IMO 2001 · Problem 2
Prove that \[ \frac{a}{\sqrt{a^2+8bc}}+ \frac{b}{\sqrt{b^2+8ca}}+ \frac{c}{\sqrt{c^2+8ab}}\geq 1 \] for all positive real numbers \(a\), \(b\) and \(c\).
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Solution
Put \(s=a+b+c\). By the arithmetic–geometric mean inequality, \[ a^2b+a^2c+b^2a+b^2c+c^2a+c^2b\geq 6abc. \] Consequently, \[ \begin{aligned} s^3-(a^3+b^3+c^3+24abc) &=3\bigl(a^2b+a^2c+b^2a+b^2c+c^2a+c^2b-6abc\bigr)\\ &\geq 0. \end{aligned} \]
Now set \[ T=a\sqrt{a^2+8bc}+b\sqrt{b^2+8ca}+c\sqrt{c^2+8ab}. \] Applying the Cauchy–Schwarz inequality gives \[ \begin{aligned} T^2 &\leq (a+b+c)\bigl(a(a^2+8bc)+b(b^2+8ca)+c(c^2+8ab)\bigr)\\ &=s(a^3+b^3+c^3+24abc)\\ &\leq s^4. \end{aligned} \] Thus \(T\leq s^2\).
A second application of Cauchy–Schwarz yields \[ \left( \frac{a}{\sqrt{a^2+8bc}}+ \frac{b}{\sqrt{b^2+8ca}}+ \frac{c}{\sqrt{c^2+8ab}} \right)T \geq (a+b+c)^2=s^2. \] Since \(T>0\), it follows that \[ \frac{a}{\sqrt{a^2+8bc}}+ \frac{b}{\sqrt{b^2+8ca}}+ \frac{c}{\sqrt{c^2+8ab}} \geq \frac{s^2}{T}\geq 1, \] as required.
Equality holds if and only if \(a=b=c\): this condition makes every term equal to \(1/3\), while equality in the proof requires equality in the six-term arithmetic–geometric mean inequality, which forces \(a=b=c\).
The solution was checked against Evan Chen's published IMO solution notes.
IMO 2001 · Aufgabe 2
Man beweise, dass \[ \frac{a}{\sqrt{a^2+8bc}}+ \frac{b}{\sqrt{b^2+8ca}}+ \frac{c}{\sqrt{c^2+8ab}}\geq 1 \] für alle positiven reellen Zahlen \(a\), \(b\) und \(c\) gilt.
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Lösung
Wir setzen \(s=a+b+c\). Nach der Ungleichung zwischen dem arithmetischen und dem geometrischen Mittel gilt \[ a^2b+a^2c+b^2a+b^2c+c^2a+c^2b\geq 6abc. \] Folglich gilt \[ \begin{aligned} s^3-(a^3+b^3+c^3+24abc) &=3\bigl(a^2b+a^2c+b^2a+b^2c+c^2a+c^2b-6abc\bigr)\\ &\geq 0. \end{aligned} \]
Nun setzen wir \[ T=a\sqrt{a^2+8bc}+b\sqrt{b^2+8ca}+c\sqrt{c^2+8ab}. \] Die Anwendung der Cauchy–Schwarz-Ungleichung ergibt \[ \begin{aligned} T^2 &\leq (a+b+c)\bigl(a(a^2+8bc)+b(b^2+8ca)+c(c^2+8ab)\bigr)\\ &=s(a^3+b^3+c^3+24abc)\\ &\leq s^4. \end{aligned} \] Somit gilt \(T\leq s^2\).
Eine zweite Anwendung der Cauchy–Schwarz-Ungleichung liefert \[ \left( \frac{a}{\sqrt{a^2+8bc}}+ \frac{b}{\sqrt{b^2+8ca}}+ \frac{c}{\sqrt{c^2+8ab}} \right)T \geq (a+b+c)^2=s^2. \] Wegen \(T>0\) folgt daraus \[ \frac{a}{\sqrt{a^2+8bc}}+ \frac{b}{\sqrt{b^2+8ca}}+ \frac{c}{\sqrt{c^2+8ab}} \geq \frac{s^2}{T}\geq 1, \] wie behauptet.
Gleichheit gilt genau dann, wenn \(a=b=c\): Unter dieser Bedingung ist jeder Summand gleich \(1/3\), während Gleichheit im Beweis Gleichheit in der Ungleichung zwischen dem arithmetischen und dem geometrischen Mittel der sechs Terme erfordert, woraus \(a=b=c\) folgt.
Die Lösung wurde mit den veröffentlichten IMO-Lösungsnotizen von Evan Chen abgeglichen.
IMO 2001 · Soru 2
Tüm pozitif \(a\), \(b\) ve \(c\) gerçel sayıları için \[ \frac{a}{\sqrt{a^2+8bc}}+ \frac{b}{\sqrt{b^2+8ca}}+ \frac{c}{\sqrt{c^2+8ab}}\geq 1 \] olduğunu kanıtlayınız.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Çözüm
\(s=a+b+c\) olsun. Aritmetik ortalama–geometrik ortalama eşitsizliğine göre \[ a^2b+a^2c+b^2a+b^2c+c^2a+c^2b\geq 6abc. \] Dolayısıyla \[ \begin{aligned} s^3-(a^3+b^3+c^3+24abc) &=3\bigl(a^2b+a^2c+b^2a+b^2c+c^2a+c^2b-6abc\bigr)\\ &\geq 0. \end{aligned} \]
Şimdi \[ T=a\sqrt{a^2+8bc}+b\sqrt{b^2+8ca}+c\sqrt{c^2+8ab} \] olarak tanımlayalım. Cauchy–Schwarz eşitsizliğini uygulayarak \[ \begin{aligned} T^2 &\leq (a+b+c)\bigl(a(a^2+8bc)+b(b^2+8ca)+c(c^2+8ab)\bigr)\\ &=s(a^3+b^3+c^3+24abc)\\ &\leq s^4 \end{aligned} \] elde ederiz. Böylece \(T\leq s^2\) olur.
Cauchy–Schwarz eşitsizliğinin ikinci kez uygulanmasıyla \[ \left( \frac{a}{\sqrt{a^2+8bc}}+ \frac{b}{\sqrt{b^2+8ca}}+ \frac{c}{\sqrt{c^2+8ab}} \right)T \geq (a+b+c)^2=s^2 \] elde edilir. \(T>0\) olduğundan \[ \frac{a}{\sqrt{a^2+8bc}}+ \frac{b}{\sqrt{b^2+8ca}}+ \frac{c}{\sqrt{c^2+8ab}} \geq \frac{s^2}{T}\geq 1 \] olur; bu da istenen sonuçtur.
Eşitlik ancak ve ancak \(a=b=c\) olduğunda sağlanır: bu koşulda her terim \(1/3\)'e eşittir; öte yandan, kanıtta eşitliğin sağlanması için altı terimli aritmetik ortalama–geometrik ortalama eşitsizliğinde eşitlik sağlanmalıdır ve bu da \(a=b=c\) olmasını gerektirir.
Çözüm, Evan Chen'in yayımlanmış IMO çözüm notlarıyla karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 2001 · Problema 2
Demostrar que \[ \frac{a}{\sqrt{a^2+8bc}}+ \frac{b}{\sqrt{b^2+8ca}}+ \frac{c}{\sqrt{c^2+8ab}}\geq 1 \] para todos los números reales positivos \(a\), \(b\) y \(c\).
Enunciado traducido del texto oficial en inglés. Enunciado oficial (PDF)
Solución
Sea \(s=a+b+c\). Por la desigualdad entre las medias aritmética y geométrica, \[ a^2b+a^2c+b^2a+b^2c+c^2a+c^2b\geq 6abc. \] En consecuencia, \[ \begin{aligned} s^3-(a^3+b^3+c^3+24abc) &=3\bigl(a^2b+a^2c+b^2a+b^2c+c^2a+c^2b-6abc\bigr)\\ &\geq 0. \end{aligned} \]
Definamos ahora \[ T=a\sqrt{a^2+8bc}+b\sqrt{b^2+8ca}+c\sqrt{c^2+8ab}. \] Al aplicar la desigualdad de Cauchy–Schwarz obtenemos \[ \begin{aligned} T^2 &\leq (a+b+c)\bigl(a(a^2+8bc)+b(b^2+8ca)+c(c^2+8ab)\bigr)\\ &=s(a^3+b^3+c^3+24abc)\\ &\leq s^4. \end{aligned} \] Por tanto, \(T\leq s^2\).
Una segunda aplicación de Cauchy–Schwarz da \[ \left( \frac{a}{\sqrt{a^2+8bc}}+ \frac{b}{\sqrt{b^2+8ca}}+ \frac{c}{\sqrt{c^2+8ab}} \right)T \geq (a+b+c)^2=s^2. \] Como \(T>0\), se sigue que \[ \frac{a}{\sqrt{a^2+8bc}}+ \frac{b}{\sqrt{b^2+8ca}}+ \frac{c}{\sqrt{c^2+8ab}} \geq \frac{s^2}{T}\geq 1, \] como se quería demostrar.
La igualdad se cumple si y solo si \(a=b=c\): esta condición hace que cada término sea igual a \(1/3\), mientras que la igualdad en la demostración exige la igualdad en la desigualdad entre las medias aritmética y geométrica de los seis términos, lo que obliga a que \(a=b=c\).
La solución se comprobó con las notas de soluciones de la IMO publicadas por Evan Chen.
IMO 2001 · 问题 2
证明 \[ \frac{a}{\sqrt{a^2+8bc}}+ \frac{b}{\sqrt{b^2+8ca}}+ \frac{c}{\sqrt{c^2+8ab}}\geq 1 \] 对所有正实数 \(a\)、\(b\) 和 \(c\) 都成立。
题目译自官方英文原文。 官方试卷 (PDF)
解答
令 \(s=a+b+c\)。由算术平均数与几何平均数不等式, \[ a^2b+a^2c+b^2a+b^2c+c^2a+c^2b\geq 6abc. \] 因此, \[ \begin{aligned} s^3-(a^3+b^3+c^3+24abc) &=3\bigl(a^2b+a^2c+b^2a+b^2c+c^2a+c^2b-6abc\bigr)\\ &\geq 0. \end{aligned} \]
现在令 \[ T=a\sqrt{a^2+8bc}+b\sqrt{b^2+8ca}+c\sqrt{c^2+8ab}. \] 应用柯西–施瓦茨不等式,得到 \[ \begin{aligned} T^2 &\leq (a+b+c)\bigl(a(a^2+8bc)+b(b^2+8ca)+c(c^2+8ab)\bigr)\\ &=s(a^3+b^3+c^3+24abc)\\ &\leq s^4. \end{aligned} \] 于是 \(T\leq s^2\)。
再次应用柯西–施瓦茨不等式,得到 \[ \left( \frac{a}{\sqrt{a^2+8bc}}+ \frac{b}{\sqrt{b^2+8ca}}+ \frac{c}{\sqrt{c^2+8ab}} \right)T \geq (a+b+c)^2=s^2. \] 由于 \(T>0\),可得 \[ \frac{a}{\sqrt{a^2+8bc}}+ \frac{b}{\sqrt{b^2+8ca}}+ \frac{c}{\sqrt{c^2+8ab}} \geq \frac{s^2}{T}\geq 1, \] 即为所要证明的不等式。
等号成立当且仅当 \(a=b=c\):在此条件下,每一项都等于 \(1/3\);而证明中等号成立要求六项的算术平均数与几何平均数不等式取等号,这就必有 \(a=b=c\)。
解答已与 Evan Chen 发布的 IMO 解答笔记核对。
IMO 2001 · Задача 2
Докажите, что \[ \frac{a}{\sqrt{a^2+8bc}}+ \frac{b}{\sqrt{b^2+8ca}}+ \frac{c}{\sqrt{c^2+8ab}}\geq 1 \] для любых положительных действительных чисел \(a\), \(b\) и \(c\).
Условие переведено с официального английского текста. Официальный текст задач (PDF)
Решение
Положим \(s=a+b+c\). По неравенству между средним арифметическим и средним геометрическим, \[ a^2b+a^2c+b^2a+b^2c+c^2a+c^2b\geq 6abc. \] Следовательно, \[ \begin{aligned} s^3-(a^3+b^3+c^3+24abc) &=3\bigl(a^2b+a^2c+b^2a+b^2c+c^2a+c^2b-6abc\bigr)\\ &\geq 0. \end{aligned} \]
Теперь положим \[ T=a\sqrt{a^2+8bc}+b\sqrt{b^2+8ca}+c\sqrt{c^2+8ab}. \] Применяя неравенство Коши — Буняковского, получаем \[ \begin{aligned} T^2 &\leq (a+b+c)\bigl(a(a^2+8bc)+b(b^2+8ca)+c(c^2+8ab)\bigr)\\ &=s(a^3+b^3+c^3+24abc)\\ &\leq s^4. \end{aligned} \] Таким образом, \(T\leq s^2\).
Повторное применение неравенства Коши — Буняковского даёт \[ \left( \frac{a}{\sqrt{a^2+8bc}}+ \frac{b}{\sqrt{b^2+8ca}}+ \frac{c}{\sqrt{c^2+8ab}} \right)T \geq (a+b+c)^2=s^2. \] Поскольку \(T>0\), отсюда следует, что \[ \frac{a}{\sqrt{a^2+8bc}}+ \frac{b}{\sqrt{b^2+8ca}}+ \frac{c}{\sqrt{c^2+8ab}} \geq \frac{s^2}{T}\geq 1, \] что и требовалось доказать.
Равенство достигается тогда и только тогда, когда \(a=b=c\): при этом условии каждое слагаемое равно \(1/3\), а для равенства в доказательстве необходимо равенство в неравенстве между средним арифметическим и средним геометрическим для шести слагаемых, откуда следует \(a=b=c\).
Решение проверено по опубликованным заметкам Эвана Чена с решениями IMO.
IMO 2001 · المسألة 2
أثبت أن \[ \frac{a}{\sqrt{a^2+8bc}}+ \frac{b}{\sqrt{b^2+8ca}}+ \frac{c}{\sqrt{c^2+8ab}}\geq 1 \] لجميع الأعداد الحقيقية الموجبة \(a\)، و\(b\)، و\(c\).
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الحل
لنضع \(s=a+b+c\). بمتباينة الوسط الحسابي والوسط الهندسي، \[ a^2b+a^2c+b^2a+b^2c+c^2a+c^2b\geq 6abc. \] وعليه، \[ \begin{aligned} s^3-(a^3+b^3+c^3+24abc) &=3\bigl(a^2b+a^2c+b^2a+b^2c+c^2a+c^2b-6abc\bigr)\\ &\geq 0. \end{aligned} \]
لنضع الآن \[ T=a\sqrt{a^2+8bc}+b\sqrt{b^2+8ca}+c\sqrt{c^2+8ab}. \] بتطبيق متباينة كوشي–شفارتز نحصل على \[ \begin{aligned} T^2 &\leq (a+b+c)\bigl(a(a^2+8bc)+b(b^2+8ca)+c(c^2+8ab)\bigr)\\ &=s(a^3+b^3+c^3+24abc)\\ &\leq s^4. \end{aligned} \] إذن \(T\leq s^2\).
وبتطبيق متباينة كوشي–شفارتز مرة ثانية نحصل على \[ \left( \frac{a}{\sqrt{a^2+8bc}}+ \frac{b}{\sqrt{b^2+8ca}}+ \frac{c}{\sqrt{c^2+8ab}} \right)T \geq (a+b+c)^2=s^2. \] وبما أن \(T>0\)، ينتج أن \[ \frac{a}{\sqrt{a^2+8bc}}+ \frac{b}{\sqrt{b^2+8ca}}+ \frac{c}{\sqrt{c^2+8ab}} \geq \frac{s^2}{T}\geq 1, \] وهو المطلوب.
تتحقق المساواة إذا وفقط إذا كان \(a=b=c\): فهذا الشرط يجعل كل حد مساويًا لـ \(1/3\)، في حين أن تحقق المساواة في البرهان يستلزم تحققها في متباينة الوسط الحسابي والوسط الهندسي للحدود الستة، مما يقتضي \(a=b=c\).
تمت مراجعة الحل بمقارنته بملاحظات حلول IMO المنشورة لإيفان تشين.