Cho tam giác ABC thỏa \(\frac{{{a^3} + {b^3} + {c^3}}}{{abc}} + \frac{{2r}}{R} = 4\). Chứng minh rằng: Tam giác ABC là tam giác đều.

Lời giải

Ta có:

\(S = \frac{{abc}}{{4R}} = pr = \sqrt {p\left( {p - a} \right)\left( {p - b} \right)\left( {p - c} \right)} \)

\( \Rightarrow {S^2} = \frac{{abcpr}}{{4R}} = p\left( {p - a} \right)\left( {p - b} \right)\left( {p - c} \right)\)

\( \Rightarrow \frac{{2r}}{R} = \frac{{\left( {a + b + c - 2a} \right)\left( {a + b + c - 2b} \right)\left( {a + b + c - 2c} \right)}}{{abc}}\).

Lại có theo giả thiết: \(\frac{{{a^3} + {b^3} + {c^3}}}{{abc}} + \frac{{2r}}{R} = 4\) nên suy ra

\(\frac{{{a^3} + {b^3} + {c^3}}}{{abc}} + \frac{{\left( {a + b + c - 2a} \right)\left( {a + b + c - 2b} \right)\left( {a + b + c - 2c} \right)}}{{abc}} = 4\)

\( \Leftrightarrow \frac{{{a^3} + {b^3} + {c^3}}}{{abc}} + \frac{{\left( {b + c - a} \right)\left( {a + c - b} \right)\left( {a + b - c} \right)}}{{abc}} = 4\)

\( \Leftrightarrow \frac{{{a^3} + {b^3} + {c^3} + \left( {b + c - a} \right)\left( {a + c - b} \right)\left( {a + b - c} \right)}}{{abc}} = 4\)

\( \Leftrightarrow \frac{{{a^3} + {b^3} + {c^3} - {a^3} - {b^3} - {c^3} + {a^2}b + a{b^2} + {b^2}c + b{c^2} + {a^2}c + a{c^2} - 2abc}}{{abc}} = 4\)

\( \Leftrightarrow \frac{{{a^2}b + a{b^2} + {b^2}c + b{c^2} + {a^2}c + a{c^2} - 2abc}}{{abc}} = 4\)

\( \Leftrightarrow {a^2}b + a{b^2} + {b^2}c + b{c^2} + {a^2}c + a{c^2} - 2abc = 4abc\)

\( \Leftrightarrow {a^2}b + a{b^2} + {b^2}c + b{c^2} + {a^2}c + a{c^2} = 6abc\) (1)

Áp dụng BĐT AM-GM, ta có:

\({a^2}b + a{b^2} + {b^2}c + b{c^2} + {a^2}c + a{c^2} \ge 6abc\).

Do đó (1) đúng khi và chỉ khi a = b = c.

Vậy tam giác ABC đều.