IMO 2004 · Problem 4
Let \(n \geq 3\) be an integer. Let \(t_1,t_2,\ldots,t_n\) be positive real numbers such that \[ n^2+1>(t_1+t_2+\ldots+t_n) \left(\frac1{t_1}+\frac1{t_2}+\ldots+\frac1{t_n}\right). \] Show that \(t_i,t_j,t_k\) are side lengths of a triangle for all \(i,j,k\) with \(1\leq i<j<k\leq n\).
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Solution
Expanding the product gives \[ \left(\sum_{i=1}^n t_i\right)\left(\sum_{i=1}^n\frac1{t_i}\right) =n^2+\sum_{1\leq i<j\leq n}\frac{(t_i-t_j)^2}{t_it_j}. \] Thus the hypothesis implies \[ \sum_{1\leq i<j\leq n}\frac{(t_i-t_j)^2}{t_it_j}<1. \tag{1} \]
Suppose, for a contradiction, that some three of the numbers do not form a triangle. Since they are positive, we may label them \(a,b,c\) so that \(c\geq a+b\).
Set \(s=a+b\) and \(r=c/s\geq1\). Since \(ab\leq s^2/4\), we have \[ \frac1a+\frac1b=\frac{s}{ab}\geq\frac4s. \] Consequently, \[ \begin{aligned} (a+b+c)\left(\frac1a+\frac1b+\frac1c\right) &\geq(s+c)\left(\frac4s+\frac1c\right)\\ &=(1+r)\left(4+\frac1r\right)\\ &=10+\frac{(r-1)(4r-1)}r\\ &\geq10. \end{aligned} \] Applying the initial identity to these three numbers therefore yields \[ \frac{(a-b)^2}{ab} +\frac{(a-c)^2}{ac} +\frac{(b-c)^2}{bc} =(a+b+c)\left(\frac1a+\frac1b+\frac1c\right)-9 \geq1. \] These are three terms of the sum in (1), and every other term is nonnegative. This contradicts (1).
Hence every three of the given numbers satisfy the strict triangle inequalities and are side lengths of a triangle. \(\square\)
The solution was checked against Evan Chen's published IMO solution notes.
IMO 2004 · Aufgabe 4
Sei \(n \geq 3\) eine ganze Zahl. Seien \(t_1,t_2,\ldots,t_n\) positive reelle Zahlen mit \[ n^2+1>(t_1+t_2+\ldots+t_n) \left(\frac1{t_1}+\frac1{t_2}+\ldots+\frac1{t_n}\right). \] Zeige, dass \(t_i,t_j,t_k\) für alle \(i,j,k\) mit \(1\leq i<j<k\leq n\) Seitenlängen eines Dreiecks sind.
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Lösung
Ausmultiplizieren des Produkts ergibt \[ \left(\sum_{i=1}^n t_i\right)\left(\sum_{i=1}^n\frac1{t_i}\right) =n^2+\sum_{1\leq i<j\leq n}\frac{(t_i-t_j)^2}{t_it_j}. \] Aus der Voraussetzung folgt also \[ \sum_{1\leq i<j\leq n}\frac{(t_i-t_j)^2}{t_it_j}<1. \tag{1} \]
Nehmen wir zum Widerspruch an, dass irgendwelche drei der Zahlen kein Dreieck bilden. Da sie positiv sind, können wir sie so mit \(a,b,c\) bezeichnen, dass \(c\geq a+b\) gilt.
Setzen wir \(s=a+b\) und \(r=c/s\geq1\). Wegen \(ab\leq s^2/4\) gilt \[ \frac1a+\frac1b=\frac{s}{ab}\geq\frac4s. \] Folglich ist \[ \begin{aligned} (a+b+c)\left(\frac1a+\frac1b+\frac1c\right) &\geq(s+c)\left(\frac4s+\frac1c\right)\\ &=(1+r)\left(4+\frac1r\right)\\ &=10+\frac{(r-1)(4r-1)}r\\ &\geq10. \end{aligned} \] Wenden wir die anfängliche Identität auf diese drei Zahlen an, so erhalten wir daher \[ \frac{(a-b)^2}{ab} +\frac{(a-c)^2}{ac} +\frac{(b-c)^2}{bc} =(a+b+c)\left(\frac1a+\frac1b+\frac1c\right)-9 \geq1. \] Dies sind drei Summanden der Summe in (1), und jeder andere Summand ist nichtnegativ. Dies widerspricht (1).
Somit erfüllen je drei der gegebenen Zahlen die strengen Dreiecksungleichungen und sind Seitenlängen eines Dreiecks. \(\square\)
Die Lösung wurde mit den veröffentlichten IMO-Lösungsnotizen von Evan Chen abgeglichen.
IMO 2004 · Soru 4
\(n \geq 3\) bir tam sayı olsun. \(t_1,t_2,\ldots,t_n\), \[ n^2+1>(t_1+t_2+\ldots+t_n) \left(\frac1{t_1}+\frac1{t_2}+\ldots+\frac1{t_n}\right) \] eşitsizliğini sağlayan pozitif gerçel sayılar olsun. \(1\leq i<j<k\leq n\) koşulunu sağlayan tüm \(i,j,k\) için \(t_i,t_j,t_k\)'nın bir üçgenin kenar uzunlukları olduğunu gösteriniz.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Çözüm
Çarpımı açarak \[ \left(\sum_{i=1}^n t_i\right)\left(\sum_{i=1}^n\frac1{t_i}\right) =n^2+\sum_{1\leq i<j\leq n}\frac{(t_i-t_j)^2}{t_it_j} \] elde ederiz. Dolayısıyla verilen koşuldan \[ \sum_{1\leq i<j\leq n}\frac{(t_i-t_j)^2}{t_it_j}<1 \tag{1} \] elde edilir.
Çelişki elde etmek üzere, sayılardan üçünün bir üçgen oluşturmadığını varsayalım. Pozitif olduklarından bunları \(c\geq a+b\) olacak biçimde \(a,b,c\) diye adlandırabiliriz.
\(s=a+b\) ve \(r=c/s\geq1\) olsun. \(ab\leq s^2/4\) olduğundan \[ \frac1a+\frac1b=\frac{s}{ab}\geq\frac4s \] elde ederiz. Sonuç olarak, \[ \begin{aligned} (a+b+c)\left(\frac1a+\frac1b+\frac1c\right) &\geq(s+c)\left(\frac4s+\frac1c\right)\\ &=(1+r)\left(4+\frac1r\right)\\ &=10+\frac{(r-1)(4r-1)}r\\ &\geq10. \end{aligned} \] Dolayısıyla başlangıçtaki özdeşliği bu üç sayıya uygulayarak \[ \frac{(a-b)^2}{ab} +\frac{(a-c)^2}{ac} +\frac{(b-c)^2}{bc} =(a+b+c)\left(\frac1a+\frac1b+\frac1c\right)-9 \geq1 \] elde ederiz. Bunlar (1)'deki toplamın üç terimidir ve diğer tüm terimler negatif değildir. Bu, (1) ile çelişir.
O hâlde verilen sayılardan herhangi üçü kesin üçgen eşitsizliklerini sağlar ve bir üçgenin kenar uzunluklarıdır. \(\square\)
Çözüm, Evan Chen'in yayımlanmış IMO çözüm notlarıyla karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 2004 · Problema 4
Sea \(n \geq 3\) un entero. Sean \(t_1,t_2,\ldots,t_n\) números reales positivos tales que \[ n^2+1>(t_1+t_2+\ldots+t_n) \left(\frac1{t_1}+\frac1{t_2}+\ldots+\frac1{t_n}\right). \] Demuestre que \(t_i,t_j,t_k\) son las longitudes de los lados de un triángulo para todos los \(i,j,k\) con \(1\leq i<j<k\leq n\).
Enunciado traducido del texto oficial en inglés. Enunciado oficial (PDF)
Solución
Desarrollando el producto, se obtiene \[ \left(\sum_{i=1}^n t_i\right)\left(\sum_{i=1}^n\frac1{t_i}\right) =n^2+\sum_{1\leq i<j\leq n}\frac{(t_i-t_j)^2}{t_it_j}. \] Así pues, la hipótesis implica \[ \sum_{1\leq i<j\leq n}\frac{(t_i-t_j)^2}{t_it_j}<1. \tag{1} \]
Supongamos, para llegar a una contradicción, que tres de los números no forman un triángulo. Como son positivos, podemos denominarlos \(a,b,c\) de modo que \(c\geq a+b\).
Pongamos \(s=a+b\) y \(r=c/s\geq1\). Como \(ab\leq s^2/4\), tenemos \[ \frac1a+\frac1b=\frac{s}{ab}\geq\frac4s. \] En consecuencia, \[ \begin{aligned} (a+b+c)\left(\frac1a+\frac1b+\frac1c\right) &\geq(s+c)\left(\frac4s+\frac1c\right)\\ &=(1+r)\left(4+\frac1r\right)\\ &=10+\frac{(r-1)(4r-1)}r\\ &\geq10. \end{aligned} \] Aplicando la identidad inicial a estos tres números, se obtiene entonces \[ \frac{(a-b)^2}{ab} +\frac{(a-c)^2}{ac} +\frac{(b-c)^2}{bc} =(a+b+c)\left(\frac1a+\frac1b+\frac1c\right)-9 \geq1. \] Estos son tres términos de la suma de (1), y todos los demás términos son no negativos. Esto contradice (1).
Por consiguiente, cualesquiera tres de los números dados satisfacen las desigualdades triangulares estrictas y son las longitudes de los lados de un triángulo. \(\square\)
La solución se comprobó con las notas de soluciones de la IMO publicadas por Evan Chen.
IMO 2004 · 问题 4
设 \(n \geq 3\) 为整数。设 \(t_1,t_2,\ldots,t_n\) 为满足下式的正实数: \[ n^2+1>(t_1+t_2+\ldots+t_n) \left(\frac1{t_1}+\frac1{t_2}+\ldots+\frac1{t_n}\right). \] 证明:对所有满足 \(1\leq i<j<k\leq n\) 的 \(i,j,k\),\(t_i,t_j,t_k\) 都能作为一个三角形的三边长。
题目译自官方英文原文。 官方试卷 (PDF)
解答
展开乘积,得 \[ \left(\sum_{i=1}^n t_i\right)\left(\sum_{i=1}^n\frac1{t_i}\right) =n^2+\sum_{1\leq i<j\leq n}\frac{(t_i-t_j)^2}{t_it_j}. \] 因此,由题设可知 \[ \sum_{1\leq i<j\leq n}\frac{(t_i-t_j)^2}{t_it_j}<1. \tag{1} \]
用反证法,假设其中某三个数不能构成三角形的三边长。由于它们都是正数,可以将其记为 \(a,b,c\),使得 \(c\geq a+b\)。
令 \(s=a+b\),\(r=c/s\geq1\)。由于 \(ab\leq s^2/4\),有 \[ \frac1a+\frac1b=\frac{s}{ab}\geq\frac4s. \] 于是 \[ \begin{aligned} (a+b+c)\left(\frac1a+\frac1b+\frac1c\right) &\geq(s+c)\left(\frac4s+\frac1c\right)\\ &=(1+r)\left(4+\frac1r\right)\\ &=10+\frac{(r-1)(4r-1)}r\\ &\geq10. \end{aligned} \] 因此,对这三个数应用开头的恒等式,得 \[ \frac{(a-b)^2}{ab} +\frac{(a-c)^2}{ac} +\frac{(b-c)^2}{bc} =(a+b+c)\left(\frac1a+\frac1b+\frac1c\right)-9 \geq1. \] 这些是 (1) 中的和式的三项,而其余各项均非负。这与 (1) 矛盾。
所以,给定的数中任意三个都满足严格的三角形不等式,因而能作为一个三角形的三边长。\(\square\)
解答已与 Evan Chen 发布的 IMO 解答笔记核对。
IMO 2004 · Задача 4
Пусть \(n \geq 3\) — целое число. Пусть \(t_1,t_2,\ldots,t_n\) — положительные действительные числа, для которых \[ n^2+1>(t_1+t_2+\ldots+t_n) \left(\frac1{t_1}+\frac1{t_2}+\ldots+\frac1{t_n}\right). \] Докажите, что \(t_i,t_j,t_k\) являются длинами сторон треугольника для любых \(i,j,k\), удовлетворяющих \(1\leq i<j<k\leq n\).
Условие переведено с официального английского текста. Официальный текст задач (PDF)
Решение
Раскрывая произведение, получаем \[ \left(\sum_{i=1}^n t_i\right)\left(\sum_{i=1}^n\frac1{t_i}\right) =n^2+\sum_{1\leq i<j\leq n}\frac{(t_i-t_j)^2}{t_it_j}. \] Таким образом, из условия следует \[ \sum_{1\leq i<j\leq n}\frac{(t_i-t_j)^2}{t_it_j}<1. \tag{1} \]
Предположим противное: некоторые три из этих чисел не являются длинами сторон треугольника. Поскольку они положительны, их можно обозначить через \(a,b,c\) так, чтобы \(c\geq a+b\).
Положим \(s=a+b\) и \(r=c/s\geq1\). Поскольку \(ab\leq s^2/4\), имеем \[ \frac1a+\frac1b=\frac{s}{ab}\geq\frac4s. \] Следовательно, \[ \begin{aligned} (a+b+c)\left(\frac1a+\frac1b+\frac1c\right) &\geq(s+c)\left(\frac4s+\frac1c\right)\\ &=(1+r)\left(4+\frac1r\right)\\ &=10+\frac{(r-1)(4r-1)}r\\ &\geq10. \end{aligned} \] Применяя исходное тождество к этим трём числам, получаем \[ \frac{(a-b)^2}{ab} +\frac{(a-c)^2}{ac} +\frac{(b-c)^2}{bc} =(a+b+c)\left(\frac1a+\frac1b+\frac1c\right)-9 \geq1. \] Это три слагаемых суммы в (1), а все остальные слагаемые неотрицательны. Полученное противоречит (1).
Следовательно, любые три из данных чисел удовлетворяют строгим неравенствам треугольника и являются длинами сторон треугольника. \(\square\)
Решение проверено по опубликованным заметкам Эвана Чена с решениями IMO.
IMO 2004 · المسألة 4
ليكن \(n \geq 3\) عددًا صحيحًا. ولتكن \(t_1,t_2,\ldots,t_n\) أعدادًا حقيقية موجبة تحقق \[ n^2+1>(t_1+t_2+\ldots+t_n) \left(\frac1{t_1}+\frac1{t_2}+\ldots+\frac1{t_n}\right). \] أثبت أن \(t_i,t_j,t_k\) أطوال أضلاع مثلث لكل \(i,j,k\) تحقق \(1\leq i<j<k\leq n\).
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الحل
بتوسيع حاصل الضرب نحصل على \[ \left(\sum_{i=1}^n t_i\right)\left(\sum_{i=1}^n\frac1{t_i}\right) =n^2+\sum_{1\leq i<j\leq n}\frac{(t_i-t_j)^2}{t_it_j}. \] إذن يستلزم الفرض أن \[ \sum_{1\leq i<j\leq n}\frac{(t_i-t_j)^2}{t_it_j}<1. \tag{1} \]
لنفترض، سعيًا إلى تناقض، أن ثلاثة من هذه الأعداد لا تشكل أطوال أضلاع مثلث. وبما أنها موجبة، يمكننا أن نسميها \(a,b,c\) بحيث \(c\geq a+b\).
نضع \(s=a+b\) و\(r=c/s\geq1\). وبما أن \(ab\leq s^2/4\)، فإن لدينا \[ \frac1a+\frac1b=\frac{s}{ab}\geq\frac4s. \] وبالتالي، \[ \begin{aligned} (a+b+c)\left(\frac1a+\frac1b+\frac1c\right) &\geq(s+c)\left(\frac4s+\frac1c\right)\\ &=(1+r)\left(4+\frac1r\right)\\ &=10+\frac{(r-1)(4r-1)}r\\ &\geq10. \end{aligned} \] لذلك فإن تطبيق المتطابقة الأولى على هذه الأعداد الثلاثة يعطي \[ \frac{(a-b)^2}{ab} +\frac{(a-c)^2}{ac} +\frac{(b-c)^2}{bc} =(a+b+c)\left(\frac1a+\frac1b+\frac1c\right)-9 \geq1. \] هذه ثلاثة حدود من المجموع في (1)، وكل حد آخر غير سالب. وهذا يناقض (1).
إذن تحقق كل ثلاثة من الأعداد المعطاة متباينات المثلث الصارمة، وتكون أطوال أضلاع مثلث. \(\square\)
تمت مراجعة الحل بمقارنته بملاحظات حلول IMO المنشورة لإيفان تشين.