IMO 2005 · Problem 3
Let \(x,y,z\) be three positive reals such that \(xyz\geq 1\). Prove that \[ \frac{x^5-x^2}{x^5+y^2+z^2} +\frac{y^5-y^2}{x^2+y^5+z^2} +\frac{z^5-z^2}{x^2+y^2+z^5}\geq 0. \]
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Solution
Put \(S=x^2+y^2+z^2\). The key observation is the identity \[ \frac{x^5-x^2}{x^5+y^2+z^2} -\frac{x^2-\frac1x}{S} = \frac{(y^2+z^2)(x^3-1)^2} {xS(x^5+y^2+z^2)} \geq 0. \] All denominators are positive. Adding this inequality and its two cyclic counterparts gives \[ \frac{x^5-x^2}{x^5+y^2+z^2} +\frac{y^5-y^2}{x^2+y^5+z^2} +\frac{z^5-z^2}{x^2+y^2+z^5} \geq \frac{S-\left(\frac1x+\frac1y+\frac1z\right)}{S}. \]
Now \(xyz\geq1\) implies \[ \frac1x+\frac1y+\frac1z =\frac{xy+yz+zx}{xyz} \leq xy+yz+zx \leq x^2+y^2+z^2=S, \] where the last inequality follows from \[ x^2+y^2+z^2-xy-yz-zx =\frac12\bigl((x-y)^2+(y-z)^2+(z-x)^2\bigr)\geq0. \] Thus the required sum is nonnegative.
Equality holds precisely when \(x=y=z=1\): equality in the three initial inequalities forces \(x^3=y^3=z^3=1\), and this triple satisfies the original inequality with equality.
The solution was checked against Evan Chen's published IMO solution notes.
IMO 2005 · Aufgabe 3
Seien \(x,y,z\) drei positive reelle Zahlen mit \(xyz\geq 1\). Beweise, dass \[ \frac{x^5-x^2}{x^5+y^2+z^2} +\frac{y^5-y^2}{x^2+y^5+z^2} +\frac{z^5-z^2}{x^2+y^2+z^5}\geq 0. \]
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Lösung
Wir setzen \(S=x^2+y^2+z^2\). Die entscheidende Beobachtung ist die Identität \[ \frac{x^5-x^2}{x^5+y^2+z^2} -\frac{x^2-\frac1x}{S} = \frac{(y^2+z^2)(x^3-1)^2} {xS(x^5+y^2+z^2)} \geq 0. \] Alle Nenner sind positiv. Addieren wir diese Ungleichung und die beiden durch zyklische Vertauschung entstehenden Ungleichungen, so erhalten wir \[ \frac{x^5-x^2}{x^5+y^2+z^2} +\frac{y^5-y^2}{x^2+y^5+z^2} +\frac{z^5-z^2}{x^2+y^2+z^5} \geq \frac{S-\left(\frac1x+\frac1y+\frac1z\right)}{S}. \]
Aus \(xyz\geq1\) folgt nun \[ \frac1x+\frac1y+\frac1z =\frac{xy+yz+zx}{xyz} \leq xy+yz+zx \leq x^2+y^2+z^2=S, \] wobei die letzte Ungleichung aus \[ x^2+y^2+z^2-xy-yz-zx =\frac12\bigl((x-y)^2+(y-z)^2+(z-x)^2\bigr)\geq0 \] folgt. Somit ist die betrachtete Summe nichtnegativ.
Gleichheit gilt genau dann, wenn \(x=y=z=1\): Gleichheit in den drei anfänglichen Ungleichungen erzwingt \(x^3=y^3=z^3=1\), und für dieses Tripel gilt in der ursprünglichen Ungleichung Gleichheit.
Die Lösung wurde mit den veröffentlichten IMO-Lösungsnotizen von Evan Chen abgeglichen.
IMO 2005 · Soru 3
\(x,y,z\), \(xyz\geq 1\) koşulunu sağlayan üç pozitif gerçel sayı olsun. \[ \frac{x^5-x^2}{x^5+y^2+z^2} +\frac{y^5-y^2}{x^2+y^5+z^2} +\frac{z^5-z^2}{x^2+y^2+z^5}\geq 0 \] eşitsizliğini kanıtlayınız.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Çözüm
\(S=x^2+y^2+z^2\) olsun. Temel gözlem şu özdeşliktir: \[ \frac{x^5-x^2}{x^5+y^2+z^2} -\frac{x^2-\frac1x}{S} = \frac{(y^2+z^2)(x^3-1)^2} {xS(x^5+y^2+z^2)} \geq 0. \] Bütün paydalar pozitiftir. Bu eşitsizlik ile değişkenlerin döngüsel olarak yer değiştirmesiyle elde edilen diğer iki eşitsizliği toplayarak \[ \frac{x^5-x^2}{x^5+y^2+z^2} +\frac{y^5-y^2}{x^2+y^5+z^2} +\frac{z^5-z^2}{x^2+y^2+z^5} \geq \frac{S-\left(\frac1x+\frac1y+\frac1z\right)}{S} \] elde ederiz.
Şimdi \(xyz\geq1\) koşulundan \[ \frac1x+\frac1y+\frac1z =\frac{xy+yz+zx}{xyz} \leq xy+yz+zx \leq x^2+y^2+z^2=S, \] elde edilir; buradaki son eşitsizlik \[ x^2+y^2+z^2-xy-yz-zx =\frac12\bigl((x-y)^2+(y-z)^2+(z-x)^2\bigr)\geq0 \] bağıntısından çıkar. Böylece istenen toplam negatif değildir.
Eşitlik ancak ve ancak \(x=y=z=1\) olduğunda sağlanır: başlangıçtaki üç eşitsizlikte eşitlik olması \(x^3=y^3=z^3=1\) olmasını gerektirir ve bu üçlü, başlangıçtaki eşitsizlikte eşitliği sağlar.
Çözüm, Evan Chen'in yayımlanmış IMO çözüm notlarıyla karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 2005 · Problema 3
Sean \(x,y,z\) tres números reales positivos tales que \(xyz\geq 1\). Demostrar que \[ \frac{x^5-x^2}{x^5+y^2+z^2} +\frac{y^5-y^2}{x^2+y^5+z^2} +\frac{z^5-z^2}{x^2+y^2+z^5}\geq 0. \]
Enunciado traducido del texto oficial en inglés. Enunciado oficial (PDF)
Solución
Sea \(S=x^2+y^2+z^2\). La observación clave es la identidad \[ \frac{x^5-x^2}{x^5+y^2+z^2} -\frac{x^2-\frac1x}{S} = \frac{(y^2+z^2)(x^3-1)^2} {xS(x^5+y^2+z^2)} \geq 0. \] Todos los denominadores son positivos. Sumando esta desigualdad y las otras dos que se obtienen por permutación cíclica, resulta \[ \frac{x^5-x^2}{x^5+y^2+z^2} +\frac{y^5-y^2}{x^2+y^5+z^2} +\frac{z^5-z^2}{x^2+y^2+z^5} \geq \frac{S-\left(\frac1x+\frac1y+\frac1z\right)}{S}. \]
Ahora bien, \(xyz\geq1\) implica \[ \frac1x+\frac1y+\frac1z =\frac{xy+yz+zx}{xyz} \leq xy+yz+zx \leq x^2+y^2+z^2=S, \] donde la última desigualdad se deduce de \[ x^2+y^2+z^2-xy-yz-zx =\frac12\bigl((x-y)^2+(y-z)^2+(z-x)^2\bigr)\geq0. \] Así, la suma del enunciado es no negativa.
La igualdad se da exactamente cuando \(x=y=z=1\): la igualdad en las tres desigualdades iniciales obliga a que \(x^3=y^3=z^3=1\), y esta terna satisface la desigualdad original con igualdad.
La solución se comprobó con las notas de soluciones de la IMO publicadas por Evan Chen.
IMO 2005 · 问题 3
设 \(x,y,z\) 是三个正实数,满足 \(xyz\geq 1\)。证明 \[ \frac{x^5-x^2}{x^5+y^2+z^2} +\frac{y^5-y^2}{x^2+y^5+z^2} +\frac{z^5-z^2}{x^2+y^2+z^5}\geq 0. \]
题目译自官方英文原文。 官方试卷 (PDF)
解答
令 \(S=x^2+y^2+z^2\)。关键在于以下恒等式: \[ \frac{x^5-x^2}{x^5+y^2+z^2} -\frac{x^2-\frac1x}{S} = \frac{(y^2+z^2)(x^3-1)^2} {xS(x^5+y^2+z^2)} \geq 0. \] 所有分母均为正。将这一不等式与循环置换变量所得的另外两个不等式相加,得到 \[ \frac{x^5-x^2}{x^5+y^2+z^2} +\frac{y^5-y^2}{x^2+y^5+z^2} +\frac{z^5-z^2}{x^2+y^2+z^5} \geq \frac{S-\left(\frac1x+\frac1y+\frac1z\right)}{S}. \]
由 \(xyz\geq1\) 可得 \[ \frac1x+\frac1y+\frac1z =\frac{xy+yz+zx}{xyz} \leq xy+yz+zx \leq x^2+y^2+z^2=S, \] 其中最后一个不等式由下式得到: \[ x^2+y^2+z^2-xy-yz-zx =\frac12\bigl((x-y)^2+(y-z)^2+(z-x)^2\bigr)\geq0. \] 因此,所求的和非负。
等号成立当且仅当 \(x=y=z=1\):最初的三个不等式同时取等号必有 \(x^3=y^3=z^3=1\),而这一组数确实使原不等式取等号。
解答已与 Evan Chen 发布的 IMO 解答笔记核对。
IMO 2005 · Задача 3
Пусть \(x,y,z\) — три положительных действительных числа, для которых \(xyz\geq 1\). Докажите, что \[ \frac{x^5-x^2}{x^5+y^2+z^2} +\frac{y^5-y^2}{x^2+y^5+z^2} +\frac{z^5-z^2}{x^2+y^2+z^5}\geq 0. \]
Условие переведено с официального английского текста. Официальный текст задач (PDF)
Решение
Положим \(S=x^2+y^2+z^2\). Ключевым является следующее тождество: \[ \frac{x^5-x^2}{x^5+y^2+z^2} -\frac{x^2-\frac1x}{S} = \frac{(y^2+z^2)(x^3-1)^2} {xS(x^5+y^2+z^2)} \geq 0. \] Все знаменатели положительны. Складывая это неравенство и два неравенства, полученные из него циклической перестановкой переменных, получаем \[ \frac{x^5-x^2}{x^5+y^2+z^2} +\frac{y^5-y^2}{x^2+y^5+z^2} +\frac{z^5-z^2}{x^2+y^2+z^5} \geq \frac{S-\left(\frac1x+\frac1y+\frac1z\right)}{S}. \]
Теперь из \(xyz\geq1\) следует \[ \frac1x+\frac1y+\frac1z =\frac{xy+yz+zx}{xyz} \leq xy+yz+zx \leq x^2+y^2+z^2=S, \] где последнее неравенство следует из \[ x^2+y^2+z^2-xy-yz-zx =\frac12\bigl((x-y)^2+(y-z)^2+(z-x)^2\bigr)\geq0. \] Таким образом, рассматриваемая сумма неотрицательна.
Равенство достигается в точности при \(x=y=z=1\): равенство в трёх исходных неравенствах влечёт \(x^3=y^3=z^3=1\), а при этой тройке исходное неравенство обращается в равенство.
Решение проверено по опубликованным заметкам Эвана Чена с решениями IMO.
IMO 2005 · المسألة 3
لتكن \(x,y,z\) ثلاثة أعداد حقيقية موجبة بحيث \(xyz\geq 1\). أثبت أن \[ \frac{x^5-x^2}{x^5+y^2+z^2} +\frac{y^5-y^2}{x^2+y^5+z^2} +\frac{z^5-z^2}{x^2+y^2+z^5}\geq 0. \]
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الحل
نضع \(S=x^2+y^2+z^2\). الملاحظة الأساسية هي المتطابقة \[ \frac{x^5-x^2}{x^5+y^2+z^2} -\frac{x^2-\frac1x}{S} = \frac{(y^2+z^2)(x^3-1)^2} {xS(x^5+y^2+z^2)} \geq 0. \] جميع المقامات موجبة. وبجمع هذه المتباينة مع نظيرتيها الناتجتين عن التبديل الدوري، نحصل على \[ \frac{x^5-x^2}{x^5+y^2+z^2} +\frac{y^5-y^2}{x^2+y^5+z^2} +\frac{z^5-z^2}{x^2+y^2+z^5} \geq \frac{S-\left(\frac1x+\frac1y+\frac1z\right)}{S}. \]
والآن يترتب على \(xyz\geq1\) أن \[ \frac1x+\frac1y+\frac1z =\frac{xy+yz+zx}{xyz} \leq xy+yz+zx \leq x^2+y^2+z^2=S, \] حيث تنتج المتباينة الأخيرة من \[ x^2+y^2+z^2-xy-yz-zx =\frac12\bigl((x-y)^2+(y-z)^2+(z-x)^2\bigr)\geq0. \] إذن المجموع المطلوب غير سالب.
تتحقق المساواة إذا وفقط إذا كان \(x=y=z=1\): فالمساواة في المتباينات الثلاث الأولى تفرض \(x^3=y^3=z^3=1\)، وهذه الثلاثية تحقق المساواة في المتباينة الأصلية.
تمت مراجعة الحل بمقارنته بملاحظات حلول IMO المنشورة لإيفان تشين.