HỆ PHƯƠNG TRÌNH ĐỐI XỨNG LOẠI I

LÝ THUYẾT VÀ PHƯƠNG PHÁP
1.  Dạng tồng quát của hệ đối xứng loại I:
Định nghĩa:
Hệ đối xứng loại I là hệ chứa 2 ẩn x,y mà khi ta thay đổi vai trò x,y cho nhau thì hệ phương trình không thay đổi.
$\left\{ {\begin{array}{*{20}{c}}   {f\left( {x,y} \right) = 0} \\   {g\left( {x,y} \right) = 0} \end{array}} \right.$ , trong đó $\left\{ {\begin{array}{*{20}{c}}   {f\left( {x,y} \right) = f\left( {y,x} \right)} \\   {g\left( {x,y} \right) = g\left( {y,x} \right)} \end{array}} \right.$

Phương pháp giải tổng quát:
i) Bước 1: Đặt điều kiện (nếu có)
ii) Bước 2: Đặt S = x + y; P = xy (với S2 $\geqslant$4P) .
Khi đó, ta đưa hệ về hệ mới chứa S,P.
iii) Bước 3: Giải hệ mới tìm S,P. Chọn S,P thỏa mãn  S2 $\geqslant$4P.
iiii) Bước 4: Với S,P tìm được thì x,y là nghiệm của phương trình:
             X2 – SX + P = 0     ( định lý Viét đảo)

Chú ý:
i) Cần nhớ:
$\begin{array}   {x^2} + {y^2} = {S^2} - 2P  \\   {x^3} + {y^3} = {S^3} - 3SP  \\ \end{array}$
…
ii) Đôi khi ta phải đặt ẩn phụ:
                 $\left\{ {\begin{array}{*{20}{c}}   {u = u\left( x \right)} \\   {v = v\left( x \right)} \end{array}} \right.$    và    $\left\{ {\begin{array}{*{20}{c}}   {S = u + v} \\   {P = uv} \end{array}} \right.$
iii) Có những hệ phương trình trở thành hệ đối xứng loại I sau khi ta đặt ẩn phụ.

2.  Một số ví dụ minh họa:
Ví dụ 1:

Gải hệ phương trình sau:
      $\left\{ \begin{array}   {x^2} + {y^2} + xy = 7  \\   {x^2} + {y^2} + x + y = 8  \\ \end{array}  \right.$    (1)
Giải:
Đặt:    $\left\{ \begin{array}   S = x + y  \\   P = xy  \\ \end{array}  \right.$    , với  S2 $\geqslant$4P.
Khi đó, hệ (1) trở thành:
$\begin{array}   \,\,\,\,\,\,\,\left\{ {\begin{array}{*{20}{c}}   {{S^2} - P = 7} \\   {{S^2} - 2P + S = 8} \end{array}} \right.\,\, \Leftrightarrow \left\{ {\begin{array}{*{20}{c}}   {P = {S^2} - 7} \\   {{S^2} - 2\left( {{S^2} - 7} \right) + S = 8} \end{array}} \right.  \\    \Leftrightarrow \left\{ {\begin{array}{*{20}{c}}   {P = {S^2} - 7} \\   {{S^2} - S - 6 = 0} \end{array}} \right.\,\,\,\,\,\, \Leftrightarrow \left\{ {\begin{array}{*{20}{c}}   {P = {S^2} - 7} \\   {\left[ {\begin{array}{*{20}{c}}   {S = 3} \\   {S =  - 2} \end{array}} \right.} \end{array}} \right.  \\ \end{array}$
Với: $S = 3 \Rightarrow P = 2$.
Khi đó, x và y là nghiệm của phương trình: ${X^2} - 3X + 2 = 0$
$\Leftrightarrow \left[ {\begin{array}{*{20}{c}}   {X = 1} \\   {X = 2} \end{array}} \right. \Leftrightarrow \left[ \begin{array}   \left\{ \begin{array}   x = 1  \\   y = 2  \\ \end{array}  \right.  \\   \left\{ \begin{array}   x = 2  \\   y = 1  \\ \end{array}  \right.  \\ \end{array}  \right.$
Với: $S =  - 2 \Rightarrow P =  - 3$.
Khi đó, x và y là ngiệm của phương trình:${X^2} + 2X - 3 = 0$
$\Leftrightarrow \left[ {\begin{array}{*{20}{c}}   {X = 1} \\   {X =  - 3} \end{array}} \right. \Leftrightarrow \left[ {\begin{array}{*{20}{c}}   {\left\{ {\begin{array}{*{20}{c}}   {x = 1} \\   {y =  - 3} \end{array}} \right.} \\   {\left\{ {\begin{array}{*{20}{c}}   {x =  - 3} \\   {y = 1} \end{array}} \right.} \end{array}} \right.$
Vậy hệ đã cho có 4 nghiệm
(x,y) = (1;2), (2;1), (1;–3), (–3;1).

Ví dụ 2:

Giải hệ phương trình:
$\left\{ \begin{array}   x + y + \frac{1}{x} + \frac{1}{y} = 5  \\   {x^2} + {y^2} + \frac{1}{{{x^2}}} + \frac{1}{{{y^2}}} = 9  \\ \end{array}  \right.$
Giải:
Đặt:    $\left\{ \begin{array}   u = x + \frac{1}{x}  \\   v = y + \frac{1}{y}  \\ \end{array}  \right. \Rightarrow \left\{ \begin{array}   {x^2} + \frac{1}{{{x^2}}} = {u^2} - 2  \\   {y^2} + \frac{1}{{{y^2}}} = {v^2} - 2  \\ \end{array}  \right.$
Khi đó, hệ (1) trở thành:
$\begin{array}   \,\,\,\,\,\,\left\{ {\begin{array}{*{20}{c}}   {u + v = 5} \\   {{u^2} + {v^2} = 13} \end{array}} \right. \\    \Leftrightarrow {\text{ }}\left\{ {\begin{array}{*{20}{c}}   {u + v = 5} \\   {{{\left( {u + v} \right)}^2} - 2uv = 13} \end{array}} \right. \\    \Leftrightarrow {\text{ }}\left\{ {\begin{array}{*{20}{c}}   {u + v = 5} \\   {uv = 6} \end{array}} \right. \\ \end{array}$
$\Rightarrow$ u, v là nghiệm của phương trình:    X2 – 5X + 6 = 0
         $\begin{array}    \Leftrightarrow \,\,\,\,\,\left[ {\begin{array}{*{20}{c}}   {X = 3} \\   {X = 2} \end{array}} \right.  \\    \Leftrightarrow \,\,\,\,\,\left[ {\begin{array}{*{20}{c}}   {\left\{ {\begin{array}{*{20}{c}}   {u = 2} \\   {v = 3} \end{array}} \right.} \\   {\left\{ {\begin{array}{*{20}{c}}   {u = 3} \\   {v = 2} \end{array}} \right.} \end{array}} \right.  \\ \end{array}$
Trường hợp 1:   u = 2; v = 3
$\begin{array}    \Rightarrow \,\,\,\,\left\{ {\begin{array}{*{20}{c}}   {x + \frac{1}{x} = 2} \\   {y + \frac{1}{y} = 3} \end{array}} \right.  \\    \Leftrightarrow {\text{ }}\left\{ {\begin{array}{*{20}{c}}   {x = 1} \\   {y = \frac{{3 + \sqrt 5 }}{2}} \end{array}} \right.\,\,\, \vee \,\,\,\left\{ {\begin{array}{*{20}{c}}   {x = 1} \\   {y = \frac{{3 - \sqrt 5 }}{2}} \end{array}} \right.  \\ \end{array}$
Trường hợp 2:   u = 3; v = 2
  $\begin{array}    \Rightarrow \,\,\,\,\left\{ {\begin{array}{*{20}{c}}   {x + \frac{1}{x} = 3} \\   {y + \frac{1}{y} = 2} \end{array}} \right.  \\    \Leftrightarrow \,\,\,\left\{ {\begin{array}{*{20}{c}}   {x = \frac{{3 + \sqrt 5 }}{2}} \\   {y = 1} \end{array}} \right.\,\,\, \vee \,\,\,\,\left\{ {\begin{array}{*{20}{c}}   {x = \frac{{3 - \sqrt 5 }}{2}} \\   {y = 1} \end{array}} \right.  \\ \end{array}$
Vậy hệ đã cho có 4 nghiệm (x,y) là:
 $\left( {1;\frac{{3 + \sqrt 5 }}{2}} \right),{\text{ }}\left( {1;\frac{{3 - \sqrt 5 }}{2}} \right),{\text{ }}\left( {\frac{{3 + \sqrt 5 }}{2};1} \right),{\text{ }}\left( {\frac{{3 - \sqrt 5 }}{2};1} \right)$.

3.  Điều kiện tham số để hệ đối xứng loại I có nghiệm:
Phương pháp giải tổng quát:
i) Bước 1: Đặt điều kiện (nếu có).
ii) Bước 2: Đặt S = x + y; P = xy với điều kiện của S,P và S2 $\geqslant$4P (*).
iii) Bước 3: Thay x,y bởi S,P vào hệ phương trình.
Giải hệ tìm S,P theo m, rồi từ điều kiện (*) tìm m  (với m là tham số)

Ví dụ 3:
Tìm điều kiện m để hệ phương trình sau có nghiệm:
$\left\{ {\begin{array}{*{20}{c}}   {\sqrt {x - 4}  + \sqrt {y - 1}  = 4} \\   {x + y = 3m} \end{array}} \right.\,\,\,\left( 1 \right)$
Giải:
Đặt:    $\left\{ \begin{array}   u = \sqrt {x - 4} {\text{ }} \geqslant {\text{0}}  \\   v = \sqrt {y - 1} {\text{ }} \geqslant {\text{0}}  \\ \end{array}  \right.$
Khi đó, hệ (1) trở thành:
$\left\{ {\begin{array}{*{20}{c}}   {u + v = 4} \\   {{u^2} + {v^2} = 3m - 5} \end{array}} \right.$    $\Leftrightarrow$    $\left\{ {\begin{array}{*{20}{c}}   {u + v = 4} \\   {uv = \frac{{21 - 3m}}{2}} \end{array}} \right.$
Suy ra u,v là nghiệm (không âm) của phương trình:
${X^2} - 4X + \frac{{21 - 3m}}{2} = 0{\text{ (*)}}$
Theo đề, hệ (1) có nghiệm$\Leftrightarrow$Pt (*) có 2 nghiệm không âm.
$\Leftrightarrow \left\{ {\begin{array}{*{20}{c}}   {\Delta ' \geqslant 0} \\   {P \geqslant 0} \\   {S \geqslant 0} \end{array}} \right.{\text{ }}\,\,\, \Leftrightarrow \,\,\,\,\left\{ {\begin{array}{*{20}{c}}   {\frac{{3m - 13}}{2} \geqslant 0} \\   {\frac{{21 - 3m}}{2} \geqslant 0} \end{array}} \right.{\text{ }} \Leftrightarrow \,\,{\text{ }}\frac{{13}}{3} \leqslant m \leqslant 7.$
Vậy $\frac{{13}}{3} \leqslant m \leqslant 7$ là giá trị cần tìm.

Ví dụ 4:
Tìm m để hệ phương trình sau có nghiệm thực:
$\left\{ {\begin{array}{*{20}{c}}   {\sqrt x  + \sqrt y  = 1} \\   {x\sqrt x  + y\sqrt y  = 1 - 3m} \end{array}{\text{    (1)}}} \right.$
Giải:
Điều kiện:    $x \geqslant 0;{\text{ y}} \geqslant {\text{0}}$
Khi đó:
$\left\{ {\begin{array}{*{20}{c}}   {\sqrt x  + \sqrt y  = 1} \\   {x\sqrt x  + y\sqrt y  = 1 - 3m} \end{array}{\text{   }} \Leftrightarrow \,\,\,{\text{ }}\left\{ {\begin{array}{*{20}{c}}   {\sqrt x  + \sqrt y  = 1} \\   {{{\left( {\sqrt x } \right)}^3} + {{\left( {\sqrt y } \right)}^3} = 1 - 3m} \end{array}} \right.} \right.$
Đặt:        $S = \sqrt x  + \sqrt y  \geqslant 0;{\text{ P = }}\sqrt {xy}  \geqslant 0{\text{    }}\left( {{S^2} \geqslant 4P} \right)$
Hệ phương trình trở thành:
$\left\{ {\begin{array}{*{20}{c}}   {S = 1} \\   {{S^3} - 3SP = 1 - 3m} \end{array}} \right.{\text{   }} \Leftrightarrow \,\,\,{\text{ }}\left\{ {\begin{array}{*{20}{c}}   {S = 1} \\   {P = m} \end{array}} \right.$
Hệ (1) có nghiệm thực
$\Leftrightarrow {\text{ }}\left\{ {\begin{array}{*{20}{c}}   {{S^2} \geqslant 4P} \\   {P \geqslant 0} \\   {S \geqslant 0} \end{array}} \right.{\text{     }} \Leftrightarrow {\text{ }}\left\{ {\begin{array}{*{20}{c}}   {1 \geqslant 4m} \\   {m \geqslant 0} \end{array}} \right.{\text{    }} \Leftrightarrow {\text{ 0}} \leqslant {\text{m}} \leqslant \frac{1}{4}$
Vậy ${\text{0}} \leqslant m \leqslant \frac{1}{4}$ là giá trị cần tìm.

BÀI TẬP RÈN LUYỆN
Bài 1:
Giải hệ phương trình: $\left\{ {\begin{array}{*{20}{c}}   {x + y + \sqrt {xy}  = 19} \\   {{x^2} + {y^2} + xy = 133} \end{array}} \right.$.

Bài 2:
Giải hệ phương trình: $\left\{ \begin{array}   x + y + \frac{1}{x} + \frac{1}{y} = 4  \\   {x^2} + {y^2} + \frac{1}{{{x^2}}} + \frac{1}{{{y^2}}} = 4  \\ \end{array}  \right.$.

Bài 3:
Tìm m để hệ phương trình có đúng 2 nghiệm thực phân biệt.            $\left\{ \begin{array}   {x^2} + {y^2} = 2(1 + m)  \\   {(x + y)^2} = 4  \\ \end{array}  \right.$

Bài 4:
Tìm m để hệ phương trình sau có nhgiệm thực:
$\left\{ {\begin{array}{*{20}{c}}   {{x^2} + {y^2} + 4x + 4y = 10} \\   {xy(x + 4)(y + 4) = m} \end{array}} \right.{\text{  }}$

Bài 5:
Tìm m để hệ phương trình có nghiệm thực x > 0, y > 0:
$\left\{ \begin{array}   x + xy + y = m + 1  \\   {x^2}y + x{y^2} = m  \\ \end{array}  \right.$