp. Khi đó với $ n−1 $ phần tử đầu tiên, thì

số trường hợp là $ 2^{n−1} $. Tới phần tử thứ $ n $, nếu ta đã chọn được một

số chẵn phần tử thì ta không chọn, còn nếu ta đã chọn được một số lẻ phần

tử thì phần tử này sẽ được chọn, do đó số cách chọn là $ 2^{n−1} $.

Ví dụ 2. Cho các số nguyên dương $ n $ và $ k $ với $ 0 \leq k \leq n $. Chứng minh rằng:

a) $ kC^k_n=nC^{k-1}_{n-1} $

b) $ \sum_{k=0}^{n}kC^k_n=n2^{n-1} $

Giải

a) Xét bài toán “Một đội văn nghệ có n thành viên, có bao nhiêu cách chọn

$k$ người thể hiện một tiết mục hát tốp ca trong đó có một bạn hát sô lô”.

Cách 1: Chọn đội văn nghệ gồm $ k $ người từ $ n $ ta có số cách là $ C^k_n $,

từ $ k $ người này ta chọn một người hát sô lô có $ k $ cách. Khi đó số cách

chọn là $ kC^k_n $.(1)

Cách 2: Chọn người hát sô lô trước, có $ n $ cách, sau đó chọn $ k−1 $ người từ

$ n−1 $ người còn lại có $ C^{k−1}_{n−1} $ cách.

Vậy số cách chọn là $ nC^{k−1}_{n−1} $. (2)

Từ (1) và (2) ta có đẳng thức $ kC^k_n = nC^{k−1}_{n−1}. $

b) Xét bài toán “Từ $ n $ thành viên của đội văn nghệ, có bao nhiêu cách lập một nhóm hát trong đó có một nhóm trưởng?”. Làm tương tự như câu trên ta sẽ có đẳng thức cần chứng minh.

Ví dụ 3. Cho các số nguyên dương $ n $ và $ k $ với $ 0 \leq k \leq n $. Chứng minh rằng:
a) $ \sum_{m=k}^{n}C^k_m=C^{k+1}_{n+1} $

b) $ \sum_{m=k}^{n-k}C^k_mC^k_{n-m}=C^{2k+1}_{n+1} $

với $ 0 \leq k \leq\dfrac{n}{2} $.

Giải

a) Xét tập $ X = {1,2,…,n + 1} $. Khi đó ta đếm số tập con có $ k + 1 $ phần tử của $ X $.

Cách 1: Rõ ràng số tập con là $ C^{k+1}_{ n+1} $.

Cách 2: Ta chọn tập con sao cho phần tử lớn nhất là $ m $. Khi đó số tập con

có phần tử lớn nhất $ m $ là $ C^k_m $. Vì $ k \leq m \leq n $ nên ta có số tập

con là $ C^k_k + C^k_{k+1} + … + C^k_n $. Từ đó suy ra đẳng thức cần chứng

minh.

b) Xét bài toán “Đếm số tập con có $ 2k+1 $ phần tử của $ X $”.

Cách 1: Số tập con là $ C^{2k+1}_n $.

Cách 2: Ta xét phần tử thứ $ k + 1 $, giả sử đó là $ m $, khi đó ta chọn $ k $

phần tử nhỏ hơn $ m $ và $ k $ phần tử lớn hơn $ m $, số cách chọn là

$ C^k_mC^k_{n−m} $, vì $ k \leq m \leq n−k $ nên ta có số cách chọn là

$ \sum_{m=k}^{n-k} C^k_mC^k_{n-m}$.

Từ đó ta có đẳng thức cần chứng minh.

Bài tập

Bài 1 Cho $ 0 \leq k \leq m \leq n. $ Chứng minh các đẳng thức sau:

a) $ C^k_mC^m_n=C^k_nC^{m-k}_{n-k} $

b) $ \sum_{k \geq 0}k(C^k_n)^2=nC^{n-1}_{2n-1} $

c) $ \sum_{k \geq 0}C^k_nC^{m-k}_{n-k}=2^mC^m_n $

Bài 2. Chứng minh các đẳng thức sau:

a) $\sum_{i=0}^{k} C^i_n C^{k-i}_{n-i} = 2^kC^k_n$

b) $ kC^k_m C^0_p+(k-1)C^{k-1}_m C^1_p+…+C^1_mC^{k-1}_p$

$=\dfrac{m}{m+p}.k.C^k_{m+p} $

Ví dụ 4. Trong một hội nghị, mỗi thành viên tham gia đúng 3 cuộc họp và mỗi cuộc họp thì có đúng 6 thành viên tham gia. Chứng minh rằng số cuộc họp thì bằng nửa số thành viên tham gia hội nghị.

Giải

Gọi số thành viên là $ n $, số cuộc hộp là $ m $. Khi đó mỗi cuộc họp có 6 thành viên tham gia, nên tổng số lượt thành viên tham gia $ m $ cuộc họp là $ 6m $ (có lặp lại). Tương tự mỗi thành viên tham gia 3 cuộc họp mà có $ n $ thành viên nên số lượt thành viên tham gia là $ 3n $. Do đó $ 3n = 6m $ hay $ n = 2m $.
Trong bài toán trên ta có thể làm như sau: giả sử có $ m $ cuộc họp là $ 1,2,…,m $ và $ n $ thành viên là $ 1,2,3,…,n $. Xét bảng vuông $ m \times n $ gồm $ m $ dòng và $ n $ cột trên đó ghi các số dòng thứ $ i $ cột $ j $ là $ aij $ thỏa $ aij = 1 $ nếu người $ j $ tham gia cuộc họp thứ $ i $ và $ a{ij} = 0 $ trong trường hợp ngược lại. Ta được bảng sau:


Dựa vào trên, ta thấy mỗi dòng có 6 số 1 và mỗi cột có 3 số 1. Khi đó ta có $ 6m = 3n $ hay $ n = 2m $.
Bảng trên được gọi là một ma trận nhị phân, dùng để biểu diễn các mối quan hệ hai ngôi như phần tử thuộc tập hợp, quen nhau, đồ thị… và là mô hình biểu diễn rất hữu dụng trong các bài toán tổ hợp. Trong mỗi bảng nhị phân trên, nếu gọi $ r_i $ là số số 1 ở dòng thứ $ i $ và $ c_j $ là số số 1 ở cột thứ $ j $, ta có :
$ \sum_{i=1}^{m}r_i=\sum_{j=1}^{n}cj $

Ví dụ 5 (HK 1994) Trong một trường học có $ m $ giáo viên và $ n $ học sinh thỏa điều kiện sau:
i) Mỗi giáo viên dạy đúng p học sinh.
ii) Với hai học sinh phân biệt thì có đúng $ q $ giáo viên dạy họ.
Chứng minh rằng $ \dfrac{m}{q}=\dfrac{n(n-1)}{p(p-1)} $

Giải

Lập bảng gồm $ m $ dòng và $ n $ cột trong đó $ aij = 1 $ nếu giáo viên $ i $ dạy học sinh $ j $, và bằng $ 0 $ nếu ngược lại. Khi đó từ (i) thì mỗi dòng có đúng $ p $ số $ 1 $. Ta đếm các cặp số $ (1;1) $ trên cùng một dòng. Nếu đếm theo dòng thì mỗi dòng có $ C^2_p $ cặp, có $ m $ dòng nên số cặp là $ mC^2_p $. (1)
Nếu đếm theo cột, do điều kiện (ii) nên với hai cột bất kì thì có đúng $ q $ cặp. Do đó số cặp là $ qC^2_n $ (2). Từ (1) và (2) ta có $ mC^2_p=qC^2_n $ hay $ \dfrac{m}{q} =\dfrac{n(n-1)}{p(p-1)}$.


Trên đây là một kĩ thuật đếm theo cặp $ (1;1) $ cùng một dòng hoặc cùng một cột. Ta có mệnh đề sau:

Định lý 1. Nếu trong một bảng nhị phân $ m \times n, $ mỗi dòng có $ k $ số 1, hai cột bất kỳ có đúng $ p $ cặp $ (1;1) $ cùng một dòng.

Khi đó ta có $ pC^2_n=kC^2_m. $

Bài tập
Bài 1. Cho tập $ X = {1,2,…,8} $ và các tập $ A1,A2,…,A6 $ là các tập con của $ X $ sao cho mỗi tập $ Ai $ có $ 4 $ phần tử và mỗi phần tử của $ S $ thuộc $ m $ tập $ Ai $. Tìm $ m $.

Bài 2. Trong một vòng thi toán chung kết tại trường PNTK, các thí sinh phải giải 9 bài toán. Biết rằng mỗi thí sinh giải được đúng 6 bài, và với hai thí sinh bất kì thì giải đúng chung 3 bài. Tìm số thí sinh dự thi.
Bài 3. Gọi $ p(n,k) $ là số hoán vị của $ {1,2,…,n} $ có $ k $ điểm bất động. Chứng minh rằng:
$ \sum_{k=1}^{n}kp(n,k)=n! $

2. Chứng minh các bài toán bất đẳng thức và cực trị tổ hợp

Ví dụ 6. (Iran 2011) Cho $ n $ điểm trên mặt phẳng sao cho không có 3 điểm nào thẳng hàng. Chứng minh rằng số tam giác có diện tích bằng 1 có các đỉnh thuộc $ n $ điểm trên không vượt quá $ \dfrac{2}{3}(n^2-n) $.

Giải

Bài toán này ta đi tính số cặp (cạnh;tam giác). Với đoạn thẳng $ AB $, khi đó nếu điểm $ C $ thỏa $ S_{ABC} = 1 $ thì khoảng cách từ $ C $ đến $ AB $ bằng $ \dfrac{2}{AB} $ , vì không có 3 điểm nào thẳng hàng nên chỉ có nhiều nhất 4 điểm thỏa. Vậy với 1 đoạn ta sẽ có nhiều nhất 4 tam giác có diện tích 1 nhận đoạn thẳng đó làm đỉnh. Suy ra tổng số cặp nhiều nhất là $ 4C^2_n $.
Mặt khác nếu gọi số tam giác là $ m $ thì tổng số cặp là $ 3m $.
Từ đó ta có: $ 3m \leq 4C^2_n $ hay $ m \leq \dfrac{2}{3}(n^2-n) $.

Ví dụ 7.(USA TST 2005) Cho $ n > 1 $. Với số nguyên dương $ m $. Đặt $ X_m = {1,2,…,mn} $. Xét họ $ T $ gồm $ 2n $ tập hợp thỏa các điều kiện sau:
i) Mỗi phần tử của $ T$ là một tập con có $ m $ phần tử của $ X_m. $
ii) Mỗi cặp thuộc $ T $ có nhiều nhất một phần tử chung.
iii) Mỗi phần tử thuộc $ X_m $ thuộc đúng hai tập của $ T. $
Tìm giá trị lớn nhất của $ m $ theo $ n. $

Giải

Xét bảng vuông sao cho gồm $ 2n $ dòng và $ mn $ cột sao cho $ a_{ij} =1$ nếu số $ j $ thuộc $ a_i $ và bằng $ 0 $ trong trường hợp ngược lại.
Ta xét bài toán đếm số cặp $ (1;1) $ cùng một cột. Do (i) nên ta có số cặp nhiều nhất là $ C^2_{2n} $.
Do (ii) nên ta có số cặp là $ mn $.
Do đó $ mn \geq C^2_ {2n} $, suy ra $ m \geq 2n−1 $. Nếu $ m = 2n−1 $, ta xét mô hình sau. Cho $ 2n $ đường thẳng không có 3 đường nào đồng quy và không có hai đường nào song song. Khi Xm là tập các giao điểm và $ T $ là họ gồm các điểm thuộc một đường thẳng. Rõ ràng đây là mô hình thỏa đề bài. Bảng sau cho ví dụ $ n=2, m=3 $.


Ví dụ 8. (IMO 1998, P2) Trong một cuộc thi có $ a $ thí sinh và $ b $ giám khảo, với $ b $ là số lẻ lớn hơn 3. Mội giám khảo có thể đánh giá thí sinh rớt hay đậu.Giả sử với hai giám khảo bất kì thì quyết định giống nhau nhiều nhất là $ k $ thí sinh. Chứng minh rằng $ \dfrac{k}{a} \geq \dfrac{b-1}{2b} $
Giải

Cũng như ví dụ trên, ta thấy việc biểu diễn các mối quan hệ bằng bảng nhị phân rất thuận lợi trong việc trình bày lời giải. Trong bài này ta cũng có thể lập bảng $ b \times a $ theo quy tắc sau: dòng i cột j bằng 1 nếu giám khảo i cho thí sinh j đậu. Ta sẽ đếm số cặp $ (0;0) $ và $ (1;1) $ cùng một cột bằng hai cách.
Cách 1 ta đếm theo dòng: Vì với hai vị giáo bất kì có nhiều nhất $ k $ kết luận giống nhau nên với hai dòng bất kì có $ k $ cặp, do đó số cặp nhiều nhất là $ kC^2_b $.
Cách 2 ta đếm theo cột: Trong mỗi cột số cặp là $ C^2_m+C^2_n $ cặp, trong đó $ m $ là số các số $ 0 $ và $ n $ là số các số $ 1, $ ta có $ m+n=b=2t+1, $ suy ra $ n=2t+1-m. $
Khi đó $ C^2_m+C^2_n=\dfrac{m(m-1)+(21-m)(2t-m-1)}{2}=\dfrac{(2t-m)^2+m^2}{2} \geq t^2=\dfrac{(b-1)^2}{4}. $
Từ đó ta có $ kC^2_b \geq \dfrac{a(b-1)^2}{4} $, suy ra $ \dfrac{k}{a} \geq \dfrac{b-1}{2b.} $

Ví dụ 9. Cho $ n $ điểm trong mặt phẳng. Chứng minh rằng số cặp điểm có

khoảng cách bằng 1 không quá $ \dfrac{n}{4}+\dfrac{\sqrt{2n^3}}{2}. $

Giải

Gọi $ d_i $ là số đoạn thẳng có độ dài 1 mà có đỉnh là $ A_i $. Đặt khi

đó số cặp điểm là $ k = \dfrac{1}{2} (d_1 + d_2 + … + d_n) $. Ta đếm số cặp

$ (A,B) $ mà khoảng cách từ $ A,B $ đến $ A_i $ bằng 1. Số cặp là $ C^2 _{di} $,

suy ra tổng số cặp là $ \sum_{i=1}^{n}C^2_{d_i} $. Ta biết rằng hai điểm $ C,D $

thì có chung nhiều nhất một cặp $ (A,B) $ nên số cặp không vượt quá

$ 2C^2_n $. Do đó: $ \sum_{i=1}^{n}C^2_{d_i} \leq n(n-1) $

hay $ \dfrac{2k(2k-n)}{2n} \leq n(n-1) \Leftrightarrow 2k^2-nk-n^2(n-1) \leq 0 $

Do đó $ k \leq \dfrac{n}{4}+\dfrac{\sqrt{2n^3}}{2} $

3 Các bài toán tồn tại
Ví dụ 10. Cho 133 số nguyên dương, có ít nhất 799 cặp số là nguyên tố cùng nhau. Chứng minh rằng tồn tại 4 số nguyên dương phân biệt $ a,b,c,d $ sao cho $ a $ và $ b; b $ và $ c, c $ và $ d; d $ và $ a $ nguyên tố cùng nhau.

Giải

Mỗi số được đại diện bởi một điểm, hai số nào nguyên tố cùng nhau thì hai điểm tương ứng được nối nhau bởi một đoạn. Ta cần chứng minh có 4 đoạn $ AB,BC,CD,DA $. Ta cần chứng minh rằng có hai điểm $ B $ và $ D $ cùng nối với hai điểm $ A $ và $ C $.
Gọi $ d_i $ là số cạnh có đỉnh là $ A_i $. Khi đó ta có

$ d_1 + d_2 + … + d_{133} = 2 \times 799 $. Nếu hai đỉnh $ Y, Z $ cùng nối với đỉnh $ X $ thì ta sẽ xem $ (Y;Z) $ là một cặp. Ta sẽ tính số cặp này. Rõ ràng, tổng số cặp là
$ \sum_{i=1}^{133} C^2_{d_i}$

$=\dfrac{1}{2}\left(\sum_{i=1}^{133}d^2_i-\sum_{i=1}^{133}d_i \right) $

Ta có

$ \sum_{i=1}^{133}d^2_i \geq \dfrac{1}{133} \left(\sum_{i=1}^{133}d_i \right)^2 $

Do đó

$ \sum_{i=1}^{133}C^2_{d_i} \geq \dfrac{1}{2}(\dfrac{1}{133}(\sum_{i=1}^{133}d_i)^2)$

$-\sum_{i=1}^{133}d_i ]>C^2_{133} $
Nhưng $ 133 $ điểm thì có $ C^2_{133} $ cặp, nên sẽ có một cặp nào đó được tính hai lần, tức là tồn tại cặp $ (A,C) $ cùng được nối với $ B$ và $ D $. Tức là ta có 4 đoạn $ AB, BC,CD,DA. $

Ví dụ 11.  Cho tập $ X $ có $ n $ phần tử, gọi $ A_1,A_2,…,A_m $ là một họ các tập con của $ X $, sao cho $ |Ai| = 3 $ và $ |A_i \cap A_j| \leq 1 $ với $ i \neq j $. Chứng minh rằng tồn tại một tập con $ A $ của $ X $ có ít nhất $ [\sqrt{2n}] $ phần tử và không chứa bất kì tập $ A_i $ nào.

Giải
 

Ta xét tập tất cả các tập con của $ X $ mà không chứa bất kỳ tập $ A_i $ nào, khi đó dễ thấy tập này là khác rỗng (xét tập có 2 phần tử là thỏa) và hữu hạn, nên tồn tại một tập $ M $ có nhiều phần tử nhất. Đặt $ |M|=k $. Khi đó, do $ M $ có số phần tử lớn nhất nên mọi tập có số phần tử lớn hơn $ M $ đều chứa một tập $ A_i. $ Xét tập $ M’=X \setminus M= \{a_1,a_2,…,a_{n-k}\} $. Khi đó $ M \cup \{a_i\} $ có $ k+1 $ phần tử, nên theo cách xác định $ M $ thì sẽ tồn tại $ A_i \subset M’,$ do $ A_i \nsubseteq M $ nên $ A_i=\{a_i,x,y\} $ trong đó $ x,y \in M. $
Hơn nữa hai tập giao nhau có không quá một phần tử nên với mỗi $ a_i $ có nhiều nhất một cặp $ (x,y) \in A_i$. Ta đếm số cặp $ (x,y) $ theo hai cách:\\
Số cặp $ (x,y) \in X $ là $ C_k^2. $
Vì $ i=1,2,…,n-k $ nên có $ n-k $ cặp. Vậy ta có:
$ n-k \leq C^2_k \Leftrightarrow k^2+k \geq 2n $
Mà $ k \leq \sqrt{k^2+k} \leq k+1, $ suy ra $ k \geq [\sqrt{2n}] $. Ta có điều cần chứng minh.

Bài tập rèn luyện
Bài 1.  Cho 7 tập $ A1,A2,…,A7 $ là các tập con của $ X = {1,2,3,4,5,6,7} $, sao cho mội cặp phần tử thuộc $ X $ thuộc đúng một tập con, và $ |Ai|\geq 3 $ với mọi $ i $. Chứng minh rằng $ |A_i \cap Aj| = 1 $ với mọi $ i,j. $

Bài 2. Cho 16 bạn học sinh làm một bài kiểm tra trắc nghiệm, trong đó mỗi câu hỏi có 4 lựa chọn. Sau bài kiểm tra, ta thấy rằng với hai học sinh bất kì có nhiều nhất một câu trả lời giống nhau. Hỏi bài kiểm tra có nhiều nhất bao nhiêu câu hỏi?

Bài 3. Một hội nghị có n thành viên tham gia, hội nghị đã tổ chứng $ n + 1 $ cuộc họp, trong đó mỗi cuộc họp có đúng 3 người và không có cuộc họp nào có thành viên giống nhau. Chứng minh rằng có hai cuộc họp mà có chung đúng một thành viên.

Bài 4.  (China 1996) Trong một hội nghị có 8 người tham gia, hội nghị tổ chức $ m $ cuộc họp, mỗi cuộc họp có đúng 4 người tham gia. Hơn nữa hai người bất kì thì cùng tham gia một số cuộc họp như nhau. Tìm giá trị nhỏ nhất của $ m $.
Bài 5.  Cho $ A1,A2,…,Ak $ là các tập con của $ S = {1,2,…,10} $ sao cho:
i) $ |A_i| = 5,i = 1,2,…,k. $
ii) $ |A_i \cap A_j| \leq 2, 1 \leq i < j \leq k. $ Tìm giá trị lớn nhất của $ k $.

Bài 6. (IMO 2001) Có 21 bạn nam và 21 bạn nữ tham dự một kì thi học sinh giỏi toán. Biết rằng:
a) Mỗi bạn giải được nhiều nhất sáu bài.
b) Mỗi cặp một nam và một nữ thì có ít nhất một bài toán được giải bởi hai người đó.
Chứng minh rằng có môt bài toán mà giải được bởi ít nhất 3 nam và 3 nữ.

Bài 7.  (USAMO 2001) Có 8 hộp, mỗi hộp chứa 6 viên bi. Mỗi viên bi được tô màu sao cho:
i) Mội hộp chứa các viên bi khác màu.
ii) Không có hai màu nào cùng xuất hiện nhiều hơn trong một hộp.
Tìm số màu ít nhất cần dùng.

Bài 8.  (IMO 1989) Cho $ n $ và $ k $ là các số nguyên dương và $ S $ là tập $ n $ điểm trong mặt phẳng sao cho:
i) Không có 3 điểm nào thẳng hàng,
ii) Với điểm $ P $ bất kì thuộc $ S $ thì có ít nhất $ k $ điểm của $ S $ cách đều $ P $.
Chứng minh rằng: $ k<\dfrac{1}{2}+\sqrt{2n} $

Bài 9. (IMO 2005) Trong một cuộc thi toán trong đó đề thi có 6 bài. Mỗi một cặp bài toán được giải bởi nhiều hơn $ \dfrac{2}{5} $ số thí sinh. Không có ai giải được 6 bài. Chứng minh rằng có ít nhất 2 thí sinh giải được đúng 5 bài.

Bài 10. Trong một hội nghị có 35 người tham gia. Biết rằng có 111 cặp đôi một quen nhau. Chứng minh rằng có thể chọn ra 4 thành viên xếp ngồi vào một bàn tròn sao cho hai người ngồi gần nhau thì quen nhau.