Tìm m để bất phương trình \(\dfrac{{3\sin 2x + \cos 2x}}{{\sin 2x + 4{{\cos }^2}x + 1}} \le m + 1\) đúng với mọi \(x \in \mathbb{R}\)

Đặt \(y = \dfrac{{3\sin 2x + \cos 2x}}{{\sin 2x + 4{{\cos }^2}x + 1}}\)\( = \dfrac{{3\sin 2x + \cos 2x}}{{\sin 2x + 2\left( {1 + \cos 2x} \right) + 1}}\)\( = \dfrac{{3\sin 2x + \cos 2x}}{{\sin 2x + 2\cos 2x + 3}}\)

\( \Leftrightarrow y.\sin 2x + 2y.\cos 2x + 3y = 3.\sin 2x + \cos 2x\)\( \Leftrightarrow \left( {y - 3} \right).\sin 2x + \left( {2y - 1} \right).\cos 2x =  - 3y\)  (*)

Theo bất đẳng thức Bunhiacopxki, ta có \({\left[ {\left( {y - 3} \right).\sin 2x + \left( {2y - 1} \right).\cos 2x} \right]^2} \le {\left( {y - 3} \right)^2} + {\left( {2y - 1} \right)^2}\)

Kết hợp với (*), ta được \(9{y^2} \le \left( {y - 3} \right){\,^2} + {\left( {2y - 1} \right)^2} \Leftrightarrow y \le \dfrac{{ - 5 + \sqrt {65} }}{4}\)\( \Rightarrow \max y = \dfrac{{ - 5 + \sqrt {65} }}{4}\)

Để bất phương trình \(y \le m + 1;x \in \mathbb{R}\)\( \Leftrightarrow m + 1 \ge \max y = \dfrac{{ - 5 + \sqrt {65} }}{4}\)\( \Leftrightarrow m \ge \dfrac{{\sqrt {65}  - 9}}{4}\)