IMO 2003 · Problem 5
Given \(n>2\) and reals \(x_1\le x_2\le\cdots\le x_n\), show that \[ \left(\sum_{i,j}|x_i-x_j|\right)^2 \le \frac{2}{3}(n^2-1)\sum_{i,j}(x_i-x_j)^2. \] Show that we have equality iff the sequence is an arithmetic progression.
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Solution
All double sums below run over \(1\le i,j\le n\). Put \[ \mu=\frac1n\sum_{i=1}^n x_i,\qquad y_i=x_i-\mu,\qquad a_i=2i-n-1. \] Then \(\sum_i y_i=\sum_i a_i=0\), and the standard formulas for the sums of integers and their squares give \[ \sum_{i=1}^n a_i^2 =4\sum_{i=1}^n i^2-4(n+1)\sum_{i=1}^n i+n(n+1)^2 =\frac{n(n^2-1)}3. \]
Since the \(x_i\) are in nondecreasing order, \[ \sum_{i,j}|x_i-x_j| =2\sum_{i<j}(x_j-x_i) =2\sum_{i=1}^n\bigl((i-1)-(n-i)\bigr)x_i =2\sum_{i=1}^n a_i y_i. \] Here \(x_i\) occurs positively \(i-1\) times and negatively \(n-i\) times in the sum over \(i<j\); the last equality uses \(\sum_i a_i=0\).
Also, \[ \sum_{i,j}(x_i-x_j)^2 =\sum_{i,j}(y_i-y_j)^2 =2n\sum_{i=1}^n y_i^2-2\left(\sum_{i=1}^n y_i\right)^2 =2n\sum_{i=1}^n y_i^2. \] Consequently, the Cauchy–Schwarz inequality yields \[ \begin{aligned} \left(\sum_{i,j}|x_i-x_j|\right)^2 &=4\left(\sum_{i=1}^n a_i y_i\right)^2\\ &\le 4\left(\sum_{i=1}^n a_i^2\right) \left(\sum_{i=1}^n y_i^2\right)\\ &=\frac23(n^2-1)\sum_{i,j}(x_i-x_j)^2, \end{aligned} \] as required.
The only inequality used is Cauchy–Schwarz. Since \((a_1,\ldots,a_n)\) is nonzero, equality holds exactly when there is a real number \(t\) such that \[ y_i=t(2i-n-1)\qquad(1\le i\le n). \] In this case, \[ x_{i+1}-x_i=2t \] for every \(1\le i<n\), so the sequence is an arithmetic progression. Its prescribed order forces \(t\ge0\).
Conversely, if \(x_i=b+(i-1)d\) is an arithmetic progression, then \[ \mu=b+\frac{n-1}{2}d,\qquad y_i=\frac d2(2i-n-1)=\frac d2a_i, \] so equality holds in Cauchy–Schwarz and hence in the desired inequality. This includes the constant sequence \(d=0\).
The solution was checked against Evan Chen's published IMO solution notes.
IMO 2003 · Aufgabe 5
Gegeben seien \(n>2\) und reelle Zahlen \(x_1\le x_2\le\cdots\le x_n\). Zeige, dass \[ \left(\sum_{i,j}|x_i-x_j|\right)^2 \le \frac{2}{3}(n^2-1)\sum_{i,j}(x_i-x_j)^2. \] Zeige, dass Gleichheit genau dann gilt, wenn die Folge eine arithmetische Folge ist.
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Lösung
Alle folgenden Doppelsummen erstrecken sich über \(1\le i,j\le n\). Wir setzen \[ \mu=\frac1n\sum_{i=1}^n x_i,\qquad y_i=x_i-\mu,\qquad a_i=2i-n-1. \] Dann gilt \(\sum_i y_i=\sum_i a_i=0\), und die bekannten Formeln für die Summen der natürlichen Zahlen und ihrer Quadrate liefern \[ \sum_{i=1}^n a_i^2 =4\sum_{i=1}^n i^2-4(n+1)\sum_{i=1}^n i+n(n+1)^2 =\frac{n(n^2-1)}3. \]
Da die \(x_i\) der Größe nach nicht absteigend geordnet sind, gilt \[ \sum_{i,j}|x_i-x_j| =2\sum_{i<j}(x_j-x_i) =2\sum_{i=1}^n\bigl((i-1)-(n-i)\bigr)x_i =2\sum_{i=1}^n a_i y_i. \] Dabei tritt \(x_i\) in der Summe über \(i<j\) genau \(i-1\)-mal mit positivem und \(n-i\)-mal mit negativem Vorzeichen auf; die letzte Gleichheit verwendet \(\sum_i a_i=0\).
Außerdem gilt \[ \sum_{i,j}(x_i-x_j)^2 =\sum_{i,j}(y_i-y_j)^2 =2n\sum_{i=1}^n y_i^2-2\left(\sum_{i=1}^n y_i\right)^2 =2n\sum_{i=1}^n y_i^2. \] Folglich liefert die Cauchy-Schwarz-Ungleichung \[ \begin{aligned} \left(\sum_{i,j}|x_i-x_j|\right)^2 &=4\left(\sum_{i=1}^n a_i y_i\right)^2\\ &\le 4\left(\sum_{i=1}^n a_i^2\right) \left(\sum_{i=1}^n y_i^2\right)\\ &=\frac23(n^2-1)\sum_{i,j}(x_i-x_j)^2, \end{aligned} \] wie gefordert.
Die einzige verwendete Ungleichung ist die Cauchy-Schwarz-Ungleichung. Da \((a_1,\ldots,a_n)\) nicht der Nullvektor ist, gilt Gleichheit genau dann, wenn es eine reelle Zahl \(t\) gibt, sodass \[ y_i=t(2i-n-1)\qquad(1\le i\le n). \] In diesem Fall gilt \[ x_{i+1}-x_i=2t \] für jedes \(1\le i<n\), also ist die Folge eine arithmetische Folge. Die vorgegebene Anordnung erzwingt \(t\ge0\).
Ist umgekehrt \(x_i=b+(i-1)d\) eine arithmetische Folge, so gilt \[ \mu=b+\frac{n-1}{2}d,\qquad y_i=\frac d2(2i-n-1)=\frac d2a_i, \] sodass in der Cauchy-Schwarz-Ungleichung und damit auch in der zu beweisenden Ungleichung Gleichheit gilt. Dies schließt die konstante Folge \(d=0\) ein.
Die Lösung wurde mit den veröffentlichten IMO-Lösungsnotizen von Evan Chen abgeglichen.
IMO 2003 · Soru 5
\(n>2\) ve \(x_1\le x_2\le\cdots\le x_n\) gerçel sayıları veriliyor. \[ \left(\sum_{i,j}|x_i-x_j|\right)^2 \le \frac{2}{3}(n^2-1)\sum_{i,j}(x_i-x_j)^2 \] olduğunu gösteriniz. Eşitliğin sağlanması için gerek ve yeter koşulun dizinin bir aritmetik dizi olması olduğunu gösteriniz.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Çözüm
Aşağıdaki tüm çift toplamlar \(1\le i,j\le n\) üzerinden alınmaktadır. \[ \mu=\frac1n\sum_{i=1}^n x_i,\qquad y_i=x_i-\mu,\qquad a_i=2i-n-1 \] olsun. O zaman \(\sum_i y_i=\sum_i a_i=0\) olur ve tam sayıların toplamı ile karelerinin toplamı için bilinen formüllerden \[ \sum_{i=1}^n a_i^2 =4\sum_{i=1}^n i^2-4(n+1)\sum_{i=1}^n i+n(n+1)^2 =\frac{n(n^2-1)}3 \] elde edilir.
\(x_i\) sayıları azalmayan sırada olduğundan, \[ \sum_{i,j}|x_i-x_j| =2\sum_{i<j}(x_j-x_i) =2\sum_{i=1}^n\bigl((i-1)-(n-i)\bigr)x_i =2\sum_{i=1}^n a_i y_i. \] Burada \(i<j\) üzerinden alınan toplamda \(x_i\), \(i-1\) kez pozitif, \(n-i\) kez negatif işaretle yer alır; son eşitlikte \(\sum_i a_i=0\) kullanılmıştır.
Ayrıca, \[ \sum_{i,j}(x_i-x_j)^2 =\sum_{i,j}(y_i-y_j)^2 =2n\sum_{i=1}^n y_i^2-2\left(\sum_{i=1}^n y_i\right)^2 =2n\sum_{i=1}^n y_i^2. \] Dolayısıyla, Cauchy–Schwarz eşitsizliği \[ \begin{aligned} \left(\sum_{i,j}|x_i-x_j|\right)^2 &=4\left(\sum_{i=1}^n a_i y_i\right)^2\\ &\le 4\left(\sum_{i=1}^n a_i^2\right) \left(\sum_{i=1}^n y_i^2\right)\\ &=\frac23(n^2-1)\sum_{i,j}(x_i-x_j)^2, \end{aligned} \] sonucunu verir; bu da istenen eşitsizliktir.
Kullanılan tek eşitsizlik Cauchy–Schwarz eşitsizliğidir. \((a_1,\ldots,a_n)\) sıfır vektörü olmadığından, eşitliğin sağlanması için gerek ve yeter koşul \[ y_i=t(2i-n-1)\qquad(1\le i\le n) \] olacak biçimde bir \(t\) gerçel sayısının bulunmasıdır. Bu durumda, her \(1\le i<n\) için \[ x_{i+1}-x_i=2t \] olur; dolayısıyla dizi bir aritmetik dizidir. Dizinin verilen sıralaması \(t\ge0\) olmasını gerektirir.
Tersine, \(x_i=b+(i-1)d\) bir aritmetik dizi ise \[ \mu=b+\frac{n-1}{2}d,\qquad y_i=\frac d2(2i-n-1)=\frac d2a_i \] olduğundan Cauchy–Schwarz eşitsizliğinde, dolayısıyla istenen eşitsizlikte eşitlik sağlanır. Bu, \(d=0\) olan sabit diziyi de kapsar.
Çözüm, Evan Chen'in yayımlanmış IMO çözüm notlarıyla karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 2003 · Problema 5
Dados \(n>2\) y números reales \(x_1\le x_2\le\cdots\le x_n\), demostrar que \[ \left(\sum_{i,j}|x_i-x_j|\right)^2 \le \frac{2}{3}(n^2-1)\sum_{i,j}(x_i-x_j)^2. \] Demostrar que se da la igualdad si y solo si la sucesión es una progresión aritmética.
Enunciado traducido del texto oficial en inglés. Enunciado oficial (PDF)
Solución
Todas las sumas dobles que aparecen a continuación se toman sobre \(1\le i,j\le n\). Pongamos \[ \mu=\frac1n\sum_{i=1}^n x_i,\qquad y_i=x_i-\mu,\qquad a_i=2i-n-1. \] Entonces \(\sum_i y_i=\sum_i a_i=0\), y las fórmulas habituales para las sumas de enteros y de sus cuadrados dan \[ \sum_{i=1}^n a_i^2 =4\sum_{i=1}^n i^2-4(n+1)\sum_{i=1}^n i+n(n+1)^2 =\frac{n(n^2-1)}3. \]
Como los \(x_i\) están ordenados de forma no decreciente, \[ \sum_{i,j}|x_i-x_j| =2\sum_{i<j}(x_j-x_i) =2\sum_{i=1}^n\bigl((i-1)-(n-i)\bigr)x_i =2\sum_{i=1}^n a_i y_i. \] Aquí, \(x_i\) aparece con signo positivo \(i-1\) veces y con signo negativo \(n-i\) veces en la suma sobre \(i<j\); en la última igualdad se utiliza \(\sum_i a_i=0\).
Además, \[ \sum_{i,j}(x_i-x_j)^2 =\sum_{i,j}(y_i-y_j)^2 =2n\sum_{i=1}^n y_i^2-2\left(\sum_{i=1}^n y_i\right)^2 =2n\sum_{i=1}^n y_i^2. \] Por consiguiente, la desigualdad de Cauchy–Schwarz da \[ \begin{aligned} \left(\sum_{i,j}|x_i-x_j|\right)^2 &=4\left(\sum_{i=1}^n a_i y_i\right)^2\\ &\le 4\left(\sum_{i=1}^n a_i^2\right) \left(\sum_{i=1}^n y_i^2\right)\\ &=\frac23(n^2-1)\sum_{i,j}(x_i-x_j)^2, \end{aligned} \] como se quería demostrar.
La única desigualdad utilizada es la de Cauchy–Schwarz. Como \((a_1,\ldots,a_n)\) no es el vector nulo, se da la igualdad exactamente cuando existe un número real \(t\) tal que \[ y_i=t(2i-n-1)\qquad(1\le i\le n). \] En este caso, \[ x_{i+1}-x_i=2t \] para todo \(1\le i<n\), por lo que la sucesión es una progresión aritmética. El orden impuesto obliga a que \(t\ge0\).
Recíprocamente, si \(x_i=b+(i-1)d\) es una progresión aritmética, entonces \[ \mu=b+\frac{n-1}{2}d,\qquad y_i=\frac d2(2i-n-1)=\frac d2a_i, \] de modo que se da la igualdad en Cauchy–Schwarz y, por tanto, en la desigualdad que se quería demostrar. Esto incluye la sucesión constante \(d=0\).
La solución se comprobó con las notas de soluciones de la IMO publicadas por Evan Chen.
IMO 2003 · 问题 5
给定 \(n>2\) 及实数 \(x_1\le x_2\le\cdots\le x_n\),证明 \[ \left(\sum_{i,j}|x_i-x_j|\right)^2 \le \frac{2}{3}(n^2-1)\sum_{i,j}(x_i-x_j)^2. \] 并证明等号成立当且仅当该数列为等差数列。
题目译自官方英文原文。 官方试卷 (PDF)
解答
以下所有二重求和的范围均为 \(1\le i,j\le n\)。令 \[ \mu=\frac1n\sum_{i=1}^n x_i,\qquad y_i=x_i-\mu,\qquad a_i=2i-n-1. \] 则 \(\sum_i y_i=\sum_i a_i=0\),由整数求和公式及平方和公式可得 \[ \sum_{i=1}^n a_i^2 =4\sum_{i=1}^n i^2-4(n+1)\sum_{i=1}^n i+n(n+1)^2 =\frac{n(n^2-1)}3. \]
由于 \(x_i\) 按不减顺序排列, \[ \sum_{i,j}|x_i-x_j| =2\sum_{i<j}(x_j-x_i) =2\sum_{i=1}^n\bigl((i-1)-(n-i)\bigr)x_i =2\sum_{i=1}^n a_i y_i. \] 这里,在对 \(i<j\) 的求和中,\(x_i\) 以正号出现 \(i-1\) 次,以负号出现 \(n-i\) 次;最后一个等式用到了 \(\sum_i a_i=0\)。
另外, \[ \sum_{i,j}(x_i-x_j)^2 =\sum_{i,j}(y_i-y_j)^2 =2n\sum_{i=1}^n y_i^2-2\left(\sum_{i=1}^n y_i\right)^2 =2n\sum_{i=1}^n y_i^2. \] 因此,由柯西–施瓦茨不等式可得 \[ \begin{aligned} \left(\sum_{i,j}|x_i-x_j|\right)^2 &=4\left(\sum_{i=1}^n a_i y_i\right)^2\\ &\le 4\left(\sum_{i=1}^n a_i^2\right) \left(\sum_{i=1}^n y_i^2\right)\\ &=\frac23(n^2-1)\sum_{i,j}(x_i-x_j)^2, \end{aligned} \] 即得所需不等式。
证明中唯一使用的不等式是柯西–施瓦茨不等式。由于 \((a_1,\ldots,a_n)\) 为非零向量,等号成立当且仅当存在实数 \(t\),使得 \[ y_i=t(2i-n-1)\qquad(1\le i\le n). \] 在这种情形下, \[ x_{i+1}-x_i=2t \] 对每个 \(1\le i<n\) 都成立,所以该数列为等差数列。题设的排列顺序要求 \(t\ge0\)。
反之,若 \(x_i=b+(i-1)d\) 为等差数列,则 \[ \mu=b+\frac{n-1}{2}d,\qquad y_i=\frac d2(2i-n-1)=\frac d2a_i, \] 因此柯西–施瓦茨不等式中的等号成立,所需不等式中的等号也随之成立。这包括 \(d=0\) 的常数列情形。
解答已与 Evan Chen 发布的 IMO 解答笔记核对。
IMO 2003 · Задача 5
Даны \(n>2\) и действительные числа \(x_1\le x_2\le\cdots\le x_n\). Докажите, что \[ \left(\sum_{i,j}|x_i-x_j|\right)^2 \le \frac{2}{3}(n^2-1)\sum_{i,j}(x_i-x_j)^2. \] Докажите, что равенство достигается тогда и только тогда, когда последовательность является арифметической прогрессией.
Условие переведено с официального английского текста. Официальный текст задач (PDF)
Решение
Во всех двойных суммах ниже суммирование ведётся по \(1\le i,j\le n\). Положим \[ \mu=\frac1n\sum_{i=1}^n x_i,\qquad y_i=x_i-\mu,\qquad a_i=2i-n-1. \] Тогда \(\sum_i y_i=\sum_i a_i=0\), а стандартные формулы для суммы натуральных чисел и суммы их квадратов дают \[ \sum_{i=1}^n a_i^2 =4\sum_{i=1}^n i^2-4(n+1)\sum_{i=1}^n i+n(n+1)^2 =\frac{n(n^2-1)}3. \]
Поскольку числа \(x_i\) расположены в неубывающем порядке, \[ \sum_{i,j}|x_i-x_j| =2\sum_{i<j}(x_j-x_i) =2\sum_{i=1}^n\bigl((i-1)-(n-i)\bigr)x_i =2\sum_{i=1}^n a_i y_i. \] Здесь в сумме по \(i<j\) число \(x_i\) входит со знаком плюс \(i-1\) раз и со знаком минус \(n-i\) раз; в последнем равенстве использовано \(\sum_i a_i=0\).
Кроме того, \[ \sum_{i,j}(x_i-x_j)^2 =\sum_{i,j}(y_i-y_j)^2 =2n\sum_{i=1}^n y_i^2-2\left(\sum_{i=1}^n y_i\right)^2 =2n\sum_{i=1}^n y_i^2. \] Следовательно, по неравенству Коши–Буняковского \[ \begin{aligned} \left(\sum_{i,j}|x_i-x_j|\right)^2 &=4\left(\sum_{i=1}^n a_i y_i\right)^2\\ &\le 4\left(\sum_{i=1}^n a_i^2\right) \left(\sum_{i=1}^n y_i^2\right)\\ &=\frac23(n^2-1)\sum_{i,j}(x_i-x_j)^2, \end{aligned} \] что и требовалось доказать.
Единственное использованное неравенство — неравенство Коши–Буняковского. Поскольку вектор \((a_1,\ldots,a_n)\) ненулевой, равенство достигается тогда и только тогда, когда существует действительное число \(t\) такое, что \[ y_i=t(2i-n-1)\qquad(1\le i\le n). \] В этом случае \[ x_{i+1}-x_i=2t \] для каждого \(1\le i<n\), поэтому последовательность является арифметической прогрессией. Из заданного порядка её членов следует, что \(t\ge0\).
Обратно, если \(x_i=b+(i-1)d\) — арифметическая прогрессия, то \[ \mu=b+\frac{n-1}{2}d,\qquad y_i=\frac d2(2i-n-1)=\frac d2a_i, \] поэтому в неравенстве Коши–Буняковского, а значит, и в требуемом неравенстве достигается равенство. Сюда входит и постоянная последовательность \(d=0\).
Решение проверено по опубликованным заметкам Эвана Чена с решениями IMO.
IMO 2003 · المسألة 5
ليكن \(n>2\)، ولتكن \(x_1\le x_2\le\cdots\le x_n\) أعدادًا حقيقية. أثبت أن \[ \left(\sum_{i,j}|x_i-x_j|\right)^2 \le \frac{2}{3}(n^2-1)\sum_{i,j}(x_i-x_j)^2. \] أثبت أن المساواة تتحقق إذا وفقط إذا كانت المتتالية حسابية.
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الحل
جميع المجاميع المزدوجة أدناه تؤخذ على المجال \(1\le i,j\le n\). نضع \[ \mu=\frac1n\sum_{i=1}^n x_i,\qquad y_i=x_i-\mu,\qquad a_i=2i-n-1. \] عندئذ \(\sum_i y_i=\sum_i a_i=0\)، وتعطي الصيغ المعروفة لمجموع الأعداد الصحيحة ومجموع مربعاتها \[ \sum_{i=1}^n a_i^2 =4\sum_{i=1}^n i^2-4(n+1)\sum_{i=1}^n i+n(n+1)^2 =\frac{n(n^2-1)}3. \]
بما أن الأعداد \(x_i\) مرتبة ترتيبًا غير تناقصي، فإن \[ \sum_{i,j}|x_i-x_j| =2\sum_{i<j}(x_j-x_i) =2\sum_{i=1}^n\bigl((i-1)-(n-i)\bigr)x_i =2\sum_{i=1}^n a_i y_i. \] هنا يظهر \(x_i\) بإشارة موجبة \(i-1\) مرة وبإشارة سالبة \(n-i\) مرة في المجموع المأخوذ على \(i<j\)؛ وتستخدم المساواة الأخيرة العلاقة \(\sum_i a_i=0\).
كذلك، \[ \sum_{i,j}(x_i-x_j)^2 =\sum_{i,j}(y_i-y_j)^2 =2n\sum_{i=1}^n y_i^2-2\left(\sum_{i=1}^n y_i\right)^2 =2n\sum_{i=1}^n y_i^2. \] وبالتالي، تعطي متباينة كوشي–شفارتز \[ \begin{aligned} \left(\sum_{i,j}|x_i-x_j|\right)^2 &=4\left(\sum_{i=1}^n a_i y_i\right)^2\\ &\le 4\left(\sum_{i=1}^n a_i^2\right) \left(\sum_{i=1}^n y_i^2\right)\\ &=\frac23(n^2-1)\sum_{i,j}(x_i-x_j)^2, \end{aligned} \] كما هو مطلوب.
المتباينة الوحيدة المستخدمة هي متباينة كوشي–شفارتز. وبما أن \((a_1,\ldots,a_n)\) غير صفري، فإن المساواة تتحقق إذا وفقط إذا وجد عدد حقيقي \(t\) بحيث \[ y_i=t(2i-n-1)\qquad(1\le i\le n). \] في هذه الحالة، \[ x_{i+1}-x_i=2t \] لكل \(1\le i<n\)، ومن ثم فإن المتتالية حسابية. وترتيبها المفروض يقتضي أن \(t\ge0\).
وبالعكس، إذا كانت \(x_i=b+(i-1)d\) متتالية حسابية، فإن \[ \mu=b+\frac{n-1}{2}d,\qquad y_i=\frac d2(2i-n-1)=\frac d2a_i, \] فتتحقق المساواة في متباينة كوشي–شفارتز، ومن ثم في المتباينة المطلوبة. وهذا يشمل المتتالية الثابتة \(d=0\).
تمت مراجعة الحل بمقارنته بملاحظات حلول IMO المنشورة لإيفان تشين.