Demostrar que $2^{n(n+1)}>(n+1)^{n+1}\left(\frac{n}{1}\right)^n\left(\frac{n-1}{2}\right)^{n-1}\cdots \left(\frac{2}{n-1}\right)^{2}\frac{1}{n}$

Question

Si $n$ ser un entero positivo $>1$, demostrar que $$2^{n(n+1)}>(n+1)^{n+1}\left(\frac{n}{1}\right)^n\left(\frac{n-1}{2}\right)^{n-1}\left(\frac{n-2}{3}\right)^{n-2}\cdots \left(\frac{2}{n-1}\right)^{2}\frac{1}{n}$$

Por favor me ayudan a demostrar la anterior. Tengo que usar las leyes de la desigualdad como AM-GM. Pero cómo usarlo para este problema en particular.

Editar:

Sólo el uso de las leyes de la desigualdad.

Edit 2

Quiero resolver esto mediante el uso de leyes de la desigualdad como ponderado AM-GM. Mi intento es el siguiente

Considerar los números positivos $\left(\frac{n}{1}\right), \left(\frac{n-1}{2}\right), \left(\frac{n-2}{3}\right), \cdots \left(\frac{2}{n-1}\right), \frac{1}{n}$ con pesos correspondientes a $n, n-1, n-2, \cdots 2,1$, respectivamente, y la aplicación ponderada AM>GM, nos,

$$\frac{\left(\frac{n^2}{1}\right)+\left(\frac{(n-1)^2}{2}\right)+\left(\frac{(n-2)^3}{3}\right)+\cdots \left(\frac{2^2}{n-1}\right)\frac{1^1}{n}}{n+(n-1)+\cdots +2+1}>\left[\left(\frac{n}{1}\right)^n\left(\frac{n-1}{2}\right)^{n-1}\left(\frac{n-2}{3}\right)^{n-2}\cdots \left(\frac{2}{n-1}\right)^{2}\frac{1}{n}\right]^{\frac{n(n+1)}{2}}$$

Soy incapaz de obtener el resultado porque soy incapaz de obtener la suma de $\left(\frac{n^2}{1}\right)+\left(\frac{(n-1)^2}{2}\right)+\left(\frac{(n-2)^3}{3}\right)+\cdots \left(\frac{2^2}{n-1}\right)\frac{1^1}{n}$

Por favor, me sugieren algunas estrategias posibles.

Answer 1

Observe que $$ RHS = (n+1)^{n+1} \cdot \left(\frac{n}{1}\right) \cdot \left(\frac{n}{1}\cdot \frac{n-1}{2}\right) \cdots \left(\frac{n}{1}\cdot \frac{n-1}{2} \cdots \frac{1}{n}\right) = \prod_{k=1}^n \binom{n}{k} = \prod_{k=0}^n \binom{n}{k}. $$ Entonces, por AM-GM, $$ RHS = (n+1)^{n+1} \cdot \prod_{k=0}^n \binom{n}{k} \le (n+1)^{n+1} \cdot \left( \frac{\binom{n}{0}+\binom{n}{1}+\ldots+\binom{n}{n}}{n+1}\right)^{n+1} = LHS. $$ La igualdad sólo se aplica si $\binom{n}0=\ldots=\binom{n}{m}$; es decir, para $n=1$.

Answer 2

Aquí está una prueba por inducción que comienza con mi fórmula para el lado derecho.

El lado derecho es $s(n) =(n+1)^{n+1}\prod_{k=1}^{n} \left(\frac{n-k+1}{k} \right)^{n-k+1} $.

$\begin{array}\\ s(n) &=(n+1)^{n+1}\prod_{k=1}^{n} \left(\frac{n-k+1}{k} \right)^{n-k+1}\\ &=(n+1)^{n+1}\frac{\prod_{k=1}^{n}(n-k+1)^{n-k+1}}{\prod_{k=1}^{n} k^{n-k+1}}\\ &=(n+1)^{n+1}\frac{\prod_{k=1}^{n}k^k}{\prod_{k=1}^{n} k^{n-k+1}}\\ &=(n+1)^{n+1}\frac{\prod_{k=1}^{n}k^{2k}}{\prod_{k=1}^{n} k^{n+1}}\\ &=(n+1)^{n+1}\frac{\prod_{k=1}^{n}k^{2k}}{(n!)^{n+1}}\\ \end{array} $

Por lo tanto

$\begin{array}\\ \frac{s(n+1)}{s(n)} &=\frac{(n+2)^{n+2}\frac{\prod_{k=1}^{n+1}k^{2k}}{((n+1)!)^{n+2}}}{(n+1)^{n+1}\frac{\prod_{k=1}^{n}k^{2k}}{(n!)^{n+1}}}\\ &=\frac{(n!)^{n+1}(n+2)^{n+2}(n+1)^{2(n+1)}}{((n+1)!)^{n+2}(n+1)^{n+1}}\\ &=\frac{(n!)^{n+1}(n+2)^{n+2}(n+1)^{n+1}}{((n+1)!)^{n+1}(n+1)!}\\ &=\frac{(n+2)^{n+2}(n+1)^{n+1}}{(n+1)^{n+1}(n+1)!}\\ &=\frac{(n+2)^{n+2}}{(n+1)!}\\ \end{array} $

Desde entonces, si $t(n) =2^{n(n+1)} $, $\frac{t(n+1)}{t(n)} =2^{(n+2)(n+3)-(n+1)(n+2)} =2^{2(n+2)} $, si podemos demostrar que $\frac{(n+2)^{n+2}}{(n+1)!} < 2^{2(n+2)} $, hemos terminado.

Este es $n+2 < 4((n+1)!)^{1/(n+2)} $ o, la sustitución de $n+1$$n$, $n+1 < 4(n!)^{1/(n+1)} $.

Desde $n! \gt (n/e)^n $, este es implícita por

$\begin{array}\\ n+1 < 4(n/e)^{n/(n+1)}\\ or\\ (n+1)^{n+1} < 4^{n+1}(n/e)^n\\ or\\ (n+1)e^n(1+1/n)^n <4^{n+1}\\ or\\ (n+1)e^{n+1} <4^{n+1}\\ or\\ n+1 < (4/e)^{n+1}\\ or, \text{again replacing }n+1 \text{ by }n,\\ n < (4/e)^n\\ or\\ n^{1/n} < 4/e\\ \end{array} $

Desde $n^{1/n} \le e^{1/e} < 1.45 $ y $4/e > 1.47 $, esto es cierto para todos los $n$.

Por lo tanto $\frac{s(n+1)}{s(n)} < \frac{t(n+1)}{t(n)} $ o $s(n+1) < t(n+1)\frac{s(n)}{t(n)} $.

Por lo tanto, si $s(n) < t(n)$, $s(n+1) < t(n+1)$.

Desde $s(2) =3^32^2\frac12 =54 $ y $t(2) =2^{6} =64 \gt s(2) $, $t(n) > s(n)$ para $n \ge 2$.

Answer 3

Voy a demostrar que

$2^{n(n+1)} \gt (n+1)^{n+1}\left(\frac{n}{1}\right)^n\left(\frac{n-1}{2}\right)^{n-1}\left(\frac{n-2}{3}\right)^{n-2}\cdots \left(\frac{2}{n-1}\right)^{2}\frac{1}{n} $

para $n \ge 16$.

El lado derecho es $s(n) =(n+1)^{n+1}\prod_{k=1}^{n} \left(\frac{n-k+1}{k} \right)^{n-k+1} $.

$\begin{array}\\ s(n) &=(n+1)^{n+1}\prod_{k=1}^{n} \left(\frac{n-k+1}{k} \right)^{n-k+1}\\ &=(n+1)^{n+1}\frac{\prod_{k=1}^{n}(n-k+1)^{n-k+1}}{\prod_{k=1}^{n} k^{n-k+1}}\\ &=(n+1)^{n+1}\frac{\prod_{k=1}^{n}k^k}{\prod_{k=1}^{n} k^{n-k+1}}\\ &=(n+1)^{n+1}\frac{\prod_{k=1}^{n}k^{2k}}{\prod_{k=1}^{n} k^{n+1}}\\ &=(n+1)^{n+1}\frac{\prod_{k=1}^{n}k^{2k}}{(n!)^{n+1}}\\ \end{array} $

por lo tanto, si $c=\frac12\ln(2\pi) \aprox 0.92 $,

$\begin{array}\\ \ln(s(n)) &=(n+1)(\ln(n+1)-\ln(n!))+2\sum_{k=1}^{n}k\ln(k)\\ &\sim (n+1)(\ln(n+1)-\ln(n!))+2(\frac12 n^2\ln(n)-n^2/4+n\,\ln(n)/2)\\ &\sim (n+1)(\ln(n)+\frac1{n}-c-\frac12\ln(n)-n\ln(n)+n)+ n^2\ln(n)-n^2/2+n\,\ln(n)\\ &= \ln(n)(n+1-c-\frac12-n(n+1)+n^2+n) +1+n(n+1)-n^2/2\\ &= \ln(n)(n+\frac12-c) +(n^2+2n+2)/2\\ &= (n-.42)\ln(n) +(n^2+2n+2)/2\\ \end{array} $

Si $t(n) =2^{n(n+1)} $, $\ln(t(n)) =n(n+1)\ln(2) $, así que estamos hecho si $(n-.42)\ln(n)+(n^2+2n+2)/2 < n(n+1)\ln(2) $. De acuerdo a Wolfy, esto es cierto para $n \ge 16$.

Answer 4

Tome $\log$ de ambos lados y comprobar que la desigualdad se convierte en la igualdad de la $n=1$. Tomar hacia atrás diferencia:

$$\nabla RHS=(n+1)\log (n+1)- n\log n+n\log n-\sum_{i=1}^n \log i\le 2n\log 2 =\nabla LHS \tag 1$$ tiene por $n=1$. Tomar otro hacia atrás diferencia $$\nabla^2 RHS=(n+1)\log(1+\frac 1 n)\le 2\log 2 =\nabla^2 LHS\tag 2$$ que tiene por $n=1$. Desde $((x+1)\log(1+\frac 1 x))'=\log(1+\frac 1 x)-\frac 1 x<0$ en $x>0$, $(2)$ es una desigualdad estricta para $n>1$ por lo tanto $(1)$ es una desigualdad estricta para $n>1$ y por lo tanto la original (estricto) de desigualdad se cumple para $n>1$. Q. E. D.

ETA: El anterior también muestra que $\frac {LHS}{RHS}\to 2\log 2\approx 1.386$ y, posiblemente, monótonamente.