专题地图 › 不等式的证明
2021 年浙江预赛
F5解答题不等式的证明
设 x,y,z>0,x+y+z=1。证明:
x5/2(y+z)x4+y2z2+y5/2(z+x)y4+z2x2+z5/2(x+y)z4+x2y2≥1.
作答
这是解答题,请在纸上写出完整过程。写完后对照解答给自己评分。
解析
思路
本解使用的 Radon 不等式是 ∑Ai3/Bi2≥(∑Ai)3/(∑Bi)2(正数)。可令权重 wi=Bi/∑Bi,对 t3 用加权凸性证明;此处 Ai=Xi2、Bi=(Yi+Zi)2。这是课外幂平均工具,不能仅写名称省去分母选择。
想法从哪来:条件给的是平方根之和,应先将平方根本身设成新变量,消除半整数指数。 分子有两项,先拆成两个循环和,试在全相等点各贡献一半的下界。第一部分的分母适合柯西配成幂和比值;第二部分的乘积与倒幂不平衡,可试 a=YZ,b=ZX,c=XY,把三项统一成同一类齐次分式。 新的分母 YZ(Y2+Z2) 又可由 (Y+Z)4 控制,余下六次幂与四次幂的组合适合加权幂平均。这些换元的动机都是让三个分式能合并,所有放缩还要检查在全相等处兼容取等。
令 a=x,b=y,c=z,把左端拆成两个循环和。 第一部分用柯西不等式结合幂和关系;第二部分再作乘积型代换,使目标化为齐次的三元不等式。
解答
令 a=x,b=y,c=z,则 a,b,c>0 且 s=a+b+c=1。原式左端为
L=cyc∑b2+c2a3+cyc∑a5(b2+c2)b4c4=:L1+L2.
记 Q=a2+b2+c2、R=a3+b3+c3。由柯西不等式,
L1=cyc∑a(b2+c2)(a2)2≥sQ−RQ2.
又有
sR≥Q2,s2≤3Q.
因此
sQ−R≤sQ−sQ2=sQ(s2−Q)≤s2Q2,
从而 L1≥s/2。
再令
X2=abc,Y2=bca,Z2=cab.
则 YZ=a,ZX=b,XY=c,且
L2=cyc∑YZ(Y2+Z2)X6.
由恒等式
(Y+Z)4−8YZ(Y2+Z2)=(Y−Z)4≥0,
得
L2≥8cyc∑(Y+Z)4X6.
记 U=X2+Y2+Z2、V=XY+YZ+ZX。由 Radon 不等式,
cyc∑(Y+Z)4X6≥((Y+Z)2+(Z+X)2+(X+Y)2)2U3=4(U+V)2U3.
又 V≤U,故
4U3≥V(U+V)2,
于是右端不小于 V/16。因此
L2≥2V=2XY+YZ+ZX=2s.
综上,L=L1+L2≥s=1,命题得证。
复核
所有变量均为正,以上分母均非零。V≤U 来自 X2+Y2+Z2≥XY+YZ+ZX;当 a=b=c=1/3 时各步取等,常数 1 可达到。
方法总结
根式归一条件提示先换成平方根变量;分子为两项和时可拆分后分别估计。乘积型循环项常可用 X2=bc/a 一类代换,把原变量还原为两两乘积并暴露齐次结构。
为什么评为 F5(会透露解法方向)
拆成两类不同结构的分式后,第二部分需非直接的bc/a换元及四次恒等式,再衔接Radon与对称界才能给同一线性下界。
用到的方法(会透露解法方向)
核心工具:柯西不等式与投影
专题卡:平方和与线性式、分式和互相估计:用柯西不等式、齐次式、比值和对称式:归一化或换元,减少变量