IMO 2006 · Problem 3
Determine the least real number \(M\) such that the inequality \[ \left|ab(a^2-b^2)+bc(b^2-c^2)+ca(c^2-a^2)\right| \le M(a^2+b^2+c^2)^2 \] holds for all real numbers \(a\), \(b\) and \(c\).
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Answer
\[ \boxed{M=\frac{9\sqrt2}{32}}. \]
Solution
Write \[ F=ab(a^2-b^2)+bc(b^2-c^2)+ca(c^2-a^2),\qquad R=a^2+b^2+c^2. \] If \(R=0\), then \(a=b=c=0\), and the inequality holds. Henceforth assume \(R>0\).
Set \[ s=a+b+c,\qquad x=a-\frac{s}{3},\quad y=b-\frac{s}{3},\quad z=c-\frac{s}{3}, \qquad q=x^2+y^2+z^2. \] Then \[ x+y+z=0,\qquad R=\frac{s^2}{3}+q. \] Factoring the expression gives \[ F=(a+b+c)(a-b)(a-c)(b-c) =s(x-y)(x-z)(y-z). \]
For \(x+y+z=0\), we have the algebraic identity \[ (x-y)^2(x-z)^2(y-z)^2+27x^2y^2z^2 =\frac12(x^2+y^2+z^2)^3. \] Indeed, substituting \(z=-x-y\), the left-hand side becomes \[ (x-y)^2(2x+y)^2(x+2y)^2+27x^2y^2(x+y)^2 =4(x^2+xy+y^2)^3, \] which is also the right-hand side. Consequently, \[ F^2\le \frac12s^2q^3. \]
Applying AM–GM to the four nonnegative numbers \(s^2,q,q,q\), we obtain \[ s^2q^3 \le \left(\frac{s^2+3q}{4}\right)^4 =\left(\frac{3R}{4}\right)^4. \] Therefore \[ F^2\le \frac{81}{512}R^4, \] and taking square roots yields \[ |F|\le \frac{9\sqrt2}{32}(a^2+b^2+c^2)^2. \]
To prove that the constant is least possible, take \[ (a,b,c)=(\sqrt2+3,\sqrt2,\sqrt2-3). \] Here \(s=3\sqrt2\), \((x,y,z)=(3,0,-3)\), and \(q=18=s^2\). Thus equality holds in both inequalities above. Since \(R=24>0\), no smaller constant can satisfy the required inequality.
Hence the least value is \(\boxed{\frac{9\sqrt2}{32}}\).
The solution was checked against the official IMO shortlist solutions.
IMO 2006 · Aufgabe 3
Man bestimme die kleinste reelle Zahl \(M\), so dass für alle reellen Zahlen \(a\), \(b\) und \(c\) die folgende Ungleichung gilt: \[ \left|ab(a^2-b^2)+bc(b^2-c^2)+ca(c^2-a^2)\right|\le M(a^2+b^2+c^2)^2 \]
Offizieller deutscher Aufgabentext. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Antwort
\[ \boxed{M=\frac{9\sqrt2}{32}}. \]
Lösung
Wir schreiben \[ F=ab(a^2-b^2)+bc(b^2-c^2)+ca(c^2-a^2),\qquad R=a^2+b^2+c^2. \] Ist \(R=0\), so gilt \(a=b=c=0\), und die Ungleichung ist erfüllt. Im Folgenden nehmen wir \(R>0\) an.
Wir setzen \[ s=a+b+c,\qquad x=a-\frac{s}{3},\quad y=b-\frac{s}{3},\quad z=c-\frac{s}{3}, \qquad q=x^2+y^2+z^2. \] Dann gilt \[ x+y+z=0,\qquad R=\frac{s^2}{3}+q. \] Durch Faktorisieren des Ausdrucks erhalten wir \[ F=(a+b+c)(a-b)(a-c)(b-c) =s(x-y)(x-z)(y-z). \]
Für \(x+y+z=0\) gilt die algebraische Identität \[ (x-y)^2(x-z)^2(y-z)^2+27x^2y^2z^2 =\frac12(x^2+y^2+z^2)^3. \] Setzt man nämlich \(z=-x-y\) ein, so wird die linke Seite zu \[ (x-y)^2(2x+y)^2(x+2y)^2+27x^2y^2(x+y)^2 =4(x^2+xy+y^2)^3, \] was auch der rechten Seite entspricht. Folglich gilt \[ F^2\le \frac12s^2q^3. \]
Wenden wir die Ungleichung zwischen arithmetischem und geometrischem Mittel auf die vier nichtnegativen Zahlen \(s^2,q,q,q\) an, so erhalten wir \[ s^2q^3 \le \left(\frac{s^2+3q}{4}\right)^4 =\left(\frac{3R}{4}\right)^4. \] Somit gilt \[ F^2\le \frac{81}{512}R^4, \] und durch Wurzelziehen folgt \[ |F|\le \frac{9\sqrt2}{32}(a^2+b^2+c^2)^2. \]
Um zu beweisen, dass die Konstante kleinstmöglich ist, wählen wir \[ (a,b,c)=(\sqrt2+3,\sqrt2,\sqrt2-3). \] Hier gilt \(s=3\sqrt2\), \((x,y,z)=(3,0,-3)\) und \(q=18=s^2\). Somit gilt in beiden obigen Ungleichungen Gleichheit. Da \(R=24>0\) ist, kann keine kleinere Konstante die geforderte Ungleichung erfüllen.
Der kleinste Wert ist daher \(\boxed{\frac{9\sqrt2}{32}}\).
Die Lösung wurde mit den offiziellen Lösungen der IMO-Shortlist abgeglichen.
IMO 2006 · Soru 3
Tüm \(a,b,c\) reel sayıları için \[ \left|ab(a^2-b^2)+bc(b^2-c^2)+ca(c^2-a^2)\right|\le M(a^2+b^2+c^2)^2 \] eşitsizliğini geçerli kılan en küçük \(M\) reel sayısını bulunuz.
Sorunun resmi Türkçe metni. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Cevap
\[ \boxed{M=\frac{9\sqrt2}{32}}. \]
Çözüm
\[ F=ab(a^2-b^2)+bc(b^2-c^2)+ca(c^2-a^2),\qquad R=a^2+b^2+c^2 \] olsun. \(R=0\) ise \(a=b=c=0\) olur ve eşitsizlik sağlanır. Bundan sonra \(R>0\) olduğunu varsayalım.
\[ s=a+b+c,\qquad x=a-\frac{s}{3},\quad y=b-\frac{s}{3},\quad z=c-\frac{s}{3}, \qquad q=x^2+y^2+z^2 \] olarak tanımlayalım. O zaman \[ x+y+z=0,\qquad R=\frac{s^2}{3}+q. \] İfadeyi çarpanlarına ayırınca \[ F=(a+b+c)(a-b)(a-c)(b-c) =s(x-y)(x-z)(y-z) \] elde edilir.
\(x+y+z=0\) için şu cebirsel özdeşlik geçerlidir: \[ (x-y)^2(x-z)^2(y-z)^2+27x^2y^2z^2 =\frac12(x^2+y^2+z^2)^3. \] Gerçekten, \(z=-x-y\) yazıldığında sol taraf \[ (x-y)^2(2x+y)^2(x+2y)^2+27x^2y^2(x+y)^2 =4(x^2+xy+y^2)^3, \] olur; sağ taraf da aynı ifadeye eşittir. Dolayısıyla, \[ F^2\le \frac12s^2q^3. \]
Negatif olmayan dört \(s^2,q,q,q\) sayısına aritmetik ortalama–geometrik ortalama eşitsizliğini uygulayarak \[ s^2q^3 \le \left(\frac{s^2+3q}{4}\right)^4 =\left(\frac{3R}{4}\right)^4 \] elde ederiz. Bu nedenle \[ F^2\le \frac{81}{512}R^4, \] ve karekök alınca \[ |F|\le \frac{9\sqrt2}{32}(a^2+b^2+c^2)^2 \] bulunur.
Bu sabitin mümkün olan en küçük değer olduğunu kanıtlamak için \[ (a,b,c)=(\sqrt2+3,\sqrt2,\sqrt2-3) \] alalım. Burada \(s=3\sqrt2\), \((x,y,z)=(3,0,-3)\) ve \(q=18=s^2\) olur. Böylece yukarıdaki iki eşitsizlikte de eşitlik sağlanır. \(R=24>0\) olduğundan, daha küçük hiçbir sabit istenen eşitsizliği sağlayamaz.
O hâlde en küçük değer \(\boxed{\frac{9\sqrt2}{32}}\) dir.
Çözüm, resmi IMO shortlist çözümleriyle karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 2006 · Problema 3
Determine el menor número real \(M\) tal que la desigualdad \[ \left|ab(a^2-b^2)+bc(b^2-c^2)+ca(c^2-a^2)\right|\le M\left(a^2+b^2+c^2\right)^2 \] se cumpla para todos los números reales \(a,\ b,\ c\).
Texto oficial en español del problema. Enunciado oficial (PDF)
Respuesta
\[ \boxed{M=\frac{9\sqrt2}{32}}. \]
Solución
Escribamos \[ F=ab(a^2-b^2)+bc(b^2-c^2)+ca(c^2-a^2),\qquad R=a^2+b^2+c^2. \] Si \(R=0\), entonces \(a=b=c=0\), y la desigualdad se cumple. En adelante, supongamos que \(R>0\).
Definamos \[ s=a+b+c,\qquad x=a-\frac{s}{3},\quad y=b-\frac{s}{3},\quad z=c-\frac{s}{3}, \qquad q=x^2+y^2+z^2. \] Entonces \[ x+y+z=0,\qquad R=\frac{s^2}{3}+q. \] Factorizando la expresión obtenemos \[ F=(a+b+c)(a-b)(a-c)(b-c) =s(x-y)(x-z)(y-z). \]
Para \(x+y+z=0\), tenemos la identidad algebraica \[ (x-y)^2(x-z)^2(y-z)^2+27x^2y^2z^2 =\frac12(x^2+y^2+z^2)^3. \] En efecto, sustituyendo \(z=-x-y\), el miembro izquierdo se convierte en \[ (x-y)^2(2x+y)^2(x+2y)^2+27x^2y^2(x+y)^2 =4(x^2+xy+y^2)^3, \] que es también el miembro derecho. Por consiguiente, \[ F^2\le \frac12s^2q^3. \]
Aplicando la desigualdad entre las medias aritmética y geométrica a los cuatro números no negativos \(s^2,q,q,q\), obtenemos \[ s^2q^3 \le \left(\frac{s^2+3q}{4}\right)^4 =\left(\frac{3R}{4}\right)^4. \] Por tanto, \[ F^2\le \frac{81}{512}R^4, \] y tomando raíces cuadradas obtenemos \[ |F|\le \frac{9\sqrt2}{32}(a^2+b^2+c^2)^2. \]
Para demostrar que la constante es la menor posible, tomemos \[ (a,b,c)=(\sqrt2+3,\sqrt2,\sqrt2-3). \] En este caso, \(s=3\sqrt2\), \((x,y,z)=(3,0,-3)\) y \(q=18=s^2\). Así, se cumple la igualdad en las dos desigualdades anteriores. Como \(R=24>0\), ninguna constante menor puede satisfacer la desigualdad requerida.
Por tanto, el menor valor es \(\boxed{\frac{9\sqrt2}{32}}\).
La solución se comprobó con las soluciones oficiales de la shortlist de la IMO.
IMO 2006 · 问题 3
求最小的实数 \(M\),使得对所有的实数 \(a\),\(b\) 和 \(c\),有 \[ |ab(a^2-b^2)+bc(b^2-c^2)+ca(c^2-a^2)|\le M(a^2+b^2+c^2)^2. \]
题目为官方中文译本。 官方试卷 (PDF)
答案
\[ \boxed{M=\frac{9\sqrt2}{32}}. \]
解答
记 \[ F=ab(a^2-b^2)+bc(b^2-c^2)+ca(c^2-a^2),\qquad R=a^2+b^2+c^2. \] 若 \(R=0\),则 \(a=b=c=0\),不等式成立。以下假设 \(R>0\)。
令 \[ s=a+b+c,\qquad x=a-\frac{s}{3},\quad y=b-\frac{s}{3},\quad z=c-\frac{s}{3}, \qquad q=x^2+y^2+z^2. \] 则 \[ x+y+z=0,\qquad R=\frac{s^2}{3}+q. \] 对该式作因式分解,得 \[ F=(a+b+c)(a-b)(a-c)(b-c) =s(x-y)(x-z)(y-z). \]
当 \(x+y+z=0\) 时,有代数恒等式 \[ (x-y)^2(x-z)^2(y-z)^2+27x^2y^2z^2 =\frac12(x^2+y^2+z^2)^3. \] 事实上,代入 \(z=-x-y\),左边变为 \[ (x-y)^2(2x+y)^2(x+2y)^2+27x^2y^2(x+y)^2 =4(x^2+xy+y^2)^3, \] 右边也等于此式。因此, \[ F^2\le \frac12s^2q^3. \]
对四个非负数 \(s^2,q,q,q\) 应用算术—几何平均不等式,得 \[ s^2q^3 \le \left(\frac{s^2+3q}{4}\right)^4 =\left(\frac{3R}{4}\right)^4. \] 因此 \[ F^2\le \frac{81}{512}R^4, \] 两边开平方,得 \[ |F|\le \frac{9\sqrt2}{32}(a^2+b^2+c^2)^2. \]
为了证明这个常数是最小的,取 \[ (a,b,c)=(\sqrt2+3,\sqrt2,\sqrt2-3). \] 此时 \(s=3\sqrt2\),\((x,y,z)=(3,0,-3)\),且 \(q=18=s^2\)。因此,上述两个不等式均取等号。由于 \(R=24>0\),任何更小的常数都不能使所要求的不等式成立。
所以,最小值为 \(\boxed{\frac{9\sqrt2}{32}}\)。
解答已与 IMO 官方预选题(shortlist)解答核对。
IMO 2006 · Задача 3
Определите наименьшее действительное число \(M\) такое, что неравенство \[ |ab(a^2-b^2)+bc(b^2-c^2)+ca(c^2-a^2)|\le M(a^2+b^2+c^2)^2 \] выполняется для любых действительных чисел \(a,b,c\).
Официальный русский текст задачи. Официальный текст задач (PDF)
Ответ
\[ \boxed{M=\frac{9\sqrt2}{32}}. \]
Решение
Обозначим \[ F=ab(a^2-b^2)+bc(b^2-c^2)+ca(c^2-a^2),\qquad R=a^2+b^2+c^2. \] Если \(R=0\), то \(a=b=c=0\), и неравенство выполнено. Далее будем считать, что \(R>0\).
Положим \[ s=a+b+c,\qquad x=a-\frac{s}{3},\quad y=b-\frac{s}{3},\quad z=c-\frac{s}{3}, \qquad q=x^2+y^2+z^2. \] Тогда \[ x+y+z=0,\qquad R=\frac{s^2}{3}+q. \] Разложив выражение на множители, получаем \[ F=(a+b+c)(a-b)(a-c)(b-c) =s(x-y)(x-z)(y-z). \]
При \(x+y+z=0\) справедливо алгебраическое тождество \[ (x-y)^2(x-z)^2(y-z)^2+27x^2y^2z^2 =\frac12(x^2+y^2+z^2)^3. \] Действительно, после подстановки \(z=-x-y\) левая часть принимает вид \[ (x-y)^2(2x+y)^2(x+2y)^2+27x^2y^2(x+y)^2 =4(x^2+xy+y^2)^3, \] и тому же выражению равна правая часть. Следовательно, \[ F^2\le \frac12s^2q^3. \]
Применяя неравенство между средним арифметическим и средним геометрическим к четырем неотрицательным числам \(s^2,q,q,q\), получаем \[ s^2q^3 \le \left(\frac{s^2+3q}{4}\right)^4 =\left(\frac{3R}{4}\right)^4. \] Поэтому \[ F^2\le \frac{81}{512}R^4, \] а извлекая квадратные корни, получаем \[ |F|\le \frac{9\sqrt2}{32}(a^2+b^2+c^2)^2. \]
Чтобы доказать, что эта постоянная является наименьшей возможной, возьмем \[ (a,b,c)=(\sqrt2+3,\sqrt2,\sqrt2-3). \] Здесь \(s=3\sqrt2\), \((x,y,z)=(3,0,-3)\) и \(q=18=s^2\). Поэтому в обоих неравенствах выше достигается равенство. Поскольку \(R=24>0\), никакая меньшая постоянная не может удовлетворять требуемому неравенству.
Следовательно, наименьшее значение равно \(\boxed{\frac{9\sqrt2}{32}}\).
Решение проверено по официальным решениям шортлиста IMO.
IMO 2006 · المسألة 3
أوجد اصغر عدد حقيقي \(M\) يحقق المتباينه \[ \left|ab(a^2-b^2)+bc(b^2-c^2)+ca(c^2-a^2)\right|\le M(a^2+b^2+c^2)^2 \] لكل الاعداد الحقيقية \(a\)، \(b\) و \(c\).
نص المسألة هو الترجمة العربية الرسمية. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الإجابة
\[ \boxed{M=\frac{9\sqrt2}{32}}. \]
الحل
لنكتب \[ F=ab(a^2-b^2)+bc(b^2-c^2)+ca(c^2-a^2),\qquad R=a^2+b^2+c^2. \] إذا كان \(R=0\)، فإن \(a=b=c=0\)، وتتحقق المتباينة. نفترض فيما يلي أن \(R>0\).
نضع \[ s=a+b+c,\qquad x=a-\frac{s}{3},\quad y=b-\frac{s}{3},\quad z=c-\frac{s}{3}, \qquad q=x^2+y^2+z^2. \] عندئذ \[ x+y+z=0,\qquad R=\frac{s^2}{3}+q. \] بتحليل العبارة إلى عوامل نحصل على \[ F=(a+b+c)(a-b)(a-c)(b-c) =s(x-y)(x-z)(y-z). \]
عندما \(x+y+z=0\)، لدينا المتطابقة الجبرية \[ (x-y)^2(x-z)^2(y-z)^2+27x^2y^2z^2 =\frac12(x^2+y^2+z^2)^3. \] بالفعل، بالتعويض بـ\(z=-x-y\)، يصبح الطرف الأيسر \[ (x-y)^2(2x+y)^2(x+2y)^2+27x^2y^2(x+y)^2 =4(x^2+xy+y^2)^3, \] وهو أيضا الطرف الأيمن. وبالتالي، \[ F^2\le \frac12s^2q^3. \]
بتطبيق متباينة الوسط الحسابي والوسط الهندسي على الأعداد الأربعة غير السالبة \(s^2,q,q,q\)، نحصل على \[ s^2q^3 \le \left(\frac{s^2+3q}{4}\right)^4 =\left(\frac{3R}{4}\right)^4. \] إذن \[ F^2\le \frac{81}{512}R^4, \] وبأخذ الجذور التربيعية نحصل على \[ |F|\le \frac{9\sqrt2}{32}(a^2+b^2+c^2)^2. \]
لإثبات أن الثابت هو الأصغر الممكن، نأخذ \[ (a,b,c)=(\sqrt2+3,\sqrt2,\sqrt2-3). \] هنا \(s=3\sqrt2\)، و\((x,y,z)=(3,0,-3)\)، و\(q=18=s^2\). وهكذا تتحقق المساواة في كلتا المتباينتين أعلاه. وبما أن \(R=24>0\)، فلا يمكن لأي ثابت أصغر أن يحقق المتباينة المطلوبة.
إذن أصغر قيمة هي \(\boxed{\frac{9\sqrt2}{32}}\).
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحلول الرسمية لقائمة IMO المختصرة.