37 votos

Desigualdad $\sum\limits_{cic}\frac{a^3}{13a^2+5b^2}\geq\frac{a+b+c}{18}$

Permita que $a$, $b$ y $c$ sean números positivos. Demuestra que: $$\frac{a^3}{13a^2+5b^2}+\frac{b^3}{13b^2+5c^2}+\frac{c^3}{13c^2+5a^2}\geq\frac{a+b+c}{18}$$

Esta desigualdad es una generalización de la siguiente de Vasile Cirtoaje, la cual creó en 2005.

Permita que $a$, $b$ y $c$ sean números positivos. Demuestra que: $$\frac{a^3}{2a^2+b^2}+\frac{b^3}{2b^2+c^2}+\frac{c^3}{2c^2+a^2}\geq\frac{a+b+c}{3}.$$

Puedes ver mi prueba de esta desigualdad aquí: https://artofproblemsolving.com/community/c6h22937p427220

Pero este método no sirve para la desigualdad inicial.

Un gran problema que tenemos alrededor del punto $(a,b,c)=(0.785, 1.25, 1.861)$ es que la diferencia entre el LHS y el RHS en este punto es $0.0000158...$.

También intenté usar Cauchy-Schwarz, pero sin éxito.

Además, creo que el BW (ver aquí https://math.stackexchange.com/tags/buffalo-way/info ¡lo intenté!) no ayuda.

8voto

River Li Puntos 101

Maxim Gilula hizo una buena pregunta: ¿Cuál es el punto de presentar una solución a través de la computadora?

Permítanme abordarlo desde dos aspectos.

En primer lugar, según mi experiencia (los problemas de MSE, AoPS, investigación académica, etc.), las desigualdades con soluciones elegantes (por ejemplo, a mano) suelen ser aquellas diseñadas para concursos. Excepto por las desigualdades diseñadas, las desigualdades generalmente requieren la ayuda de la computadora. Muchas desigualdades en MSE, AoPS están abiertas durante muchos años sin ninguna solución a mano.

En segundo lugar, aunque también con la ayuda de computadora, las soluciones son diferentes.

1) Algunas soluciones, como Buffalo Way (BW) o Sum of Squares (SOS), proporcionan soluciones analíticas completas rigurosas paso a paso con una explicación detallada. Además, estas soluciones no suelen ser muy largas. Generalmente una o varias páginas A4 son suficientes para escribir las soluciones analíticas completas rigurosas paso a paso con una explicación detallada.

2) En contraste, algunas soluciones no proporcionan soluciones paso a paso. Por ejemplo, las soluciones paso a paso están en las entrañas de Mathematica, y en algunos casos, Mathematica tarda varias horas en producir 'verdadero', lo que significa que las soluciones paso a paso pueden ser muy, muy largas, probablemente se requieran 10,000 páginas A4 para escribir las soluciones paso a paso. A veces, el método del multiplicador de Lagrange funciona bien, sin embargo, a veces resulta en ecuaciones muy complicadas que requieren Mathematica, etc.

3) A menudo, aunque el proceso de pensamiento es muy complicado y requiere la ayuda de la computadora, la solución es elemental y fácil de verificar incluso a mano. Por ejemplo, recientemente, utilicé la computadora para resolver una desigualdad en AoPS para obtener la identidad $a^3 + b^3 + c^3 - a^2b - b^2c - c^2a = \frac{(a^2+b^2-2c^2)^2 + 3(a^2-b^2)^2 + \sum_{\mathrm{cyc}} 4(a+b)(c+a)(a-b)^2}{8(a+b+c)}$. En contraste, Mathematica solo produce 'verdadero'. ¿Cuál solución es mejor?

EDICIÓN

Observación: En realidad, la Buffalo Way funciona aunque la solución es fea. No la incluyo aquí. Con computadora, aquí hay una solución SOS (Suma de Cuadrados):

Sin pérdida de generalidad, suponga que $c = \min(a, b, c)$. Tenemos \begin{align*} &\frac{a^3}{13a^2+5b^2} + \frac{b^3}{13b^2+5c^2} + \frac{c^3}{13c^2+5a^2} - \frac{a+b+c}{18}\\ =\ & \frac{1}{18(13a^2+5b^2)(13b^2+5c^2)(13c^2+5a^2)}\\ &\quad \cdot \frac{1}{2223}\Big(cz_1^TA_1 z_1 + c(a-c)(b-c)z_2^TA_2z_2 + (b-c)z_3^TA_3z_3 + (a-c)z_4^TA_4z_4\Big) \end{align*} (Observación: $A_1, A_2, A_3, A_4$ son todos definidos positivos. Así que la desigualdad es verdadera.) donde $$z_1 = \left(\begin{array}{c} {\left(a - c\right)}^2\, \left(b - c\right)\\ \left(a - c\right)\, {\left(b - c\right)}^2\\ c\, {\left(a - c\right)}^2\\ c\, \left(a - c\right)\, \left(b - c\right)\\ c\, {\left(b - c\right)}^2\\ c^2\, \left(b - c\right)\\ c^2\, \left(a - c\right) \end{array}\right), \quad z_2 = \left(\begin{array}{c} {\left(a - c\right)}^2\\ \left(a - c\right)\, \left(b - c\right)\\ {\left(b - c\right)}^2\\ c\, \left(a - c\right)\\ c^2\\ c\, \left(b - c\right) \end{array}\right), $$ $$z_3 = \left(\begin{array}{c} {\left(a - c\right)}^2\, \left(b - c\right)\\ \left(a - c\right)\, {\left(b - c\right)}^2\\ c\, {\left(a - c\right)}^2\\ c\, \left(a - c\right)\, \left(b - c\right)\\ c\, {\left(b - c\right)}^2\\ c^2\, \left(b - c\right)\\ c^2\, \left(a - c\right) \end{array}\right) , \quad z_4 = \left(\begin{array}{c} {\left(a - c\right)}^2\, \left(b - c\right)\\ \left(a - c\right)\, {\left(b - c\right)}^2\\ c\, {\left(a - c\right)}^2\\ c\, \left(a - c\right)\, \left(b - c\right)\\ c\, {\left(b - c\right)}^2\\ c^2\, \left(b - c\right)\\ c^2\, \left(a - c\right) \end{array}\right),$$ y $$A_1 = \left(\begin{array}{ccccccc} 453245 & -100035 & 111397 & 113607 & -146718 & 24687 & 6498\\ -100035 & 166231 & -19773 & 24453 & -82004 & -11286 & 31356\\ 111397 & -19773 & 444600 & 86526 & -144261 & 13585 & -6669\\ 113607 & 24453 & 86526 & 760500 & -344736 & -126711 & 149188\\ -146718 & -82004 & -144261 & -344736 & 297882 & -26676 & -53352\\ 24687 & -11286 & 13585 & -126711 & -26676 & 160056 & -111150\\ 6498 & 31356 & -6669 & 149188 & -53352 & -111150 & 160056 \end{array}\right), $$ $$A_2 = \left(\begin{array}{cccccc} 281580 & 33098 & -64467 & 40261 & 4275 & -24219\\ 33098 & 329004 & -124982 & 13572 & 20241 & -51129\\ -64467 & -124982 & 106704 & -51129 & -6840 & -30875\\ 40261 & 13572 & -51129 & 326610 & -8645 & -79794\\ 4275 & 20241 & -6840 & -8645 & 62244 & -46683\\ -24219 & -51129 & -30875 & -79794 & -46683 & 153216 \end{array}\right) ,$$ $$A_3 = \left(\begin{array}{ccccccc} 258609 & -100035 & 102011 & 75582 & -56069 & -57798 & 126945\\ -100035 & 55575 & -37791 & -29393 & 2223 & 26923 & -26676\\ 102011 & -37791 & 589342 & 224757 & -195624 & -155376 & 313272\\ 75582 & -29393 & 224757 & 693576 & -279851 & -320283 & 535977\\ -56069 & 2223 & -195624 & -279851 & 200070 & 91143 & -306945\\ -57798 & 26923 & -155376 & -320283 & 91143 & 293436 & -435708\\ 126945 & -26676 & 313272 & 535977 & -306945 & -435708 & 1016158 \end{array}\right) ,$$ $$A_4 = \left(\begin{array}{ccccccc} 144495 & -57057 & 3705 & 24206 & -22230 & 2457 & 26923\\ -57057 & 55575 & 4199 & -15561 & -22724 & 13338 & -1989\\ 3705 & 4199 & 200070 & 18031 & -46449 & -9063 & 17784\\ 24206 & -15561 & 18031 & 351468 & -140049 & -6435 & -13509\\ -22230 & -22724 & -46449 & -140049 & 189202 & -117990 & -46449\\ 2457 & 13338 & -9063 & -6435 & -117990 & 177840 & -48659\\ 26923 & -1989 & 17784 & -13509 & -46449 & -48659 & 253422 \end{array}\right). $$

2voto

max8128 Puntos 26

Su desigualdad es equivalente a: $$\sum_{cic}\frac{a}{13}\sin(\arctan(\sqrt{\frac{13}{5}}\frac{a}{b}))^2\geq \frac{a+b+c}{18}$$ Cada lado se divide por $b$, obtenemos: $$\frac{a}{13b} \sin(\arctan(\sqrt{\frac{13}{5}}\frac{a}{b}))^2+\frac{1}{13}\sin(\arctan(\sqrt{\frac{13}{5}}\frac{b}{c}))^2+\frac{c}{13b}\sin(\arctan(\sqrt{\frac{13}{5}}\frac{c}{a}))^2\geq \frac{1+\frac{a}{b}+\frac{c}{b}}{18}$$ Ahora ponemos $\sqrt{\frac{13}{5}}\frac{a}{b}=x$, $\sqrt{\frac{13}{5}}\frac{b}{c}=y$, $\sqrt{\frac{13}{5}}\frac{c}{a}=z$, su desigualdad es equivalente a: $$\sqrt{\dfrac{5}{13}}\frac{1}{13}\dfrac{(x)^3}{(x^2+1)}+\dfrac{1}{13}\dfrac{(y)^2}{(y^2+1)}+\sqrt{\dfrac{13}{5}}\dfrac{1}{13(y)}\dfrac{(z)^2}{(z^2+1)}$$$$\geq \dfrac{1+\sqrt{\dfrac{5}{13}}x+\sqrt{\dfrac{13}{5}}\dfrac{1}{y}}{18}$$ con la condición $xyz=(\sqrt{\frac{13}{5}})^3$.

Estudiamos la siguiente función: $$f(x)=\sqrt{\dfrac{5}{13}}\frac{1}{13}\dfrac{(x)^3}{(x^2+1)}+\dfrac{1}{13}\dfrac{(y)^2}{(y^2+1)}+\sqrt{\dfrac{13}{5}}\dfrac{1}{13(y)}\dfrac{(z)^2}{(z^2+1)}-\dfrac{1+\sqrt{\dfrac{5}{13}}x+\sqrt{\dfrac{13}{5}}\dfrac{1}{y}}{18}$$ Esta función es fácilmente diferenciable y el mínimo es para $x=\sqrt{\frac{3\sqrt{77}}{17}-\frac{26}{17}}=\alpha$. Entonces con la condición $xyz=(\sqrt{\frac{13}{5}})^3$ se convierte en $yz=\frac{(\sqrt{\frac{13}{5}})^3}{\alpha}=\beta$. Así que tenemos esta desigualdad solo con $y$: $$\sqrt{\dfrac{5}{13}}\frac{1}{13}\dfrac{(\alpha)^3}{(\alpha^2+1)}+\dfrac{1}{13}\dfrac{(y)^2}{(y^2+1)}+\sqrt{\dfrac{13}{5}}\dfrac{1}{13(y)}\dfrac{(\frac{\beta}{y})^2}{((\frac{\beta}{y})^2+1)}\geq\dfrac{1+\sqrt{\dfrac{5}{13}}\alpha+\sqrt{\dfrac{13}{5}}\dfrac{1}{y}}{18}$$ que es fácilmente analizable. ¡Hecho!

2voto

Doug Puntos 858

Un poco de álgebra muestra que la desigualdad es equivalente a $$ 5 \left(5 a^5 \left(13 b^2+5 c^2\right)+13 a^4 \left(5 b^3-13 b^2 c-5 b c^2-5 c^3\right)+a^3 \left(-65 b^4+144 b^2 c^2+65 c^4\right)+a^2 \left(25 b^5-65 b^4 c+144 b^3 c^2+144 b^2 c^3-169 b c^4+65 c^5\right)-13 a \left(13 b^4 c^2+5 b^2 c^4\right)+5 b^2 c^2 \left(13 b^3+13 b^2 c-13 b c^2+5 c^3\right)\right) \ge0 $$ El lado izquierdo es un polinomio, por lo que esto se puede resolver mediante la Descomposición Algebraica Cilíndrica -- https://en.wikipedia.org/wiki/Cylindrical_algebraic_decomposition

El siguiente código en Mathematica hace el trabajo.

ex1 = a^3/(13 a^2 + 5 b^2) + b^3/(13 b^2 + 5 c^2) + c^3/(5 a^2 + 13 c^2) >= 1/18 (a + b + c);
ex2 = ex1[[1]] - ex1[[2]] // Together // Numerator // Simplify;
ex3 = ForAll[{a, b, c}, And @@ {a >= 0, b >= 0, c >= 0}, ex2 >= 0];
CylindricalDecomposition[ex3, {}]

Tenga en cuenta que esto puede tardar unos minutos en ejecutarse.

1voto

Juan Moreno Puntos 51

No soy una fuente confiable, pero creo que puedo demostrar el siguiente teorema: $$\sum_{cyc}\frac{a_{1}^{\alpha+1}}{k_{1}a_{1}^{\alpha}+k_{2}a_{2}^{\alpha}}\geq\frac{\sum_{k=1}^{n}a_{k}}{k_{1}+k_{2}}$$

DEMOSTRACIÓN

Primero necesitaremos lo siguiente

Lema 1.

$$\sum_{k=1}^{n}a_{k}^{\alpha+1}\geq\sum_{cyc}a_{1}a_{2}^{\alpha}$$

Prueba.

Aplicando la desigualdad de la Reordenación en $a_{1},a_{2},...,a_{n}$ y $a_{1}^{\alpha},a_{2}^{\alpha},...,a_{n}^{\alpha}$, tenemos que $\sum_{cyc}a_{1}a_{2}^{\alpha}$ es maximizado cuando $a_{1},a_{2},...,a_{n}$ y $a_{1}^{\alpha},a_{2}^{\alpha},...,a_{n}^{\alpha}$ están ordenados de manera similar.

Por lo tanto, podemos afirmar que

$$\sum_{k=1}^{n}a_{k}^{\alpha+1}\geq\sum_{cyc}a_{1}a_{2}^{\alpha}$$

Por otro lado, necesitamos lo siguiente

Lema 2.

$$\sum_{cyc}\frac{a_{1}^{\alpha+1}+\left(\frac{k_{2}}{k_{1}}\right)a_{1}a_{2}^{\alpha}}{k_{1}a_{1}^{\alpha}+k_{2}a_{2}^{\alpha}}=\frac{\sum_{k=1}^{n}a_{k}}{k_{1}}$$

Prueba.

Establecemos que

$$\frac{a_{1}^{\alpha+1}}{k_{1}a_{1}^{\alpha}+k_{2}a_{2}^{\alpha}}+\frac{n}{m}=\frac{a_{1}}{k_{1}}$$

Operando, obtenemos que

$$\frac{a_{1}^{\alpha+1}m+n\left(k_{1}a_{1}^{\alpha}+k_{2}a_{2}^{\alpha}\right)}{m\left(k_{1}a_{1}^{\alpha}+k_{2}a_{2}^{\alpha}\right)}=\frac{a_{1}}{k_{1}}$$

$$k_{1}\left(a_{1}^{\alpha+1}m+n\left(k_{1}a_{1}^{\alpha}+k_{2}a_{2}^{\alpha}\right)\right)=a_{1}m\left(k_{1}a_{1}^{\alpha}+k_{2}a_{2}^{\alpha}\right)$$

$$k_{1}a_{1}^{\alpha+1}m+k_{1}n\left(k_{1}a_{1}^{\alpha}+k_{2}a_{2}^{\alpha}\right)=a_{1}mk_{1}a_{1}^{\alpha}+a_{1}mk_{2}a_{2}^{\alpha}$$

$$k_{1}n\left(k_{1}a_{1}^{\alpha}+k_{2}a_{2}^{\alpha}\right)=a_{1}mk_{2}a_{2}^{\alpha}$$

$$\frac{n}{m}=\left(\frac{k_{2}}{k_{1}}\right)\frac{a_{1}a_{2}^{\alpha}}{k_{1}a_{1}^{\alpha}+k_{2}a_{2}^{\alpha}}$$

Por lo tanto, tenemos que

$$\frac{a_{1}^{\alpha+1}+\left(\frac{k_{2}}{k_{1}}\right)a_{1}a_{2}^{\alpha}}{k_{1}a_{1}^{\alpha}+k_{2}a_{2}^{\alpha}}=\frac{a_{1}}{k_{1}}$$

Y posteriormente, repitiendo el proceso para cada variable, obtenemos que

$$\sum_{cyc}\frac{a_{1}^{\alpha+1}+\left(\frac{k_{2}}{k_{1}}\right)a_{1}a_{2}^{\alpha}}{k_{1}a_{1}^{\alpha}+k_{2}a_{2}^{\alpha}}=\frac{\sum_{k=1}^{n}a_{k}}{k_{1}}$$

Ahora, estamos listos para demostrar el teorema.

Aplicando el Lema 1, derivamos que

$$\left(\frac{k_{2}}{k_{1}}\right)\sum_{k=1}^{n}a_{k}^{\alpha+1}\geq\left(\frac{k_{2}}{k_{1}}\right)\sum_{cyc}a_{1}a_{2}^{\alpha}$$

Por lo tanto, sustituyendo en la expresión de Lema 2 y operando, tenemos que

$$\sum_{cyc}\frac{a_{1}^{\alpha+1}+\left(\frac{k_{2}}{k_{1}}\right)a_{k}^{\alpha+1}}{k_{1}a_{1}^{\alpha}+k_{2}a_{2}^{\alpha}}\geq\frac{\sum_{k=1}^{n}a_{k}}{k_{1}}$$

$$\sum_{cyc}\frac{\left(\frac{k_{1}}{k_{1}}\right)a_{1}^{\alpha+1}+\left(\frac{k_{2}}{k_{1}}\right)a_{k}^{\alpha+1}}{k_{1}a_{1}^{\alpha}+k_{2}a_{2}^{\alpha}}\geq\frac{\sum_{k=1}^{n}a_{k}}{k_{1}}$$

$$\sum_{cyc}\frac{\left(\frac{k_{1}+k_{2}}{k_{1}}\right)a_{k}^{\alpha+1}}{k_{1}a_{1}^{\alpha}+k_{2}a_{2}^{\alpha}}\geq\frac{\sum_{k=1}^{n}a_{k}}{k_{1}}$$

$$\sum_{cyc}\frac{a_{k}^{\alpha+1}}{k_{1}a_{1}^{\alpha}+k_{2}a_{2}^{\alpha}}\geq\frac{\sum_{k=1}^{n}a_{k}}{\left(\frac{k_{1}+k_{2}}{k_{1}}\right)k_{1}}$$

$$\sum_{cyc}\frac{a_{k}^{\alpha+1}}{k_{1}a_{1}^{\alpha}+k_{2}a_{2}^{\alpha}}\geq\frac{\sum_{k=1}^{n}a_{k}}{k_{1}+k_{2}}$$

Como queríamos demostrar.

El caso particular propuesto sigue de la aplicación directa del teorema.

0voto

Chris Puntos 6

Deje $f, g, p, u, k, d, x, y, z>0$ tal que $u\geq k$:

$$y=\left(\frac{x\left(g+u\right)p}{g+k}\right), x=\left(\frac{z\left(d+u\right)p}{d+k}\right), z=\left(\frac{y\left(f+u\right)p}{f+k}\right)$$

Entonces tenemos las funciones:

$$h\left(x\right)=\frac{x}{13+\frac{5p^{2}\left(x+u\right)^{2}}{\left(x+k\right)^{2}}}$$

Que es convexa en $(0,\infty)$ y $u\ge k>0$ y $p>0$:

Luego, usando la desigualdad de Jensen tenemos:

$$\frac{z}{f}h(f)+\frac{x}{d}h(d)+\frac{y}{g}h(g)\geq \left(\frac{z}{f}+\frac{x}{d}+\frac{y}{g}\right)h\left(\frac{\left(z+x+y\right)}{\frac{z}{f}+\frac{x}{d}+\frac{y}{g}}\right)$$

Ahora el problema es:

$$\left(\frac{z}{f}+\frac{x}{d}+\frac{y}{g}\right)h\left(\frac{\left(z+x+y\right)}{\frac{z}{f}+\frac{x}{d}+\frac{y}{g}}\right)\geq^{?}\frac{\left(x+y+z\right)}{18}\tag{I}$$

Después de simplificar tenemos la restricción:

$$p(\frac{\left(z+x+y\right)}{\frac{z}{f}+\frac{x}{d}+\frac{y}{g}}+u)\leq \frac{\left(z+x+y\right)}{\frac{z}{f}+\frac{x}{d}+\frac{y}{g}}+k$$

¡Hemos terminado!

Última edición 23/04/2022:

Tenemos la desigualdad para $x\in[0,1]$:

$$f(x)=\left(\frac{1}{13+5x^{-2}}\right)\geq g(x)=\left(\frac{1}{6}\left(\frac{1}{2+x^{-2}}+\frac{x^{2}\left(1-x\right)^{2}}{5}\right)\right)\left(1+\frac{\left(x\left(1-x\right)\right)^{2}}{16.75}\right)^{3}$$

Ahora necesitamos demostrar bajo algunas suposiciones dadas a continuación:

$$p(a,b,c)=-\frac{\left(a+b+c\right)}{18}+ag\left(\frac{a}{b}\right)+bf\left(\frac{b}{c}\right)+\frac{c^{3}}{13c^{2}+5a^{2}}\geq 0$$

Para eso usamos el método de Buffalo y una restricción que tenemos todos los coeficientes positivos en ($x\ge 0$ y $n\geq 1$ un número natural):

$$p(0.785,1.25+x,1.861+x^n)$$

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