Eu não acredito que seja esclarecido quando Tywin descobre sobre Shae.
Há várias explicações possíveis que vêm à mente:
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Os espiões de Tywin conseguiram localizá-la. Tywin certamente não confia em Tyrion, e parece certo que ele teria feito esforços para ficar de olho em suas atividades. Tyrion fez um grande esforço para esconder sua presença, mas ele começou a ficar desleixado quando seus sentimentos por ela cresceram. Ele sabia que trazê-la para morar e trabalhar no castelo era uma má ideia, e pode muito bem ter sido a sua (ou melhor, ela) ruína.
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Shae pode estar trabalhando para o Tywin desde o começo. Ela foi apresentada a Tyrion por Bronn, que alegou tê-la roubado de outro cavaleiro no acampamento de Tywin. Eu não acredito que Bronn tenha revelado qual cavaleiro, e quando Tyrion perguntou a Shae, ela evitou responder diretamente, apenas dizendo que ele era um "homem pequeno" e uma figura menor. É possível que isso tenha sido uma mentira e que ela tenha sido realmente "tirada" de Tywin no começo. É até possível que Bronn estivesse conscientemente atuando como agente de Tywin para entregá-la a Tyrion; ele era sem remorso mercenário, afinal. Se este é o caso, então Shae teria sido deliberadamente plantado por Tywin como um espião, e voltar para sua cama uma vez que Tyrion fosse preso teria sido natural.
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Varys pode ter revelado a verdade, já que ele sabia sobre Shae, e foi convencido a fornecer informações muito contundentes como parte do testemunho contra Tyrion no julgamento de Tyrion.
Dos três, acho que os espiões de Tywin descobrindo sobre Shae são os menos prováveis; Tyrion é razoavelmente cuidadoso, e enquanto Varys encontrou Shae apesar dos esforços de Tyrion, o domínio de Varys sobre espionagem faz com que Tywin pareça uma criança em comparação. Uma vez que Varys entrou em sua aliança com Tyrion para ajudar a esconder Shae, parece muito improvável que qualquer espião empregado por Tywin descubra o segredo.
A possibilidade de Shae originalmente trabalhar para Tywin originalmente, e depois ser enviada para Tyrion como espião, parece-me bastante plausível. Claramente Tywin não estava acima de dormir com uma prostituta, já que Tyrion a encontrou nua na cama de seu pai.
Ainda assim, minha opinião pessoal é que Varys a revelou a Tywin. Na verdade, acredito que todo o julgamento e os eventos subsequentes fizeram parte de uma configuração deliberada de Varys.
Varys testifies against Tyrion. Yet it also seemed too easy for Jaime to convince Varys to help Tyrion escape. Tyrion goes to Illyrio, Varys' partner, and then subsequently sent with "Griff" and "Young Griff" (later revealed to be Jon Connington and Aegon Targaryen) to support Daenerys Targaryen. If this was Varys' goal, then providing evidence at the trial would be an excellent way for him to force Tyrion to flee from King's Landing, and to go where Varys wanted him to.
Futhermore:
Arranging for Tyrion to find Shae in Tywin's bed (notice that Varys doesn't argue too strongly against Tyrion going to find his father, and quite willingly provides directions on how to sneak in to his quarters) would potentially serve a double purpose for Varys: it would set Tyrion even more firmly against his father, encouraging him to support the Targeryon claim, and it might also prove an opportunity to remove Tywin from the scene altogether.
Afinal de contas:
The fact that Varys later murders Kevan Lannister, and then explicitly explains that he did so to destabilize the Lannister rule, sow dissent between Lannisters and Tyrells, and therefore making the kingdom an easier conquest for the returning Targaryens, makes it quite clear that Varys would have needed to eliminate Tywin somehow.