Bài học Toán THPT - Hệ Bất Phương Trình Bậc Nhất Hai Ẩn

📘 BÀI HỌC TOÁN 10: HỆ BẤT PHƯƠNG TRÌNH BẬC NHẤT HAI ẨN

Chương II: Bất phương trình và Hệ bất phương trình bậc nhất hai ẩn - Bộ sách Kết nối tri thức với cuộc sống

1. Khái niệm Hệ bất phương trình bậc nhất hai ẩn

📌 Định nghĩa:

Hệ bất phương trình bậc nhất hai ẩn là một hệ gồm hai hay nhiều bất phương trình bậc nhất hai ẩn \(x, y\).

Mỗi cặp số \((x_0; y_0)\) đồng thời là nghiệm của tất cả các bất phương trình trong hệ được gọi là một nghiệm của hệ bất phương trình đó.

Ví dụ về hệ bất phương trình:

\[ \begin{cases} x + y \le 100 \\ 2x + 3y \le 240 \\ x \ge 0 \\ y \ge 0 \end{cases} \]
💡 Miền nghiệm của hệ: Là giao của các miền nghiệm của từng bất phương trình trong hệ. Trên mặt phẳng tọa độ, miền nghiệm của hệ thường là một đa giác (tam giác, tứ giác, ngũ giác,...) hoặc một miền vô hạn.

2. Biểu diễn miền nghiệm của hệ trên mặt phẳng tọa độ

Để xác định miền nghiệm của một hệ bất phương trình bậc nhất hai ẩn, ta làm như sau:

📌 Các bước biểu diễn miền nghiệm:
  1. Trên cùng một mặt phẳng tọa độ \(Oxy\), biểu diễn miền nghiệm của từng bất phương trình trong hệ bằng cách gạch bỏ các phần không thuộc miền nghiệm của nó.
  2. Miền không bị gạch (bao gồm cả các đoạn thẳng bờ thuộc miền nghiệm) chính là miền nghiệm của hệ bất phương trình.
⚠️ Hình dạng miền nghiệm đa giác:

Nếu miền nghiệm là một đa giác (kể cả biên) thì các đỉnh của đa giác là giao điểm của các đường thẳng bờ tương ứng trong hệ.

3. Quy trình tổng quát xác định miền nghiệm

📌 Quy trình thực hành:
  1. Bước 1: Vẽ các đường thẳng tương ứng với từng phương trình trong hệ.
  2. Bước 2: Với mỗi đường thẳng, chọn một điểm kiểm tra (thường chọn \(O(0;0)\) nếu không thuộc đường thẳng) để xác định nửa mặt phẳng nghiệm.
  3. Bước 3: Gạch bỏ phần mặt phẳng không thuộc miền nghiệm của từng bất phương trình.
  4. Bước 4: Kết luận miền nghiệm là phần mặt phẳng trắng (chưa bị gạch). Xác định tọa độ các đỉnh của miền nghiệm (nếu có).

4. Bài toán tối ưu (Ứng dụng tìm Giá trị lớn nhất / nhỏ nhất)

📌 Định lý về giá trị cực đại/cực tiểu của biểu thức bậc nhất:

Cho biểu thức \(F(x; y) = ax + by\) với \((x; y)\) thuộc miền nghiệm là một đa giác lồi \(A_1A_2\dots A_n\) (bao gồm cả biên) của một hệ bất phương trình bậc nhất hai ẩn.

Giá trị lớn nhất (GTLN) và giá trị nhỏ nhất (GTNN) của biểu thức \(F(x; y)\) trên miền nghiệm luôn đạt được tại một trong các đỉnh của đa giác đó.

💡 Các bước giải bài toán tối ưu:
  1. Lập hệ bất phương trình từ bài toán thực tế và viết biểu thức mục tiêu \(F(x; y) = ax + by\).
  2. Xác định miền nghiệm của hệ bất phương trình (thường là một miền đa giác).
  3. Tìm tọa độ các đỉnh của đa giác đó.
  4. Tính giá trị của \(F(x; y)\) tại từng đỉnh.
  5. So sánh các giá trị tính được để chọn ra GTLN hoặc GTNN theo yêu cầu bài toán.

5. Ví dụ minh họa & Luyện tập

Ví dụ 1 Biểu diễn miền nghiệm của hệ bất phương trình

Xác định miền nghiệm của hệ bất phương trình:

\[ \begin{cases} x + y \le 3 \\ x - y \ge -1 \\ x \ge 0 \\ y \ge 0 \end{cases} \]
Lời giải:

1. Vẽ các đường thẳng:

  • \(d_1: x + y = 3\) đi qua \((0; 3)\) và \((3; 0)\).
  • \(d_2: x - y = -1\) đi qua \((0; 1)\) và \((1; 2)\).
  • \(d_3: x = 0\) (Trục \(Oy\)) và \(d_4: y = 0\) (Trục \(Ox\)).

2. Kiểm tra điểm \(O(0;0)\):

  • \(0 + 0 = 0 \le 3\) (Đúng) \(\Rightarrow\) Giữ lại nửa mặt phẳng chứa \(O\) bờ \(d_1\).
  • \(0 - 0 = 0 \ge -1\) (Đúng) \(\Rightarrow\) Giữ lại nửa mặt phẳng chứa \(O\) bờ \(d_2\).
  • \(x \ge 0, y \ge 0 \Rightarrow\) Giữ lại góc phần tư thứ I.

3. Kết luận: Miền nghiệm của hệ là tứ giác \(OABC\) (kể cả biên) với các đỉnh \(O(0; 0)\), \(A(3; 0)\), \(B(1; 2)\), và \(C(0; 1)\).

Ví dụ 2 Tìm Giá trị lớn nhất của biểu thức

Tìm GTLN của biểu thức \(F(x; y) = 2x + 3y\) với \((x; y)\) thuộc miền nghiệm của hệ ở Ví dụ 1.

Lời giải:

Miền nghiệm của hệ là tứ giác \(OABC\) với các đỉnh \(O(0;0)\), \(A(3;0)\), \(B(1;2)\), \(C(0;1)\).

Tính giá trị của \(F(x; y) = 2x + 3y\) tại các đỉnh:

  • Tại \(O(0; 0)\): \(F(0; 0) = 2(0) + 3(0) = 0\)
  • Tại \(A(3; 0)\): \(F(3; 0) = 2(3) + 3(0) = 6\)
  • Tại \(B(1; 2)\): \(F(1; 2) = 2(1) + 3(2) = 8\)
  • Tại \(C(0; 1)\): \(F(0; 1) = 2(0) + 3(1) = 3\)

So sánh các giá trị trên, ta thấy giá trị lớn nhất của \(F\) là \(8\), đạt được tại điểm \(B(1; 2)\).

Bài tập tự luyện:

Bài 1: Biểu diễn miền nghiệm của hệ bất phương trình:

\[ \begin{cases} 2x + y \le 4 \\ x + y \le 3 \\ x \ge 0, \; y \ge 0 \end{cases} \]

Bài 2: Tìm GTNN của biểu thức \(F(x; y) = x - 2y\) trên miền nghiệm của hệ bất phương trình ở Bài 1.

6. Vận dụng thực tế & Mẹo ghi nhớ

📌 Bài toán quy hoạch sản xuất (Thực tế):

Một công ty sản xuất hai loại sản phẩm I và II. Mỗi kg sản phẩm I mang lại lợi nhuận 40 nghìn đồng; mỗi kg sản phẩm II mang lại lợi nhuận 30 nghìn đồng. Để sản xuất 1 kg sản phẩm I cần 2 giờ làm việc của máy M1 và 1 giờ của máy M2. Để sản xuất 1 kg sản phẩm II cần 1 giờ làm việc của máy M1 và 1 giờ của máy M2. Biết máy M1 hoạt động không quá 8 giờ/ngày và máy M2 không quá 5 giờ/ngày. Lập kế hoạch sản xuất để lợi nhuận thu được là lớn nhất.

Lời giải:

1. Gọi \(x, y\) (kg) lần lượt là số kg sản phẩm I và II sản xuất trong ngày (\(x \ge 0, y \ge 0\)).

2. Lập hệ điều kiện ràng buộc:

\[ \begin{cases} 2x + y \le 8 & \text{(thời gian máy M1)} \\ x + y \le 5 & \text{(thời gian máy M2)} \\ x \ge 0, \; y \ge 0 \end{cases} \]

3. Biểu thức lợi nhuận cần tối ưu: \(F(x; y) = 40x + 30y\) (nghìn đồng).

4. Miền nghiệm của hệ là tứ giác \(OABC\) với \(O(0;0)\), \(A(4;0)\), \(B(3;2)\), \(C(0;5)\).

5. Tính \(F(x;y)\) tại các đỉnh:

  • \(F(0;0) = 0\)
  • \(F(4;0) = 160\)
  • \(F(3;2) = 40(3) + 30(2) = 180\)
  • \(F(0;5) = 150\)

Kết luận: Công ty nên sản xuất 3 kg sản phẩm I và 2 kg sản phẩm II để đạt lợi nhuận tối đa là 180 nghìn đồng/ngày.

💡 Mẹo tìm tọa độ đỉnh nhanh và chính xác:
  • Để tìm tọa độ giao điểm của hai đường thẳng bờ (chính là đỉnh của miền nghiệm đa giác), hãy giải hệ phương trình bậc nhất hai ẩn gồm hai phương trình đường thẳng đó bằng máy tính cầm tay (Casio).
  • Luôn kiểm tra lại xem tọa độ vừa tìm có thỏa mãn tất cả các bất phương trình còn lại trong hệ hay không để tránh lấy nhầm đỉnh nằm ngoài miền nghiệm.