Bài 4: Hệ bất PT bậc nhất hai ẩn
Lý thuyết chi tiết chuẩn SGK Toán 10, phân dạng toán rõ ràng kèm phương pháp giải và 18+ ví dụ minh họa từng dạng, đồ thị JSXGraph, trắc nghiệm động và bài tập tự luận.
I. Lý thuyết trọng tâm Hệ bất phương trình bậc nhất hai ẩn
1. Khái niệm & Nghiệm của Hệ BPT bậc nhất hai ẩn
• Hệ bất phương trình bậc nhất hai ẩn gồm hai hay nhiều bất phương trình bậc nhất hai ẩn $x, y$.
• Nghiệm: Cặp số $(x_0; y_0)$ đồng thời là nghiệm của tất cả các bất phương trình trong hệ.
• Miền nghiệm: Là giao các miền nghiệm của các bất phương trình thành phần trong hệ.
2. Biểu diễn miền nghiệm của Hệ BPT
- Vẽ tất cả các đường thẳng bờ của từng BPT trong hệ trên cùng một hệ trục $Oxy$.
- Gạch bỏ các phần mặt phẳng không thuộc miền nghiệm của từng BPT.
- Phần mặt phẳng không bị gạch bỏ (thường là miền tam giác, tứ giác, đa giác) chính là miền nghiệm chung của hệ BPT.
3. Giá trị lớn nhất & Giá trị nhỏ nhất của biểu thức F(x, y)
Cho miền nghiệm của hệ BPT là một đa giác $A_1 A_2 \dots A_k$. Khi đó biểu thức $F(x, y) = a x + b y$ đạt giá trị lớn nhất (GTLN) và giá trị nhỏ nhất (GTNN) trên miền nghiệm này tại một trong các đỉnh $A_1, A_2, \dots, A_k$ của đa giác.
II. Minh họa trực quan & Đồ thị tương tác (JSXGraph)
Đa giác miền nghiệm tạo bởi hệ BPT $x ge 0, y ge 0, x + y le 4$ là tam giác vuông $OAB$ tại $O(0,0), A(4,0), B(0,4)$.
💡 Mô phỏng 1: Miền tam giác OAB khép kín biểu diễn nghiệm của hệ BPT.
III. Các dạng toán trọng tâm (Mỗi dạng kèm ít nhất 3 ví dụ liền)
Dạng 1: Nhận biết Hệ BPT & Kiểm tra điểm thuộc miền nghiệm
Thay $(x_0, y_0)$ vào tất cả các BPT trong hệ. Nếu thỏa mãn toàn bộ thì thuộc miền nghiệm.
Cho hệ BPT $\begin{cases} x + y \le 3 \\ 2x - y > 0 \\ x \ge 0 \end{cases}$. Kiểm tra xem điểm $M(1; 1)$ có thuộc miền nghiệm không?
Xem lời giải
• Thay $x = 1, y = 1$: $1 + 1 = 2 \le 3$ (đúng); $2(1) - 1 = 1 > 0$ (đúng); $1 \ge 0$ (đúng).
• Điểm $M(1; 1)$ thuộc miền nghiệm của hệ.
Trong Ví dụ 1.1, kiểm tra điểm $N(0; 2)$ có thuộc miền nghiệm không?
Xem lời giải
• Thay $x = 0, y = 2$: BPT thứ hai $2(0) - 2 = -2 > 0$ (SAI).
• Điểm $N(0; 2)$ không thuộc miền nghiệm của hệ.
Điểm $O(0; 0)$ thuộc miền nghiệm của hệ BPT nào sau đây?
a) $\begin{cases} x + y \le 2 \\ 3x - y \le 1 \end{cases}$; b) $\begin{cases} x + y > 1 \\ x - y < 0 \end{cases}$.
Xem lời giải
• Hệ a): $0 \le 2$ (đúng) và $0 \le 1$ (đúng) $\Rightarrow O$ thuộc miền nghiệm hệ a.
• Hệ b): $0 > 1$ (sai) $\Rightarrow O$ không thuộc hệ b.
Dạng 2: Biểu diễn miền nghiệm trên mặt phẳng tọa độ
Vẽ từng bờ đường thẳng và gạch bỏ các nửa mặt phẳng sai để giữ lại miền nghiệm khép kín.
Biểu diễn miền nghiệm của hệ BPT $\begin{cases} x \ge 0 \\ y \ge 0 \\ x + y \le 4 \end{cases}$.
Xem lời giải
• $x \ge 0$: nửa mặt phẳng bên phải $Oy$.
• $y \ge 0$: nửa mặt phẳng phía trên $Ox$.
• $x + y \le 4$: nửa mặt phẳng phía dưới $d: x + y = 4$.
• Miền nghiệm là tam giác vuông $OAB$ với $O(0; 0), A(4; 0), B(0; 4)$.
Biểu diễn miền nghiệm của hệ BPT $\begin{cases} 0 \le x \le 3 \\ 0 \le y \le 2 \end{cases}$.
Xem lời giải
• Miền nghiệm là hình chữ nhật $OABC$ với các đỉnh $O(0; 0), A(3; 0), B(3; 2), C(0; 2)$.
Biểu diễn miền nghiệm của hệ BPT $\begin{cases} x \ge 0 \\ y \ge 0 \\ x + y \le 5 \\ 2x + y \le 6 \end{cases}$.
Xem lời giải
• Miền nghiệm là hình tứ giác có các đỉnh $O(0; 0), A(3; 0), B(1; 4), C(0; 5)$.
Dạng 3: Xác định tọa độ các đỉnh của đa giác miền nghiệm
Giải các hệ phương trình đường thẳng giao nhau để tìm tọa độ các đỉnh.
Tìm tọa độ các đỉnh của miền nghiệm tạo bởi hệ BPT $\begin{cases} x - y \le 0 \\ x + 2y \le 6 \\ x \ge 0 \end{cases}$.
Xem lời giải
• Giao của $x = 0$ và $x - y = 0 \Rightarrow O(0; 0)$.
• Giao của $x = 0$ và $x + 2y = 6 \Rightarrow C(0; 3)$.
• Giao của $x - y = 0$ và $x + 2y = 6 \Rightarrow B(2; 2)$.
• Tọa độ 3 đỉnh: $O(0; 0), B(2; 2), C(0; 3)$.
Tìm giao điểm $B$ của hai đường thẳng $d_1: x + y = 5$ và $d_2: 2x + y = 6$.
Xem lời giải
• Giải hệ $\begin{cases} x + y = 5 \\ 2x + y = 6 \end{cases} \Rightarrow x = 1, y = 4$. Tọa độ $B(1; 4)$.
Tìm các đỉnh của miền nghiệm $\begin{cases} x \ge 0 \\ y \ge 0 \\ x + 2y \le 8 \\ 3x + 2y \le 12 \end{cases}$.
Xem lời giải
• $O(0; 0)$. $A(4; 0)$ (giao $3x+2y=12$ với $Ox$).
• $B(2; 3)$ (giải hệ $x+2y=8$ và $3x+2y=12$). $C(0; 4)$ (giao $x+2y=8$ với $Oy$).
Dạng 4: Tìm GTLN, GTNN của biểu thức F(x, y) trên miền đa giác
1. Tìm tọa độ tất cả các đỉnh $A_1, A_2, \dots, A_k$ của miền đa giác nghiệm.
2. Tính các giá trị $F(A_1), F(A_2), \dots, F(A_k)$. So sánh để tìm $F_{max}$ và $F_{min}$.
Tìm GTLN và GTNN của $F(x, y) = 2x + 3y$ trên miền nghiệm là tam giác có các đỉnh $O(0; 0), A(4; 0), B(0; 3)$.
Xem lời giải
• $F(O) = 0$. $F(A) = 2(4) + 0 = 8$. $F(B) = 0 + 3(3) = 9$.
• $F_{max} = 9$ tại $B(0; 3)$ và $F_{min} = 0$ tại $O(0; 0)$.
Tìm GTLN của $F(x, y) = 300x + 400y$ trên miền tứ giác $O(0; 0), A(4; 0), B(2; 3), C(0; 4)$.
Xem lời giải
• $F(O) = 0$. $F(A) = 1200$. $F(B) = 300(2) + 400(3) = 1800$. $F(C) = 400(4) = 1600$.
• $F_{max} = 1800$ tại $B(2; 3)$.
Tìm GTNN của $F(x, y) = 20x + 15y$ trên miền tứ giác $A(1; 4), B(3; 2), C(4; 5), D(2; 6)$.
Xem lời giải
• $F(A) = 20(1) + 15(4) = 80$. $F(B) = 20(3) + 15(2) = 90$.
• $F(C) = 20(4) + 15(5) = 155$. $F(D) = 20(2) + 15(6) = 130$.
• $F_{min} = 80$ tại $A(1; 4)$.
Dạng 5: Bài toán thực tế Tối ưu hóa lợi nhuận sản xuất
1. Lập hệ BPT ràng buộc nguyên liệu/thời gian sản xuất.
2. Lập biểu thức lợi nhuận $F(x, y) = c_1 x + c_2 y$. Tìm $F_{max}$ tại các đỉnh.
Một xưởng sản xuất 2 loại sản phẩm X và Y. Để làm 1 sản phẩm X cần 2 giờ máy và lợi nhuận 40 USD. Làm 1 sản phẩm Y cần 1 giờ máy và lợi nhuận 30 USD. Tổng thời gian máy không quá 40 giờ. Xưởng sản xuất tối đa 15 sản phẩm X và 20 sản phẩm Y. Tìm phương án sản xuất cho lợi nhuận cao nhất.
Xem lời giải
• Hệ ràng buộc: $\begin{cases} 0 \le x \le 15 \\ 0 \le y \le 20 \\ 2x + y \le 40 \end{cases}$.
• Các đỉnh miền nghiệm: $O(0; 0), A(15; 0), B(15; 10), C(10; 20), D(0; 20)$.
• $F(x, y) = 40x + 30y$. $F(O)=0, F(A)=600, F(B)=900, F(C)=1000, F(D)=600$.
• Lợi nhuận cao nhất là 1000 USD khi sản xuất 10 sản phẩm X và 20 sản phẩm Y.
Cửa hàng làm 2 loại bánh A và B. Bánh A lãi 20 nghìn đồng, bánh B lãi 15 nghìn đồng. Nguồn nguyên liệu cho phép $\begin{cases} x \ge 0, y \ge 0 \\ x + y \le 50 \\ 2x + y \le 80 \end{cases}$. Tìm lợi nhuận lớn nhất.
Xem lời giải
• Đỉnh miền nghiệm: $O(0;0), A(40;0), B(30;20), C(0;50)$.
• $F(x, y) = 20x + 15y$. $F(A)=800, F(B)=900, F(C)=750$.
• Lợi nhuận tối đa = 900 nghìn đồng tại 30 bánh A và 20 bánh B.
Trong Ví dụ 5.2, nếu giá lãi bánh B tăng lên 25 nghìn đồng/cái, phương án tối ưu thay đổi thế nào?
Xem lời giải
• $F'(x, y) = 20x + 25y$. $F'(A)=800, F'(B)=20(30)+25(20)=1100, F'(C)=25(50)=1250$.
• Phương án tối ưu chuyển sang sản xuất 0 bánh A và 50 bánh B để lãi 1250 nghìn đồng.
Dạng 6: Bài toán thực tế Tối thiểu hóa chi phí dinh dưỡng & Vận tải
Lập hệ BPT nhu cầu dinh dưỡng tối thiểu $a x + b y \ge C$. Tìm $F_{min} = c_1 x + c_2 y$.
Bệnh nhân cần nạp tối thiểu 600 đơn vị Vitamin A và 500 đơn vị Vitamin B từ 2 loại thực phẩm F1 và F2. Mỗi kg F1 chứa 200 đơn vị A, 100 đơn vị B, giá 50 USD. Mỗi kg F2 chứa 100 đơn vị A, 100 đơn vị B, giá 40 USD. Tìm chi phí thấp nhất.
Xem lời giải
• Hệ BPT: $\begin{cases} x \ge 0, y \ge 0 \\ 200x + 100y \ge 600 \Leftrightarrow 2x + y \ge 6 \\ 100x + 100y \ge 500 \Leftrightarrow x + y \ge 5 \end{cases}$.
• Các đỉnh giới hạn miền nghiệm: $A(0; 6), B(1; 4), C(5; 0)$.
• Chi phí $F(x, y) = 50x + 40y$. $F(A)=240, F(B)=50(1)+40(4)=210, F(C)=250$.
• Chi phí thấp nhất là 210 USD khi dùng 1kg F1 và 4kg F2.
Cần chở 140 người và 9 tấn hàng. Thuê xe lớn giá 4 triệu đồng (chở 20 người, 0.6 tấn), xe nhỏ giá 3 triệu đồng (chở 10 người, 1.5 tấn). Thuê tối đa 10 xe lớn, 8 xe nhỏ. Tìm chi phí thuê nhỏ nhất.
Xem lời giải
• Chi phí tối thiểu đạt tại phương án thuê 5 xe lớn và 4 xe nhỏ với chi phí 32 triệu đồng.
Trong Ví dụ 6.2, nếu giá thuê xe nhỏ giảm xuống còn 2 triệu đồng/xe, phương án tối ưu có thay đổi không?
Xem lời giải
• $F'(x, y) = 4x + 2y$. Khi đó phương án thuê xe nhỏ tối đa (4 xe lớn, 6 xe nhỏ) sẽ tiết kiệm chi phí hơn.
🎯 IV. Bài tập trắc nghiệm tự luyện
Dưới đây là 10 câu hỏi trắc nghiệm động (tự tạo số ngẫu nhiên & chấm điểm trực tiếp) giúp bạn củng cố toàn bộ kiến thức bài học.
Ngân hàng câu hỏi trắc nghiệm Hệ bất phương trình bậc nhất hai ẩn
Rèn luyện trắc nghiệm động với giải thích chi tiết — mở ngay giao diện thi thử trực tuyến!
🚀 Làm bài trắc nghiệm ngay →📝 Bài tập tự luận tổng hợp (Bài tập về nhà)
Bài 1 (Cơ bản). Biểu diễn miền nghiệm của hệ BPT $\begin{cases} x \ge 0 \\ y \ge 0 \\ 2x + y \le 6 \end{cases}$ và xác định tọa độ các đỉnh của miền tam giác nghiệm.
Xem lời giải Bài 1
• Các đỉnh là $O(0; 0), A(3; 0), B(0; 6)$.
Bài 2 (Thông hiểu). Tìm GTLN của $F(x, y) = x + 2y$ trên miền nghiệm của hệ $\begin{cases} 0 \le x \le 4 \\ 0 \le y \le 3 \\ x + y \le 5 \end{cases}$.
Xem lời giải Bài 2
• Đỉnh miền nghiệm: $O(0;0), A(4;0), B(4;1), C(2;3), D(0;3)$.
• $F(O)=0, F(A)=4, F(B)=6, F(C)=8, F(D)=6$. GTLN bằng 8 tại $C(2; 3)$.
Bài 3 (Vận dụng). Cho miền nghiệm là tứ giác $ABCD$ với $A(0; 2), B(3; 0), C(4; 3), D(1; 5)$. Tìm GTNN của $F(x, y) = 3x - 2y + 5$.
Xem lời giải Bài 3
• $F(A) = 1, F(B) = 14, F(C) = 11, F(D) = -2$. GTNN bằng $-2$ tại $D(1; 5)$.
Bài 4 (Vận dụng cao). Một hộ nông dân định trồng mì và khoai lang trên diện tích 8 ha. Chi phí trồng 1 ha mì là 2 triệu đồng, 1 ha khoai lang là 3 triệu đồng. Nông dân có tối đa 18 triệu đồng. Sau vụ mùa, 1 ha mì lãi 3 triệu đồng, 1 ha khoai lang lãi 4 triệu đồng. Hỏi nên trồng bao nhiêu ha mỗi loại để lợi nhuận thu được lớn nhất?
Xem lời giải Bài 4
• Gọi $x, y$ là ha mì và khoai lang: $\begin{cases} x \ge 0, y \ge 0 \\ x + y \le 8 \\ 2x + 3y \le 18 \end{cases}$.
• Đỉnh miền nghiệm: $O(0;0), A(8;0), B(6;2), C(0;6)$.
• $F(x, y) = 3x + 4y$. $F(A)=24, F(B)=26, F(C)=24$.
• Trồng 6 ha mì và 2 ha khoai lang để đạt lãi cao nhất 26 triệu đồng.
Bài 5 (Thực tế). Một công ty cần nhập hai loại nguyên liệu N1 và N2 từ đối tác. Chi phí vận chuyển 1 tấn N1 là 100 USD, 1 tấn N2 là 150 USD. Kho chứa tối đa 50 tấn. Nhu cầu sản xuất bắt buộc phải có ít nhất 20 tấn N1 và 15 tấn N2. Tìm chi phí vận chuyển nhỏ nhất.
Xem lời giải Bài 5
• BPT: $\begin{cases} x \ge 20 \\ y \ge 15 \\ x + y \le 50 \end{cases}$. Đỉnh: $A(20; 15), B(35; 15), C(20; 30)$.
• $F(x, y) = 100x + 150y$. $F(A) = 4250, F(B) = 5750, F(C) = 6500$.
• Chi phí vận chuyển nhỏ nhất là 4250 USD khi nhập 20 tấn N1 và 15 tấn N2.