IMO 2008 · Problem 2
(a) Prove that \[ \frac{x^2}{(x-1)^2}+\frac{y^2}{(y-1)^2}+\frac{z^2}{(z-1)^2}\geq 1 \] for all real numbers \(x,y,z\), each different from \(1\), and satisfying \(xyz=1\).
(b) Prove that equality holds above for infinitely many triples of rational numbers \(x,y,z\), each different from \(1\), and satisfying \(xyz=1\).
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Solution
(a) Set \[ a=\frac{x}{x-1},\qquad b=\frac{y}{y-1},\qquad c=\frac{z}{z-1}. \] These are well-defined by the hypotheses. Since \[ a-1=\frac1{x-1},\qquad b-1=\frac1{y-1},\qquad c-1=\frac1{z-1}, \] the condition \(xyz=1\) gives \[ abc=(a-1)(b-1)(c-1). \] Expanding and cancelling \(abc\), we obtain \[ ab+bc+ca=a+b+c-1. \] Consequently, \[ \begin{aligned} \frac{x^2}{(x-1)^2}+\frac{y^2}{(y-1)^2}+\frac{z^2}{(z-1)^2} &=a^2+b^2+c^2\\ &=(a+b+c)^2-2(ab+bc+ca)\\ &=(a+b+c-1)^2+1\\ &\geq 1. \end{aligned} \] This proves the inequality for every admissible real triple. It also shows that equality holds exactly when \[ \frac{x}{x-1}+\frac{y}{y-1}+\frac{z}{z-1}=1. \]
(b) For each positive integer \(n\), take \[ x=-n(n+1),\qquad y=-\frac{n+1}{n^2},\qquad z=\frac{n}{(n+1)^2}. \] All three numbers are rational. Moreover, \(x,y<0\) and \(0<z<1\), so none equals \(1\), and \[ xyz= \bigl(-n(n+1)\bigr) \left(-\frac{n+1}{n^2}\right) \frac{n}{(n+1)^2}=1. \] Writing \(D=n^2+n+1\), direct calculation gives \[ \frac{x}{x-1}=\frac{n(n+1)}D,\qquad \frac{y}{y-1}=\frac{n+1}D,\qquad \frac{z}{z-1}=-\frac nD. \] Their sum is \[ \frac{n(n+1)+(n+1)-n}{D} =\frac{n^2+n+1}{D}=1. \] Thus equality holds by part (a). Finally, the first coordinates \(-n(n+1)\) are distinct for distinct positive integers \(n\), so these give infinitely many distinct triples.
The solution was checked against the official IMO shortlist solutions.
IMO 2008 · Aufgabe 2
(a) Man zeige \[ \frac{x^2}{(x-1)^2}+\frac{y^2}{(y-1)^2}+\frac{z^2}{(z-1)^2}\geq 1 \tag{*} \] für alle reellen Zahlen \(x,y,z\), die ungleich \(1\) sind und für die \(xyz=1\) gilt.
(b) Man zeige, dass für unendlich viele Tripel rationaler Zahlen \(x,y,z\), die ungleich \(1\) sind und für die \(xyz=1\) gilt, in \((*)\) der Gleichheitsfall eintritt.
Offizieller deutscher Aufgabentext. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Lösung
(a) Setze \[ a=\frac{x}{x-1},\qquad b=\frac{y}{y-1},\qquad c=\frac{z}{z-1}. \] Diese Größen sind nach den Voraussetzungen wohldefiniert. Wegen \[ a-1=\frac1{x-1},\qquad b-1=\frac1{y-1},\qquad c-1=\frac1{z-1}, \] ergibt die Bedingung \(xyz=1\) \[ abc=(a-1)(b-1)(c-1). \] Durch Ausmultiplizieren und Subtrahieren von \(abc\) erhalten wir \[ ab+bc+ca=a+b+c-1. \] Folglich gilt \[ \begin{aligned} \frac{x^2}{(x-1)^2}+\frac{y^2}{(y-1)^2}+\frac{z^2}{(z-1)^2} &=a^2+b^2+c^2\\ &=(a+b+c)^2-2(ab+bc+ca)\\ &=(a+b+c-1)^2+1\\ &\geq 1. \end{aligned} \] Damit ist die Ungleichung für jedes zulässige reelle Tripel bewiesen. Zugleich zeigt dies, dass Gleichheit genau dann gilt, wenn \[ \frac{x}{x-1}+\frac{y}{y-1}+\frac{z}{z-1}=1. \]
(b) Für jede positive ganze Zahl \(n\) wählen wir \[ x=-n(n+1),\qquad y=-\frac{n+1}{n^2},\qquad z=\frac{n}{(n+1)^2}. \] Alle drei Zahlen sind rational. Außerdem gelten \(x,y<0\) und \(0<z<1\), also ist keine von ihnen gleich \(1\), und es gilt \[ xyz= \bigl(-n(n+1)\bigr) \left(-\frac{n+1}{n^2}\right) \frac{n}{(n+1)^2}=1. \] Mit \(D=n^2+n+1\) ergibt eine direkte Rechnung \[ \frac{x}{x-1}=\frac{n(n+1)}D,\qquad \frac{y}{y-1}=\frac{n+1}D,\qquad \frac{z}{z-1}=-\frac nD. \] Ihre Summe ist \[ \frac{n(n+1)+(n+1)-n}{D} =\frac{n^2+n+1}{D}=1. \] Nach Teil (a) gilt somit Gleichheit. Schließlich sind die ersten Koordinaten \(-n(n+1)\) für verschiedene positive ganze Zahlen \(n\) verschieden, sodass sich auf diese Weise unendlich viele verschiedene Tripel ergeben.
Die Lösung wurde mit den offiziellen Lösungen der IMO-Shortlist abgeglichen.
IMO 2008 · Soru 2
(a) Herbiri \(1\) den farklı olan ve \(xyz=1\) koşulunu sağlayan tüm \(x, y, z\) gerçel sayıları için \[ \frac{x^2}{(x-1)^2}+\frac{y^2}{(y-1)^2}+\frac{z^2}{(z-1)^2}\geq 1 \] olduğunu kanıtlayınız.
(b) Herbiri \(1\) den farklı olan ve \(xyz=1\) koşulunu sağlayan sonsuz tane \(x, y, z\) rasyonel sayı üçlüsü için yukarıdaki eşitsizliğin eşitliğe dönüştüğünü gösteriniz.
Sorunun resmi Türkçe metni. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Çözüm
(a) \[ a=\frac{x}{x-1},\qquad b=\frac{y}{y-1},\qquad c=\frac{z}{z-1} \] olarak tanımlayalım. Varsayımlar gereği bu ifadeler iyi tanımlıdır. \[ a-1=\frac1{x-1},\qquad b-1=\frac1{y-1},\qquad c-1=\frac1{z-1}, \] olduğundan, \(xyz=1\) koşulu \[ abc=(a-1)(b-1)(c-1) \] eşitliğini verir. Sağ tarafı açıp \(abc\) yi sadeleştirerek \[ ab+bc+ca=a+b+c-1 \] elde ederiz. Dolayısıyla, \[ \begin{aligned} \frac{x^2}{(x-1)^2}+\frac{y^2}{(y-1)^2}+\frac{z^2}{(z-1)^2} &=a^2+b^2+c^2\\ &=(a+b+c)^2-2(ab+bc+ca)\\ &=(a+b+c-1)^2+1\\ &\geq 1. \end{aligned} \] Bu, koşulları sağlayan her gerçel sayı üçlüsü için eşitsizliği kanıtlar. Ayrıca eşitliğin ancak ve ancak \[ \frac{x}{x-1}+\frac{y}{y-1}+\frac{z}{z-1}=1 \] olduğunda sağlandığını da gösterir.
(b) Her pozitif tam sayı \(n\) için, \[ x=-n(n+1),\qquad y=-\frac{n+1}{n^2},\qquad z=\frac{n}{(n+1)^2} \] alalım. Üç sayı da rasyoneldir. Ayrıca \(x,y<0\) ve \(0<z<1\) olduğundan, hiçbiri \(1\) e eşit değildir ve \[ xyz= \bigl(-n(n+1)\bigr) \left(-\frac{n+1}{n^2}\right) \frac{n}{(n+1)^2}=1. \] \(D=n^2+n+1\) yazarsak, doğrudan hesaplamayla \[ \frac{x}{x-1}=\frac{n(n+1)}D,\qquad \frac{y}{y-1}=\frac{n+1}D,\qquad \frac{z}{z-1}=-\frac nD \] elde edilir. Bunların toplamı \[ \frac{n(n+1)+(n+1)-n}{D} =\frac{n^2+n+1}{D}=1 \] olur. Böylece (a) şıkkına göre eşitlik sağlanır. Son olarak, farklı pozitif tam sayılar \(n\) için ilk bileşenler \(-n(n+1)\) birbirinden farklı olduğundan, bu şekilde sonsuz tane farklı üçlü elde edilir.
Çözüm, resmi IMO shortlist çözümleriyle karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 2008 · Problema 2
(a) Demostrar que \[ \frac{x^2}{(x-1)^2}+\frac{y^2}{(y-1)^2}+\frac{z^2}{(z-1)^2}\geq 1 \tag{*} \] para todos los números reales \(x,\ y,\ z\), distintos de \(1\), con \(xyz=1\).
(b) Demostrar que existen infinitas ternas de números racionales \(x,\ y,\ z\), distintos de \(1\), con \(xyz=1\) para los cuales la expresión (*) es una igualdad.
Texto oficial en español del problema. Enunciado oficial (PDF)
Solución
(a) Sean \[ a=\frac{x}{x-1},\qquad b=\frac{y}{y-1},\qquad c=\frac{z}{z-1}. \] Estas cantidades están bien definidas por las hipótesis. Como \[ a-1=\frac1{x-1},\qquad b-1=\frac1{y-1},\qquad c-1=\frac1{z-1}, \] la condición \(xyz=1\) da \[ abc=(a-1)(b-1)(c-1). \] Desarrollando y cancelando \(abc\), obtenemos \[ ab+bc+ca=a+b+c-1. \] Por consiguiente, \[ \begin{aligned} \frac{x^2}{(x-1)^2}+\frac{y^2}{(y-1)^2}+\frac{z^2}{(z-1)^2} &=a^2+b^2+c^2\\ &=(a+b+c)^2-2(ab+bc+ca)\\ &=(a+b+c-1)^2+1\\ &\geq 1. \end{aligned} \] Esto demuestra la desigualdad para toda terna real admisible. También muestra que la igualdad se cumple exactamente cuando \[ \frac{x}{x-1}+\frac{y}{y-1}+\frac{z}{z-1}=1. \]
(b) Para cada entero positivo \(n\), tomemos \[ x=-n(n+1),\qquad y=-\frac{n+1}{n^2},\qquad z=\frac{n}{(n+1)^2}. \] Los tres números son racionales. Además, \(x,y<0\) y \(0<z<1\), de modo que ninguno es igual a \(1\), y \[ xyz= \bigl(-n(n+1)\bigr) \left(-\frac{n+1}{n^2}\right) \frac{n}{(n+1)^2}=1. \] Escribiendo \(D=n^2+n+1\), un cálculo directo da \[ \frac{x}{x-1}=\frac{n(n+1)}D,\qquad \frac{y}{y-1}=\frac{n+1}D,\qquad \frac{z}{z-1}=-\frac nD. \] Su suma es \[ \frac{n(n+1)+(n+1)-n}{D} =\frac{n^2+n+1}{D}=1. \] Por tanto, se cumple la igualdad por el apartado (a). Finalmente, las primeras coordenadas \(-n(n+1)\) son distintas para enteros positivos \(n\) distintos, por lo que así se obtienen infinitas ternas distintas.
La solución se comprobó con las soluciones oficiales de la shortlist de la IMO.
IMO 2008 · 问题 2
(a)设实数 \(x,\ y,\ z\) 都不等于 \(1\),满足 \(xyz=1\),求证: \[ \frac{x^2}{(x-1)^2}+\frac{y^2}{(y-1)^2}+\frac{z^2}{(z-1)^2}\geq 1. \]
(b)证明:存在无穷多组三元有理数组 \((x,\ y,\ z)\),\(x,\ y,\ z\) 都不等于 \(1\),且 \(xyz=1\),使得上述不等式等号成立.
题目为官方中文译本。 官方试卷 (PDF)
解答
(a) 令 \[ a=\frac{x}{x-1},\qquad b=\frac{y}{y-1},\qquad c=\frac{z}{z-1}. \] 由题设,这些数均有定义。由于 \[ a-1=\frac1{x-1},\qquad b-1=\frac1{y-1},\qquad c-1=\frac1{z-1}, \] 由条件 \(xyz=1\) 可得 \[ abc=(a-1)(b-1)(c-1). \] 展开并消去 \(abc\),得 \[ ab+bc+ca=a+b+c-1. \] 因此, \[ \begin{aligned} \frac{x^2}{(x-1)^2}+\frac{y^2}{(y-1)^2}+\frac{z^2}{(z-1)^2} &=a^2+b^2+c^2\\ &=(a+b+c)^2-2(ab+bc+ca)\\ &=(a+b+c-1)^2+1\\ &\geq 1. \end{aligned} \] 这就证明了不等式对每一组满足条件的实数三元组都成立。同时也表明,等号成立当且仅当 \[ \frac{x}{x-1}+\frac{y}{y-1}+\frac{z}{z-1}=1. \]
(b) 对每个正整数 \(n\),取 \[ x=-n(n+1),\qquad y=-\frac{n+1}{n^2},\qquad z=\frac{n}{(n+1)^2}. \] 这三个数都是有理数。此外,\(x,y<0\) 且 \(0<z<1\),所以它们都不等于 \(1\),并且 \[ xyz= \bigl(-n(n+1)\bigr) \left(-\frac{n+1}{n^2}\right) \frac{n}{(n+1)^2}=1. \] 记 \(D=n^2+n+1\),直接计算可得 \[ \frac{x}{x-1}=\frac{n(n+1)}D,\qquad \frac{y}{y-1}=\frac{n+1}D,\qquad \frac{z}{z-1}=-\frac nD. \] 它们的和为 \[ \frac{n(n+1)+(n+1)-n}{D} =\frac{n^2+n+1}{D}=1. \] 因此,由 (a) 可知等号成立。最后,不同的正整数 \(n\) 对应的第一个分量 \(-n(n+1)\) 互不相同,所以这些三元组给出了无穷多组不同的三元组。
解答已与 IMO 官方预选题(shortlist)解答核对。
IMO 2008 · Задача 2
(a) Докажите, что неравенство \[ \frac{x^2}{(x-1)^2}+\frac{y^2}{(y-1)^2}+\frac{z^2}{(z-1)^2}\geq 1 \] выполняется для любых отличных от \(1\) действительных чисел \(x,\ y,\ z\) таких, что \(xyz=1\).
(b) Докажите, что указанное неравенство обращается в равенство для бесконечного числа троек отличных от \(1\) рациональных чисел \(x,\ y,\ z\) таких, что \(xyz=1\).
Официальный русский текст задачи. Официальный текст задач (PDF)
Решение
(a) Положим \[ a=\frac{x}{x-1},\qquad b=\frac{y}{y-1},\qquad c=\frac{z}{z-1}. \] В силу условий задачи эти величины определены. Поскольку \[ a-1=\frac1{x-1},\qquad b-1=\frac1{y-1},\qquad c-1=\frac1{z-1}, \] из условия \(xyz=1\) следует \[ abc=(a-1)(b-1)(c-1). \] Раскрывая скобки и сокращая \(abc\), получаем \[ ab+bc+ca=a+b+c-1. \] Следовательно, \[ \begin{aligned} \frac{x^2}{(x-1)^2}+\frac{y^2}{(y-1)^2}+\frac{z^2}{(z-1)^2} &=a^2+b^2+c^2\\ &=(a+b+c)^2-2(ab+bc+ca)\\ &=(a+b+c-1)^2+1\\ &\geq 1. \end{aligned} \] Это доказывает неравенство для любой допустимой тройки действительных чисел. Отсюда также видно, что равенство достигается тогда и только тогда, когда \[ \frac{x}{x-1}+\frac{y}{y-1}+\frac{z}{z-1}=1. \]
(b) Для каждого натурального числа \(n\) возьмём \[ x=-n(n+1),\qquad y=-\frac{n+1}{n^2},\qquad z=\frac{n}{(n+1)^2}. \] Все три числа рациональны. Кроме того, \(x,y<0\) и \(0<z<1\), поэтому ни одно из них не равно \(1\), и \[ xyz= \bigl(-n(n+1)\bigr) \left(-\frac{n+1}{n^2}\right) \frac{n}{(n+1)^2}=1. \] Обозначив \(D=n^2+n+1\), непосредственным вычислением получаем \[ \frac{x}{x-1}=\frac{n(n+1)}D,\qquad \frac{y}{y-1}=\frac{n+1}D,\qquad \frac{z}{z-1}=-\frac nD. \] Их сумма равна \[ \frac{n(n+1)+(n+1)-n}{D} =\frac{n^2+n+1}{D}=1. \] Таким образом, согласно пункту (a), достигается равенство. Наконец, первые координаты \(-n(n+1)\) различны при различных натуральных \(n\), поэтому получено бесконечно много различных троек.
Решение проверено по официальным решениям шортлиста IMO.
IMO 2008 · المسألة 2
(a) لكل \(x\) ، \(y\) ، \(z\) أعداد حقيقية مختلفة عن العدد \(1\) بحيث \(xyz=1\)
برهن أن : \[ \frac{x^2}{(x-1)^2}+\frac{y^2}{(y-1)^2}+\frac{z^2}{(z-1)^2}\geq 1 \]
(b) برهن أن المتباينة المذكورة أعلاه تصبح مساواة لعدد غير منته من الثلاثيات النسبية \(x\) ، \(y\) ، \(z\)
حيث \(x\) ، \(y\) ، \(z\) مختلفة عن العدد \(1\) و \(xyz=1\)
نص المسألة هو الترجمة العربية الرسمية. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الحل
(a) نضع \[ a=\frac{x}{x-1},\qquad b=\frac{y}{y-1},\qquad c=\frac{z}{z-1}. \] هذه المقادير معرّفة وفقًا للفرضيات. وبما أن \[ a-1=\frac1{x-1},\qquad b-1=\frac1{y-1},\qquad c-1=\frac1{z-1}, \] فإن الشرط \(xyz=1\) يعطي \[ abc=(a-1)(b-1)(c-1). \] بالتوسيع وحذف \(abc\) من الطرفين، نحصل على \[ ab+bc+ca=a+b+c-1. \] ومن ثم، \[ \begin{aligned} \frac{x^2}{(x-1)^2}+\frac{y^2}{(y-1)^2}+\frac{z^2}{(z-1)^2} &=a^2+b^2+c^2\\ &=(a+b+c)^2-2(ab+bc+ca)\\ &=(a+b+c-1)^2+1\\ &\geq 1. \end{aligned} \] وهذا يثبت المتباينة لكل ثلاثية حقيقية تحقق الشروط. كما يبين أن المساواة تتحقق إذا وفقط إذا كان \[ \frac{x}{x-1}+\frac{y}{y-1}+\frac{z}{z-1}=1. \]
(b) لكل عدد صحيح موجب \(n\)، نأخذ \[ x=-n(n+1),\qquad y=-\frac{n+1}{n^2},\qquad z=\frac{n}{(n+1)^2}. \] الأعداد الثلاثة كلها نسبية. فضلًا عن ذلك، \(x,y<0\) و\(0<z<1\)، فلا يساوي أي منها \(1\)، ولدينا \[ xyz= \bigl(-n(n+1)\bigr) \left(-\frac{n+1}{n^2}\right) \frac{n}{(n+1)^2}=1. \] بوضع \(D=n^2+n+1\)، يعطي الحساب المباشر \[ \frac{x}{x-1}=\frac{n(n+1)}D,\qquad \frac{y}{y-1}=\frac{n+1}D,\qquad \frac{z}{z-1}=-\frac nD. \] ومجموع هذه المقادير هو \[ \frac{n(n+1)+(n+1)-n}{D} =\frac{n^2+n+1}{D}=1. \] إذن تتحقق المساواة وفقًا للجزء (a). وأخيرًا، فإن الإحداثيات الأولى \(-n(n+1)\) مختلفة باختلاف الأعداد الصحيحة الموجبة \(n\)، ولذلك نحصل على عدد غير منته من الثلاثيات المختلفة.
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحلول الرسمية لقائمة IMO المختصرة.