IMO 1969 · Problem 6
Prove that for all real numbers \(x_1,x_2,y_1,y_2,z_1,z_2\), with \(x_1>0,\ x_2>0,\ x_1y_1-z_1^2>0,\ x_2y_2-z_2^2>0\), the inequality \[ \frac{8}{(x_1+x_2)(y_1+y_2)-(z_1+z_2)^2} \leq \frac{1}{x_1y_1-z_1^2}+\frac{1}{x_2y_2-z_2^2} \] is satisfied. Give necessary and sufficient conditions for equality.
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Answer
Equality holds if and only if \[ x_1=x_2,\qquad y_1=y_2,\qquad z_1=z_2. \]
Solution
For \(i=1,2\), put \[ u_i=y_i-\frac{z_i^2}{x_i}>0, \qquad d_i=x_iy_i-z_i^2=x_i u_i>0. \] Write \[ D=(x_1+x_2)(y_1+y_2)-(z_1+z_2)^2. \] Substitution and expansion give \[ D=(x_1+x_2)(u_1+u_2) +\frac{(x_2z_1-x_1z_2)^2}{x_1x_2}. \] Consequently, by the arithmetic–geometric mean inequality, \[ D\geq (x_1+x_2)(u_1+u_2) \geq 4\sqrt{x_1x_2u_1u_2} =4\sqrt{d_1d_2}>0. \] Applying the same inequality to \(1/d_1\) and \(1/d_2\), we obtain \[ \frac{8}{D} \leq \frac{2}{\sqrt{d_1d_2}} \leq \frac1{d_1}+\frac1{d_2}, \] which proves the required inequality.
Suppose equality holds. Then equality must hold throughout this chain, and hence throughout the estimate for \(D\). Equality in the two arithmetic–geometric mean estimates \[ x_1+x_2\geq2\sqrt{x_1x_2}, \qquad u_1+u_2\geq2\sqrt{u_1u_2} \] forces \(x_1=x_2\) and \(u_1=u_2\). The squared term must also vanish, so \(x_2z_1=x_1z_2\). Since \(x_1=x_2>0\), this gives \(z_1=z_2\). Finally, \[ y_i=u_i+\frac{z_i^2}{x_i} \] implies \(y_1=y_2\).
Conversely, if \(x_1=x_2=x\), \(y_1=y_2=y\), and \(z_1=z_2=z\), then \(d=xy-z^2>0\), and both sides of the proposed inequality equal \(2/d\). Thus the stated conditions are both necessary and sufficient.
The solution was checked against John Scholes' IMO solution archive (Kalva).
IMO 1969 · Aufgabe 6
Man beweise, dass für alle reellen Zahlen \(x_1,x_2,y_1,y_2,z_1,z_2\) mit \(x_1>0,\ x_2>0,\ x_1y_1-z_1^2>0,\ x_2y_2-z_2^2>0\) die Ungleichung \[ \frac{8}{(x_1+x_2)(y_1+y_2)-(z_1+z_2)^2} \leq \frac{1}{x_1y_1-z_1^2}+\frac{1}{x_2y_2-z_2^2} \] erfüllt ist. Man gebe notwendige und hinreichende Bedingungen für den Gleichheitsfall an.
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Antwort
Gleichheit gilt genau dann, wenn \[ x_1=x_2,\qquad y_1=y_2,\qquad z_1=z_2. \]
Lösung
Für \(i=1,2\) setzen wir \[ u_i=y_i-\frac{z_i^2}{x_i}>0, \qquad d_i=x_iy_i-z_i^2=x_i u_i>0. \] Wir schreiben \[ D=(x_1+x_2)(y_1+y_2)-(z_1+z_2)^2. \] Einsetzen und Ausmultiplizieren ergibt \[ D=(x_1+x_2)(u_1+u_2) +\frac{(x_2z_1-x_1z_2)^2}{x_1x_2}. \] Nach der Ungleichung zwischen arithmetischem und geometrischem Mittel folgt daher \[ D\geq (x_1+x_2)(u_1+u_2) \geq 4\sqrt{x_1x_2u_1u_2} =4\sqrt{d_1d_2}>0. \] Wenden wir dieselbe Ungleichung auf \(1/d_1\) und \(1/d_2\) an, so erhalten wir \[ \frac{8}{D} \leq \frac{2}{\sqrt{d_1d_2}} \leq \frac1{d_1}+\frac1{d_2}, \] womit die geforderte Ungleichung bewiesen ist.
Es gelte nun Gleichheit. Dann muss in dieser gesamten Ungleichungskette Gleichheit gelten und damit auch in der gesamten Abschätzung für \(D\). Gleichheit in den beiden Abschätzungen zwischen arithmetischem und geometrischem Mittel \[ x_1+x_2\geq2\sqrt{x_1x_2}, \qquad u_1+u_2\geq2\sqrt{u_1u_2} \] erzwingt \(x_1=x_2\) und \(u_1=u_2\). Auch der quadratische Term muss verschwinden, also gilt \(x_2z_1=x_1z_2\). Wegen \(x_1=x_2>0\) folgt daraus \(z_1=z_2\). Schließlich folgt aus \[ y_i=u_i+\frac{z_i^2}{x_i} \] die Gleichheit \(y_1=y_2\).
Gelten umgekehrt \(x_1=x_2=x\), \(y_1=y_2=y\) und \(z_1=z_2=z\), so ist \(d=xy-z^2>0\), und beide Seiten der zu beweisenden Ungleichung sind gleich \(2/d\). Somit sind die angegebenen Bedingungen sowohl notwendig als auch hinreichend.
Die Lösung wurde mit dem IMO-Lösungsarchiv von John Scholes (Kalva) abgeglichen.
IMO 1969 · Soru 6
\(x_1>0,\ x_2>0,\ x_1y_1-z_1^2>0,\ x_2y_2-z_2^2>0\) koşullarını sağlayan tüm \(x_1,x_2,y_1,y_2,z_1,z_2\) gerçel sayıları için \[ \frac{8}{(x_1+x_2)(y_1+y_2)-(z_1+z_2)^2} \leq \frac{1}{x_1y_1-z_1^2}+\frac{1}{x_2y_2-z_2^2} \] eşitsizliğinin sağlandığını kanıtlayınız. Eşitlik için gerekli ve yeterli koşulları belirtiniz.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Cevap
Eşitlik ancak ve ancak \[ x_1=x_2,\qquad y_1=y_2,\qquad z_1=z_2 \] olduğunda sağlanır.
Çözüm
\(i=1,2\) için \[ u_i=y_i-\frac{z_i^2}{x_i}>0, \qquad d_i=x_iy_i-z_i^2=x_i u_i>0 \] alalım. \[ D=(x_1+x_2)(y_1+y_2)-(z_1+z_2)^2 \] yazalım. Yerine koyup açılım yaparak \[ D=(x_1+x_2)(u_1+u_2) +\frac{(x_2z_1-x_1z_2)^2}{x_1x_2} \] elde ederiz. Dolayısıyla aritmetik-geometrik ortalama eşitsizliğine göre \[ D\geq (x_1+x_2)(u_1+u_2) \geq 4\sqrt{x_1x_2u_1u_2} =4\sqrt{d_1d_2}>0. \] Aynı eşitsizliği \(1/d_1\) ve \(1/d_2\)'ye uygulayarak \[ \frac{8}{D} \leq \frac{2}{\sqrt{d_1d_2}} \leq \frac1{d_1}+\frac1{d_2}, \] elde ederiz; bu da istenen eşitsizliği kanıtlar.
Eşitliğin sağlandığını varsayalım. O zaman bu zincirin tamamında, dolayısıyla \(D\) için elde edilen eşitsizliklerin tamamında eşitlik sağlanmalıdır. \[ x_1+x_2\geq2\sqrt{x_1x_2}, \qquad u_1+u_2\geq2\sqrt{u_1u_2} \] şeklindeki iki aritmetik-geometrik ortalama eşitsizliğinde eşitlik olması, \(x_1=x_2\) ve \(u_1=u_2\) olmasını gerektirir. Kareli terim de sıfır olmalıdır; dolayısıyla \(x_2z_1=x_1z_2\) olur. \(x_1=x_2>0\) olduğundan buradan \(z_1=z_2\) elde edilir. Son olarak, \[ y_i=u_i+\frac{z_i^2}{x_i} \] eşitliği \(y_1=y_2\) olduğunu gösterir.
Tersine, \(x_1=x_2=x\), \(y_1=y_2=y\) ve \(z_1=z_2=z\) ise \(d=xy-z^2>0\) olur ve verilen eşitsizliğin her iki tarafı da \(2/d\)'ye eşittir. Dolayısıyla belirtilen koşullar hem gerekli hem de yeterlidir.
Çözüm, John Scholes'un IMO çözüm arşiviyle (Kalva) karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 1969 · Problema 6
Demuestre que, para todos los números reales \(x_1,x_2,y_1,y_2,z_1,z_2\), con \(x_1>0,\ x_2>0,\ x_1y_1-z_1^2>0,\ x_2y_2-z_2^2>0\), se satisface la desigualdad \[ \frac{8}{(x_1+x_2)(y_1+y_2)-(z_1+z_2)^2} \leq \frac{1}{x_1y_1-z_1^2}+\frac{1}{x_2y_2-z_2^2} \] Dé condiciones necesarias y suficientes para que se dé la igualdad.
Enunciado traducido del texto oficial en inglés. Enunciado oficial (PDF)
Respuesta
La igualdad se da si y solo si \[ x_1=x_2,\qquad y_1=y_2,\qquad z_1=z_2. \]
Solución
Para \(i=1,2\), sea \[ u_i=y_i-\frac{z_i^2}{x_i}>0, \qquad d_i=x_iy_i-z_i^2=x_i u_i>0. \] Escribimos \[ D=(x_1+x_2)(y_1+y_2)-(z_1+z_2)^2. \] Sustituyendo y desarrollando, obtenemos \[ D=(x_1+x_2)(u_1+u_2) +\frac{(x_2z_1-x_1z_2)^2}{x_1x_2}. \] En consecuencia, por la desigualdad entre las medias aritmética y geométrica, \[ D\geq (x_1+x_2)(u_1+u_2) \geq 4\sqrt{x_1x_2u_1u_2} =4\sqrt{d_1d_2}>0. \] Aplicando la misma desigualdad a \(1/d_1\) y \(1/d_2\), obtenemos \[ \frac{8}{D} \leq \frac{2}{\sqrt{d_1d_2}} \leq \frac1{d_1}+\frac1{d_2}, \] lo que demuestra la desigualdad requerida.
Supongamos que se da la igualdad. Entonces debe darse la igualdad en toda esta cadena y, por tanto, en toda la estimación de \(D\). La igualdad en las dos estimaciones entre las medias aritmética y geométrica \[ x_1+x_2\geq2\sqrt{x_1x_2}, \qquad u_1+u_2\geq2\sqrt{u_1u_2} \] obliga a que \(x_1=x_2\) y \(u_1=u_2\). El término al cuadrado también debe anularse, de modo que \(x_2z_1=x_1z_2\). Como \(x_1=x_2>0\), esto da \(z_1=z_2\). Finalmente, \[ y_i=u_i+\frac{z_i^2}{x_i} \] implica \(y_1=y_2\).
Recíprocamente, si \(x_1=x_2=x\), \(y_1=y_2=y\) y \(z_1=z_2=z\), entonces \(d=xy-z^2>0\), y ambos miembros de la desigualdad propuesta son iguales a \(2/d\). Por tanto, las condiciones enunciadas son necesarias y suficientes.
La solución se comprobó con el archivo de soluciones de la IMO de John Scholes (Kalva).
IMO 1969 · 问题 6
证明:对于任意实数 \(x_1,x_2,y_1,y_2,z_1,z_2\),若满足 \(x_1>0,\ x_2>0,\ x_1y_1-z_1^2>0,\ x_2y_2-z_2^2>0\),则不等式 \[ \frac{8}{(x_1+x_2)(y_1+y_2)-(z_1+z_2)^2} \leq \frac{1}{x_1y_1-z_1^2}+\frac{1}{x_2y_2-z_2^2} \] 成立。给出等号成立的充要条件。
题目译自官方英文原文。 官方试卷 (PDF)
答案
等号成立当且仅当 \[ x_1=x_2,\qquad y_1=y_2,\qquad z_1=z_2. \]
解答
对于 \(i=1,2\),令 \[ u_i=y_i-\frac{z_i^2}{x_i}>0, \qquad d_i=x_iy_i-z_i^2=x_i u_i>0. \] 记 \[ D=(x_1+x_2)(y_1+y_2)-(z_1+z_2)^2. \] 代入并展开得 \[ D=(x_1+x_2)(u_1+u_2) +\frac{(x_2z_1-x_1z_2)^2}{x_1x_2}. \] 因此,由算术—几何平均值不等式, \[ D\geq (x_1+x_2)(u_1+u_2) \geq 4\sqrt{x_1x_2u_1u_2} =4\sqrt{d_1d_2}>0. \] 对 \(1/d_1\) 和 \(1/d_2\) 应用同一不等式,得 \[ \frac{8}{D} \leq \frac{2}{\sqrt{d_1d_2}} \leq \frac1{d_1}+\frac1{d_2}, \] 这就证明了所要求的不等式。
假设等号成立。则上述不等式链中的每一步都必须取等号,从而对 \(D\) 的估计中的每一步也都必须取等号。两次算术—几何平均值不等式估计 \[ x_1+x_2\geq2\sqrt{x_1x_2}, \qquad u_1+u_2\geq2\sqrt{u_1u_2} \] 取等号必有 \(x_1=x_2\) 且 \(u_1=u_2\)。平方项也必须为零,所以 \(x_2z_1=x_1z_2\)。由于 \(x_1=x_2>0\),可得 \(z_1=z_2\)。最后, \[ y_i=u_i+\frac{z_i^2}{x_i} \] 推出 \(y_1=y_2\)。
反之,若 \(x_1=x_2=x\)、\(y_1=y_2=y\) 且 \(z_1=z_2=z\),则 \(d=xy-z^2>0\),且所给不等式的两边都等于 \(2/d\)。因此,所述条件既是必要的,也是充分的。
解答已与 John Scholes 的 IMO 解答档案(Kalva)核对。
IMO 1969 · Задача 6
Докажите, что для любых действительных чисел \(x_1,x_2,y_1,y_2,z_1,z_2\), удовлетворяющих условиям \(x_1>0,\ x_2>0,\ x_1y_1-z_1^2>0,\ x_2y_2-z_2^2>0\), выполняется неравенство \[ \frac{8}{(x_1+x_2)(y_1+y_2)-(z_1+z_2)^2} \leq \frac{1}{x_1y_1-z_1^2}+\frac{1}{x_2y_2-z_2^2} \] Укажите необходимые и достаточные условия равенства.
Условие переведено с официального английского текста. Официальный текст задач (PDF)
Ответ
Равенство достигается тогда и только тогда, когда \[ x_1=x_2,\qquad y_1=y_2,\qquad z_1=z_2. \]
Решение
Для \(i=1,2\) положим \[ u_i=y_i-\frac{z_i^2}{x_i}>0, \qquad d_i=x_iy_i-z_i^2=x_i u_i>0. \] Обозначим \[ D=(x_1+x_2)(y_1+y_2)-(z_1+z_2)^2. \] Подстановка и раскрытие скобок дают \[ D=(x_1+x_2)(u_1+u_2) +\frac{(x_2z_1-x_1z_2)^2}{x_1x_2}. \] Следовательно, по неравенству между средним арифметическим и средним геометрическим, \[ D\geq (x_1+x_2)(u_1+u_2) \geq 4\sqrt{x_1x_2u_1u_2} =4\sqrt{d_1d_2}>0. \] Применяя то же неравенство к \(1/d_1\) и \(1/d_2\), получаем \[ \frac{8}{D} \leq \frac{2}{\sqrt{d_1d_2}} \leq \frac1{d_1}+\frac1{d_2}, \] что доказывает требуемое неравенство.
Предположим, что достигается равенство. Тогда равенство должно достигаться во всей этой цепочке, а значит, и во всей цепочке оценок для \(D\). Равенства в двух неравенствах между средним арифметическим и средним геометрическим \[ x_1+x_2\geq2\sqrt{x_1x_2}, \qquad u_1+u_2\geq2\sqrt{u_1u_2} \] требуют \(x_1=x_2\) и \(u_1=u_2\). Слагаемое с квадратом также должно обращаться в нуль, поэтому \(x_2z_1=x_1z_2\). Поскольку \(x_1=x_2>0\), отсюда получаем \(z_1=z_2\). Наконец, из \[ y_i=u_i+\frac{z_i^2}{x_i} \] следует \(y_1=y_2\).
Обратно, если \(x_1=x_2=x\), \(y_1=y_2=y\) и \(z_1=z_2=z\), то \(d=xy-z^2>0\), и обе части предложенного неравенства равны \(2/d\). Таким образом, указанные условия необходимы и достаточны.
Решение проверено по архиву решений IMO Джона Скоулза (Kalva).
IMO 1969 · المسألة 6
أثبت أنه لكل أعداد حقيقية \(x_1,x_2,y_1,y_2,z_1,z_2\)، تحقق \(x_1>0,\ x_2>0,\ x_1y_1-z_1^2>0,\ x_2y_2-z_2^2>0\)، تصح المتباينة \[ \frac{8}{(x_1+x_2)(y_1+y_2)-(z_1+z_2)^2} \leq \frac{1}{x_1y_1-z_1^2}+\frac{1}{x_2y_2-z_2^2} \] أوجد الشروط اللازمة والكافية لتحقق المساواة.
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الإجابة
تتحقق المساواة إذا وفقط إذا كان \[ x_1=x_2,\qquad y_1=y_2,\qquad z_1=z_2. \]
الحل
لكل \(i=1,2\)، نضع \[ u_i=y_i-\frac{z_i^2}{x_i}>0, \qquad d_i=x_iy_i-z_i^2=x_i u_i>0. \] نكتب \[ D=(x_1+x_2)(y_1+y_2)-(z_1+z_2)^2. \] بالتعويض والنشر نحصل على \[ D=(x_1+x_2)(u_1+u_2) +\frac{(x_2z_1-x_1z_2)^2}{x_1x_2}. \] ومن ثم، بمتباينة الوسطين الحسابي والهندسي، \[ D\geq (x_1+x_2)(u_1+u_2) \geq 4\sqrt{x_1x_2u_1u_2} =4\sqrt{d_1d_2}>0. \] وبتطبيق المتباينة نفسها على \(1/d_1\) و\(1/d_2\)، نحصل على \[ \frac{8}{D} \leq \frac{2}{\sqrt{d_1d_2}} \leq \frac1{d_1}+\frac1{d_2}, \] وهذا يثبت المتباينة المطلوبة.
لنفترض أن المساواة متحققة. عندئذ يجب أن تتحقق المساواة في جميع مراحل هذه السلسلة، ومن ثم في جميع مراحل تقدير \(D\). إن تحقق المساواة في متباينتي الوسطين الحسابي والهندسي \[ x_1+x_2\geq2\sqrt{x_1x_2}, \qquad u_1+u_2\geq2\sqrt{u_1u_2} \] يستلزم \(x_1=x_2\) و\(u_1=u_2\). ويجب أيضًا أن ينعدم الحد المربع، ومن ثم \(x_2z_1=x_1z_2\). وبما أن \(x_1=x_2>0\)، ينتج \(z_1=z_2\). وأخيرًا، فإن \[ y_i=u_i+\frac{z_i^2}{x_i} \] يقتضي \(y_1=y_2\).
وعكسًا، إذا كان \(x_1=x_2=x\)، و\(y_1=y_2=y\)، و\(z_1=z_2=z\)، فإن \(d=xy-z^2>0\)، ويساوي كلا طرفي المتباينة المعطاة \(2/d\). إذن الشروط المذكورة لازمة وكافية.
تمت مراجعة الحل بمقارنته بأرشيف حلول IMO لجون سكولز (Kalva).