IMO 2021 · Problem 2
Show that the inequality \[ \sum_{i=1}^{n}\sum_{j=1}^{n}\sqrt{|x_i-x_j|} \leqslant \sum_{i=1}^{n}\sum_{j=1}^{n}\sqrt{|x_i+x_j|} \] holds for all real numbers \(x_1,\ldots,x_n\).
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Solution
We first prove an elementary lemma.
Lemma. If \(t_1,\ldots,t_m\) and \(c_1,\ldots,c_m\) are real numbers with \(\sum_{i=1}^{m}c_i=0\), then \[ \sum_{i=1}^{m}\sum_{j=1}^{m}c_ic_j\sqrt{|t_i-t_j|}\leq 0. \]
Proof. Reorder the pairs \((t_i,c_i)\) so that \[ t_1\leq t_2\leq\cdots\leq t_m. \] Repeated values are allowed. The case \(m=1\) is immediate, so assume \(m\geq2\).
Put \[ a_{ij}=\sqrt{|t_i-t_j|}, \qquad s_0=0,\qquad s_i=\sum_{k=1}^{i}c_k. \] Thus \(s_m=0\) and \(c_i=s_i-s_{i-1}\). For \(1\leq i,j\leq m-1\), define \[ b_{ij}=a_{ij}-a_{i+1,j}-a_{i,j+1}+a_{i+1,j+1}. \] Expanding and using \(s_0=s_m=0\) gives \[ \sum_{i,j=1}^{m}c_ic_ja_{ij} = \sum_{i,j=1}^{m-1}b_{ij}s_is_j. \tag{1} \]
We will show that the quadratic expression on the right is nonpositive.
First, \(b_{ij}=b_{ji}\), and \(b_{ij}\geq0\) whenever \(i\ne j\). Indeed, for \(i<j\), set \[ h=t_{i+1}-t_i,\qquad u=t_j-t_{i+1},\qquad v=t_{j+1}-t_j, \] all of which are nonnegative. Then \[ b_{ij} = \bigl(\sqrt{u+h}-\sqrt u\bigr) - \bigl(\sqrt{u+v+h}-\sqrt{u+v}\bigr) \geq0. \] Here we used that, for fixed \(h\geq0\), the function \(\sqrt{u+h}-\sqrt u\) is nonincreasing for \(u\geq0\). For \(h=0\) this is immediate; for \(h>0\), it follows from \[ \sqrt{u+h}-\sqrt u =\frac{h}{\sqrt{u+h}+\sqrt u}. \]
Second, every row sum of \((b_{ij})\) is nonpositive. Telescoping gives \[ \begin{aligned} r_i:=\sum_{j=1}^{m-1}b_{ij} &=a_{i1}-a_{i+1,1}-a_{im}+a_{i+1,m}\\ &=\sqrt{t_i-t_1}-\sqrt{t_{i+1}-t_1} -\sqrt{t_m-t_i}+\sqrt{t_m-t_{i+1}} \leq0. \end{aligned} \] Both differences in the last line are nonpositive.
Consequently, \[ \sum_{i,j=1}^{m-1}b_{ij}s_is_j = \sum_{i=1}^{m-1}r_i s_i^2 - \sum_{1\leq i<j\leq m-1}b_{ij}(s_i-s_j)^2 \leq0. \] Together with (1), this proves the lemma. \(\square\)
Now apply the lemma to the \(2n\) numbers and coefficients \[ (t_1,\ldots,t_{2n}) =(x_1,\ldots,x_n,-x_1,\ldots,-x_n), \] \[ (c_1,\ldots,c_{2n}) =(\underbrace{1,\ldots,1}_{n}, \underbrace{-1,\ldots,-1}_{n}). \] The coefficients sum to zero. The two groups of terms whose coefficients have the same sign each contribute \(\sum_{i,j=1}^{n}\sqrt{|x_i-x_j|}\), while the two groups with opposite signs each contribute \(-\sum_{i,j=1}^{n}\sqrt{|x_i+x_j|}\). Hence the lemma yields \[ 2\sum_{i,j=1}^{n}\sqrt{|x_i-x_j|} - 2\sum_{i,j=1}^{n}\sqrt{|x_i+x_j|} \leq0, \] which is the required inequality. The lemma allows repeated and zero values, so these cases are included.
The solution was checked against the official IMO shortlist solutions.
IMO 2021 · Aufgabe 2
Man zeige, dass die Ungleichung \[ \sum_{i=1}^{n}\sum_{j=1}^{n}\sqrt{|x_i-x_j|}\leqslant\sum_{i=1}^{n}\sum_{j=1}^{n}\sqrt{|x_i+x_j|} \] für alle reellen Zahlen \(x_1,\ldots,x_n\) gilt.
Offizieller deutscher Aufgabentext. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Lösung
Wir beweisen zunächst ein elementares Lemma.
Lemma. Sind \(t_1,\ldots,t_m\) und \(c_1,\ldots,c_m\) reelle Zahlen mit \(\sum_{i=1}^{m}c_i=0\), so gilt \[ \sum_{i=1}^{m}\sum_{j=1}^{m}c_ic_j\sqrt{|t_i-t_j|}\leq 0. \]
Beweis. Wir ordnen die Paare \((t_i,c_i)\) so um, dass \[ t_1\leq t_2\leq\cdots\leq t_m. \] Mehrfach vorkommende Werte sind zulässig. Der Fall \(m=1\) ist unmittelbar klar; wir nehmen daher \(m\geq2\) an.
Setze \[ a_{ij}=\sqrt{|t_i-t_j|}, \qquad s_0=0,\qquad s_i=\sum_{k=1}^{i}c_k. \] Dann gilt \(s_m=0\) und \(c_i=s_i-s_{i-1}\). Für \(1\leq i,j\leq m-1\) definieren wir \[ b_{ij}=a_{ij}-a_{i+1,j}-a_{i,j+1}+a_{i+1,j+1}. \] Ausmultiplizieren unter Verwendung von \(s_0=s_m=0\) ergibt \[ \sum_{i,j=1}^{m}c_ic_ja_{ij} = \sum_{i,j=1}^{m-1}b_{ij}s_is_j. \tag{1} \]
Wir werden zeigen, dass der quadratische Ausdruck auf der rechten Seite nichtpositiv ist.
Erstens gilt \(b_{ij}=b_{ji}\) sowie \(b_{ij}\geq0\), falls \(i\ne j\). Für \(i<j\) setzen wir dazu \[ h=t_{i+1}-t_i,\qquad u=t_j-t_{i+1},\qquad v=t_{j+1}-t_j, \] wobei alle drei Größen nichtnegativ sind. Dann gilt \[ b_{ij} = \bigl(\sqrt{u+h}-\sqrt u\bigr) - \bigl(\sqrt{u+v+h}-\sqrt{u+v}\bigr) \geq0. \] Hier haben wir verwendet, dass für festes \(h\geq0\) die Funktion \(\sqrt{u+h}-\sqrt u\) für \(u\geq0\) monoton fallend ist. Für \(h=0\) ist dies unmittelbar klar; für \(h>0\) folgt es aus \[ \sqrt{u+h}-\sqrt u =\frac{h}{\sqrt{u+h}+\sqrt u}. \]
Zweitens ist jede Zeilensumme von \((b_{ij})\) nichtpositiv. Durch Teleskopieren erhalten wir \[ \begin{aligned} r_i:=\sum_{j=1}^{m-1}b_{ij} &=a_{i1}-a_{i+1,1}-a_{im}+a_{i+1,m}\\ &=\sqrt{t_i-t_1}-\sqrt{t_{i+1}-t_1} -\sqrt{t_m-t_i}+\sqrt{t_m-t_{i+1}} \leq0. \end{aligned} \] Beide Differenzen in der letzten Zeile sind nichtpositiv.
Folglich gilt \[ \sum_{i,j=1}^{m-1}b_{ij}s_is_j = \sum_{i=1}^{m-1}r_i s_i^2 - \sum_{1\leq i<j\leq m-1}b_{ij}(s_i-s_j)^2 \leq0. \] Zusammen mit (1) beweist dies das Lemma. \(\square\)
Nun wenden wir das Lemma auf die \(2n\) Zahlen und Koeffizienten \[ (t_1,\ldots,t_{2n}) =(x_1,\ldots,x_n,-x_1,\ldots,-x_n), \] \[ (c_1,\ldots,c_{2n}) =(\underbrace{1,\ldots,1}_{n}, \underbrace{-1,\ldots,-1}_{n}) \] an. Die Summe der Koeffizienten ist null. Die beiden Gruppen von Termen, deren Koeffizienten dasselbe Vorzeichen haben, tragen jeweils \(\sum_{i,j=1}^{n}\sqrt{|x_i-x_j|}\) bei, während die beiden Gruppen mit entgegengesetzten Vorzeichen jeweils \(-\sum_{i,j=1}^{n}\sqrt{|x_i+x_j|}\) beitragen. Somit liefert das Lemma \[ 2\sum_{i,j=1}^{n}\sqrt{|x_i-x_j|} - 2\sum_{i,j=1}^{n}\sqrt{|x_i+x_j|} \leq0, \] also die geforderte Ungleichung. Das Lemma lässt mehrfach vorkommende Werte und Nullwerte zu, sodass auch diese Fälle eingeschlossen sind.
Die Lösung wurde mit den offiziellen Lösungen der IMO-Shortlist abgeglichen.
IMO 2021 · Soru 2
Tüm \(x_1,\ldots,x_n\) gerçek sayıları için \[ \sum_{i=1}^{n}\sum_{j=1}^{n}\sqrt{|x_i-x_j|}\leqslant\sum_{i=1}^{n}\sum_{j=1}^{n}\sqrt{|x_i+x_j|} \] eşitsizliğinin sağlandığını gösteriniz.
Sorunun resmi Türkçe metni. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Çözüm
Önce temel bir yardımcı önerme kanıtlayacağız.
Yardımcı önerme. \(t_1,\ldots,t_m\) ve \(c_1,\ldots,c_m\), \(\sum_{i=1}^{m}c_i=0\) koşulunu sağlayan gerçek sayılar ise \[ \sum_{i=1}^{m}\sum_{j=1}^{m}c_ic_j\sqrt{|t_i-t_j|}\leq 0. \]
Kanıt. \((t_i,c_i)\) çiftlerini \[ t_1\leq t_2\leq\cdots\leq t_m \] olacak şekilde yeniden sıralayalım. Değerlerin tekrarlanmasına izin verilir. \(m=1\) durumu açıktır; bu nedenle \(m\geq2\) olduğunu varsayalım.
Şöyle tanımlayalım: \[ a_{ij}=\sqrt{|t_i-t_j|}, \qquad s_0=0,\qquad s_i=\sum_{k=1}^{i}c_k. \] Böylece \(s_m=0\) ve \(c_i=s_i-s_{i-1}\) olur. \(1\leq i,j\leq m-1\) için \[ b_{ij}=a_{ij}-a_{i+1,j}-a_{i,j+1}+a_{i+1,j+1} \] olarak tanımlayalım. Açılım yapıp \(s_0=s_m=0\) eşitliğini kullanarak \[ \sum_{i,j=1}^{m}c_ic_ja_{ij} = \sum_{i,j=1}^{m-1}b_{ij}s_is_j \tag{1} \] elde ederiz.
Sağ taraftaki ikinci dereceden ifadenin pozitif olmadığını göstereceğiz.
İlk olarak, \(b_{ij}=b_{ji}\) ve \(i\ne j\) olduğunda \(b_{ij}\geq0\) olur. Gerçekten, \(i<j\) için \[ h=t_{i+1}-t_i,\qquad u=t_j-t_{i+1},\qquad v=t_{j+1}-t_j, \] olarak tanımlayalım; bunların hepsi negatif olmayan sayılardır. O hâlde \[ b_{ij} = \bigl(\sqrt{u+h}-\sqrt u\bigr) - \bigl(\sqrt{u+v+h}-\sqrt{u+v}\bigr) \geq0. \] Burada, sabit \(h\geq0\) için \(\sqrt{u+h}-\sqrt u\) fonksiyonunun \(u\geq0\) için artmayan olduğunu kullandık. \(h=0\) için bu açıktır; \(h>0\) için ise \[ \sqrt{u+h}-\sqrt u =\frac{h}{\sqrt{u+h}+\sqrt u} \] eşitliğinden çıkar.
İkinci olarak, \((b_{ij})\) matrisinin her satırının toplamı pozitif değildir. Teleskopik toplam alarak \[ \begin{aligned} r_i:=\sum_{j=1}^{m-1}b_{ij} &=a_{i1}-a_{i+1,1}-a_{im}+a_{i+1,m}\\ &=\sqrt{t_i-t_1}-\sqrt{t_{i+1}-t_1} -\sqrt{t_m-t_i}+\sqrt{t_m-t_{i+1}} \leq0 \end{aligned} \] elde ederiz. Son satırdaki iki fark da pozitif değildir.
Dolayısıyla, \[ \sum_{i,j=1}^{m-1}b_{ij}s_is_j = \sum_{i=1}^{m-1}r_i s_i^2 - \sum_{1\leq i<j\leq m-1}b_{ij}(s_i-s_j)^2 \leq0. \] Bu, (1) ile birlikte yardımcı önermeyi kanıtlar. \(\square\)
Şimdi yardımcı önermeyi şu \(2n\) sayıya ve katsayıya uygulayalım: \[ (t_1,\ldots,t_{2n}) =(x_1,\ldots,x_n,-x_1,\ldots,-x_n), \] \[ (c_1,\ldots,c_{2n}) =(\underbrace{1,\ldots,1}_{n}, \underbrace{-1,\ldots,-1}_{n}). \] Katsayıların toplamı sıfırdır. Katsayıların aynı işaretli olduğu iki terim grubunun her biri \(\sum_{i,j=1}^{n}\sqrt{|x_i-x_j|}\) katkısını yaparken, zıt işaretli olduğu iki grubun her biri \(-\sum_{i,j=1}^{n}\sqrt{|x_i+x_j|}\) katkısını yapar. Böylece yardımcı önerme \[ 2\sum_{i,j=1}^{n}\sqrt{|x_i-x_j|} - 2\sum_{i,j=1}^{n}\sqrt{|x_i+x_j|} \leq0, \] sonucunu verir; bu da istenen eşitsizliktir. Yardımcı önerme tekrarlanan ve sıfır değerlere izin verdiğinden bu durumlar da kapsanmıştır.
Çözüm, resmi IMO shortlist çözümleriyle karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 2021 · Problema 2
Probar que la desigualdad \[ \sum_{i=1}^{n}\sum_{j=1}^{n}\sqrt{|x_i-x_j|} \leqslant \sum_{i=1}^{n}\sum_{j=1}^{n}\sqrt{|x_i+x_j|} \] se satisface para cualquier elección de números reales \(x_1,\ldots,x_n\).
Texto oficial en español del problema. Enunciado oficial (PDF)
Solución
Demostraremos primero un lema elemental.
Lema. Si \(t_1,\ldots,t_m\) y \(c_1,\ldots,c_m\) son números reales con \(\sum_{i=1}^{m}c_i=0\), entonces \[ \sum_{i=1}^{m}\sum_{j=1}^{m}c_ic_j\sqrt{|t_i-t_j|}\leq 0. \]
Demostración. Reordenemos los pares \((t_i,c_i)\) de modo que \[ t_1\leq t_2\leq\cdots\leq t_m. \] Se permiten valores repetidos. El caso \(m=1\) es inmediato, así que supongamos \(m\geq2\).
Sea \[ a_{ij}=\sqrt{|t_i-t_j|}, \qquad s_0=0,\qquad s_i=\sum_{k=1}^{i}c_k. \] Así, \(s_m=0\) y \(c_i=s_i-s_{i-1}\). Para \(1\leq i,j\leq m-1\), definamos \[ b_{ij}=a_{ij}-a_{i+1,j}-a_{i,j+1}+a_{i+1,j+1}. \] Al desarrollar y usar \(s_0=s_m=0\), obtenemos \[ \sum_{i,j=1}^{m}c_ic_ja_{ij} = \sum_{i,j=1}^{m-1}b_{ij}s_is_j. \tag{1} \]
Demostraremos que la expresión cuadrática del miembro derecho es no positiva.
En primer lugar, \(b_{ij}=b_{ji}\), y \(b_{ij}\geq0\) siempre que \(i\ne j\). En efecto, para \(i<j\), sean \[ h=t_{i+1}-t_i,\qquad u=t_j-t_{i+1},\qquad v=t_{j+1}-t_j, \] todos ellos no negativos. Entonces \[ b_{ij} = \bigl(\sqrt{u+h}-\sqrt u\bigr) - \bigl(\sqrt{u+v+h}-\sqrt{u+v}\bigr) \geq0. \] Aquí hemos usado que, para un \(h\geq0\) fijo, la función \(\sqrt{u+h}-\sqrt u\) es no creciente para \(u\geq0\). Para \(h=0\) esto es inmediato; para \(h>0\), se deduce de \[ \sqrt{u+h}-\sqrt u =\frac{h}{\sqrt{u+h}+\sqrt u}. \]
En segundo lugar, la suma de cada fila de \((b_{ij})\) es no positiva. Por cancelación telescópica obtenemos \[ \begin{aligned} r_i:=\sum_{j=1}^{m-1}b_{ij} &=a_{i1}-a_{i+1,1}-a_{im}+a_{i+1,m}\\ &=\sqrt{t_i-t_1}-\sqrt{t_{i+1}-t_1} -\sqrt{t_m-t_i}+\sqrt{t_m-t_{i+1}} \leq0. \end{aligned} \] Ambas diferencias de la última línea son no positivas.
Por consiguiente, \[ \sum_{i,j=1}^{m-1}b_{ij}s_is_j = \sum_{i=1}^{m-1}r_i s_i^2 - \sum_{1\leq i<j\leq m-1}b_{ij}(s_i-s_j)^2 \leq0. \] Junto con (1), esto demuestra el lema. \(\square\)
Apliquemos ahora el lema a los \(2n\) números y coeficientes \[ (t_1,\ldots,t_{2n}) =(x_1,\ldots,x_n,-x_1,\ldots,-x_n), \] \[ (c_1,\ldots,c_{2n}) =(\underbrace{1,\ldots,1}_{n}, \underbrace{-1,\ldots,-1}_{n}). \] Los coeficientes suman cero. Los dos grupos de términos cuyos coeficientes tienen el mismo signo aportan cada uno \(\sum_{i,j=1}^{n}\sqrt{|x_i-x_j|}\), mientras que los dos grupos con signos opuestos aportan cada uno \(-\sum_{i,j=1}^{n}\sqrt{|x_i+x_j|}\). Por tanto, el lema da \[ 2\sum_{i,j=1}^{n}\sqrt{|x_i-x_j|} - 2\sum_{i,j=1}^{n}\sqrt{|x_i+x_j|} \leq0, \] que es la desigualdad requerida. El lema permite valores repetidos y nulos, por lo que estos casos quedan incluidos.
La solución se comprobó con las soluciones oficiales de la shortlist de la IMO.
IMO 2021 · 问题 2
对任意实数 \(x_1,\ldots,x_n\), 证明下述不等式成立: \[ \sum_{i=1}^{n}\sum_{j=1}^{n}\sqrt{|x_i-x_j|}\leqslant\sum_{i=1}^{n}\sum_{j=1}^{n}\sqrt{|x_i+x_j|}. \]
题目为官方中文译本。 官方试卷 (PDF)
解答
我们先证明一个初等引理。
引理。 若实数 \(t_1,\ldots,t_m\) 和 \(c_1,\ldots,c_m\) 满足 \(\sum_{i=1}^{m}c_i=0\),则 \[ \sum_{i=1}^{m}\sum_{j=1}^{m}c_ic_j\sqrt{|t_i-t_j|}\leq 0. \]
证明。 将数对 \((t_i,c_i)\) 重新排列,使得 \[ t_1\leq t_2\leq\cdots\leq t_m. \] 允许有重复的值。\(m=1\) 时结论显然成立,故以下假设 \(m\geq2\)。
令 \[ a_{ij}=\sqrt{|t_i-t_j|}, \qquad s_0=0,\qquad s_i=\sum_{k=1}^{i}c_k. \] 于是 \(s_m=0\),且 \(c_i=s_i-s_{i-1}\)。对 \(1\leq i,j\leq m-1\),定义 \[ b_{ij}=a_{ij}-a_{i+1,j}-a_{i,j+1}+a_{i+1,j+1}. \] 展开并利用 \(s_0=s_m=0\),得到 \[ \sum_{i,j=1}^{m}c_ic_ja_{ij} = \sum_{i,j=1}^{m-1}b_{ij}s_is_j. \tag{1} \]
我们将证明右端的二次式非正。
首先,\(b_{ij}=b_{ji}\),且当 \(i\ne j\) 时,\(b_{ij}\geq0\)。事实上,对 \(i<j\),令 \[ h=t_{i+1}-t_i,\qquad u=t_j-t_{i+1},\qquad v=t_{j+1}-t_j, \] 它们均非负。于是 \[ b_{ij} = \bigl(\sqrt{u+h}-\sqrt u\bigr) - \bigl(\sqrt{u+v+h}-\sqrt{u+v}\bigr) \geq0. \] 这里用到了如下事实:对固定的 \(h\geq0\),函数 \(\sqrt{u+h}-\sqrt u\) 在 \(u\geq0\) 上单调不增。当 \(h=0\) 时,这显然成立;当 \(h>0\) 时,这由 \[ \sqrt{u+h}-\sqrt u =\frac{h}{\sqrt{u+h}+\sqrt u}. \] 可得。
其次,\((b_{ij})\) 的每一行的元素之和均非正。逐项相消,得到 \[ \begin{aligned} r_i:=\sum_{j=1}^{m-1}b_{ij} &=a_{i1}-a_{i+1,1}-a_{im}+a_{i+1,m}\\ &=\sqrt{t_i-t_1}-\sqrt{t_{i+1}-t_1} -\sqrt{t_m-t_i}+\sqrt{t_m-t_{i+1}} \leq0. \end{aligned} \] 最后一行中的两个差均非正。
因此, \[ \sum_{i,j=1}^{m-1}b_{ij}s_is_j = \sum_{i=1}^{m-1}r_i s_i^2 - \sum_{1\leq i<j\leq m-1}b_{ij}(s_i-s_j)^2 \leq0. \] 结合 (1),引理得证。\(\square\)
现在,将引理应用于以下 \(2n\) 个数及其系数: \[ (t_1,\ldots,t_{2n}) =(x_1,\ldots,x_n,-x_1,\ldots,-x_n), \] \[ (c_1,\ldots,c_{2n}) =(\underbrace{1,\ldots,1}_{n}, \underbrace{-1,\ldots,-1}_{n}). \] 这些系数之和为零。系数同号的两组项,每组的和均为 \(\sum_{i,j=1}^{n}\sqrt{|x_i-x_j|}\),而系数异号的两组项,每组的和均为 \(-\sum_{i,j=1}^{n}\sqrt{|x_i+x_j|}\)。因此,由引理得 \[ 2\sum_{i,j=1}^{n}\sqrt{|x_i-x_j|} - 2\sum_{i,j=1}^{n}\sqrt{|x_i+x_j|} \leq0, \] 这就是所要证明的不等式。引理允许数值重复以及取零,因此也涵盖了这些情形。
解答已与 IMO 官方预选题(shortlist)解答核对。
IMO 2021 · Задача 2
Докажите, что для любых вещественных чисел \(x_1,\ldots,x_n\) выполняется неравенство \[ \sum_{i=1}^{n}\sum_{j=1}^{n}\sqrt{|x_i-x_j|}\leqslant\sum_{i=1}^{n}\sum_{j=1}^{n}\sqrt{|x_i+x_j|}. \]
Официальный русский текст задачи. Официальный текст задач (PDF)
Решение
Сначала докажем элементарную лемму.
Лемма. Если \(t_1,\ldots,t_m\) и \(c_1,\ldots,c_m\) — вещественные числа, причём \(\sum_{i=1}^{m}c_i=0\), то \[ \sum_{i=1}^{m}\sum_{j=1}^{m}c_ic_j\sqrt{|t_i-t_j|}\leq 0. \]
Доказательство. Перенумеруем пары \((t_i,c_i)\) так, чтобы \[ t_1\leq t_2\leq\cdots\leq t_m. \] Повторяющиеся значения допускаются. Случай \(m=1\) очевиден, поэтому будем считать, что \(m\geq2\).
Положим \[ a_{ij}=\sqrt{|t_i-t_j|}, \qquad s_0=0,\qquad s_i=\sum_{k=1}^{i}c_k. \] Тогда \(s_m=0\) и \(c_i=s_i-s_{i-1}\). Для \(1\leq i,j\leq m-1\) определим \[ b_{ij}=a_{ij}-a_{i+1,j}-a_{i,j+1}+a_{i+1,j+1}. \] Раскрывая скобки и используя \(s_0=s_m=0\), получаем \[ \sum_{i,j=1}^{m}c_ic_ja_{ij} = \sum_{i,j=1}^{m-1}b_{ij}s_is_j. \tag{1} \]
Покажем, что квадратичное выражение в правой части неположительно.
Во-первых, \(b_{ij}=b_{ji}\), и \(b_{ij}\geq0\) при \(i\ne j\). Действительно, для \(i<j\) положим \[ h=t_{i+1}-t_i,\qquad u=t_j-t_{i+1},\qquad v=t_{j+1}-t_j, \] причём все эти величины неотрицательны. Тогда \[ b_{ij} = \bigl(\sqrt{u+h}-\sqrt u\bigr) - \bigl(\sqrt{u+v+h}-\sqrt{u+v}\bigr) \geq0. \] Здесь мы воспользовались тем, что при фиксированном \(h\geq0\) функция \(\sqrt{u+h}-\sqrt u\) не возрастает при \(u\geq0\). При \(h=0\) это очевидно; при \(h>0\) это следует из равенства \[ \sqrt{u+h}-\sqrt u =\frac{h}{\sqrt{u+h}+\sqrt u}. \]
Во-вторых, сумма элементов каждой строки матрицы \((b_{ij})\) неположительна. После сокращения промежуточных слагаемых получаем \[ \begin{aligned} r_i:=\sum_{j=1}^{m-1}b_{ij} &=a_{i1}-a_{i+1,1}-a_{im}+a_{i+1,m}\\ &=\sqrt{t_i-t_1}-\sqrt{t_{i+1}-t_1} -\sqrt{t_m-t_i}+\sqrt{t_m-t_{i+1}} \leq0. \end{aligned} \] Обе разности в последней строке неположительны.
Следовательно, \[ \sum_{i,j=1}^{m-1}b_{ij}s_is_j = \sum_{i=1}^{m-1}r_i s_i^2 - \sum_{1\leq i<j\leq m-1}b_{ij}(s_i-s_j)^2 \leq0. \] Вместе с (1) это доказывает лемму. \(\square\)
Теперь применим лемму к следующим \(2n\) числам и коэффициентам: \[ (t_1,\ldots,t_{2n}) =(x_1,\ldots,x_n,-x_1,\ldots,-x_n), \] \[ (c_1,\ldots,c_{2n}) =(\underbrace{1,\ldots,1}_{n}, \underbrace{-1,\ldots,-1}_{n}). \] Сумма коэффициентов равна нулю. Каждая из двух групп слагаемых, в которых коэффициенты имеют одинаковые знаки, даёт \(\sum_{i,j=1}^{n}\sqrt{|x_i-x_j|}\), а каждая из двух групп с противоположными знаками даёт \(-\sum_{i,j=1}^{n}\sqrt{|x_i+x_j|}\). Поэтому из леммы следует \[ 2\sum_{i,j=1}^{n}\sqrt{|x_i-x_j|} - 2\sum_{i,j=1}^{n}\sqrt{|x_i+x_j|} \leq0, \] что и является требуемым неравенством. Лемма допускает повторяющиеся и нулевые значения, поэтому эти случаи также учтены.
Решение проверено по официальным решениям шортлиста IMO.
IMO 2021 · المسألة 2
أثبت أن المتباينة \[ \sum_{i=1}^{n}\sum_{j=1}^{n}\sqrt{|x_i-x_j|}\leqslant\sum_{i=1}^{n}\sum_{j=1}^{n}\sqrt{|x_i+x_j|} \] تتحقق لكل الأعداد الحقيقية \(x_1,\ldots,x_n\).
نص المسألة هو الترجمة العربية الرسمية. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الحل
نثبت أولاً لمّة أولية.
لمّة. إذا كانت \(t_1,\ldots,t_m\) و\(c_1,\ldots,c_m\) أعداداً حقيقية تحقق \(\sum_{i=1}^{m}c_i=0\)، فإن \[ \sum_{i=1}^{m}\sum_{j=1}^{m}c_ic_j\sqrt{|t_i-t_j|}\leq 0. \]
البرهان. نعيد ترتيب الأزواج \((t_i,c_i)\) بحيث \[ t_1\leq t_2\leq\cdots\leq t_m. \] يُسمح بتكرار القيم. الحالة \(m=1\) مباشرة، لذا نفترض أن \(m\geq2\).
نضع \[ a_{ij}=\sqrt{|t_i-t_j|}, \qquad s_0=0,\qquad s_i=\sum_{k=1}^{i}c_k. \] إذن \(s_m=0\) و\(c_i=s_i-s_{i-1}\). لكل \(1\leq i,j\leq m-1\)، نعرّف \[ b_{ij}=a_{ij}-a_{i+1,j}-a_{i,j+1}+a_{i+1,j+1}. \] بالتوسيع واستخدام \(s_0=s_m=0\)، نحصل على \[ \sum_{i,j=1}^{m}c_ic_ja_{ij} = \sum_{i,j=1}^{m-1}b_{ij}s_is_j. \tag{1} \]
سنبيّن أن العبارة التربيعية في الطرف الأيمن غير موجبة.
أولاً، \(b_{ij}=b_{ji}\)، و\(b_{ij}\geq0\) متى كان \(i\ne j\). بالفعل، عندما \(i<j\)، نضع \[ h=t_{i+1}-t_i,\qquad u=t_j-t_{i+1},\qquad v=t_{j+1}-t_j, \] وجميعها غير سالبة. وعندئذ \[ b_{ij} = \bigl(\sqrt{u+h}-\sqrt u\bigr) - \bigl(\sqrt{u+v+h}-\sqrt{u+v}\bigr) \geq0. \] استخدمنا هنا أن الدالة \(\sqrt{u+h}-\sqrt u\) غير متزايدة على \(u\geq0\) عند تثبيت \(h\geq0\). عندما \(h=0\) يكون ذلك مباشراً؛ وعندما \(h>0\)، فإنه ينتج من \[ \sqrt{u+h}-\sqrt u =\frac{h}{\sqrt{u+h}+\sqrt u}. \]
ثانياً، مجموع عناصر كل صف من \((b_{ij})\) غير موجب. باختزال الحدود المتتالية نحصل على \[ \begin{aligned} r_i:=\sum_{j=1}^{m-1}b_{ij} &=a_{i1}-a_{i+1,1}-a_{im}+a_{i+1,m}\\ &=\sqrt{t_i-t_1}-\sqrt{t_{i+1}-t_1} -\sqrt{t_m-t_i}+\sqrt{t_m-t_{i+1}} \leq0. \end{aligned} \] كلا الفرقين في السطر الأخير غير موجب.
وبالتالي، \[ \sum_{i,j=1}^{m-1}b_{ij}s_is_j = \sum_{i=1}^{m-1}r_i s_i^2 - \sum_{1\leq i<j\leq m-1}b_{ij}(s_i-s_j)^2 \leq0. \] وبالاقتران مع (1)، يثبت هذا اللمّة. \(\square\)
نطبّق الآن اللمّة على الأعداد والمعاملات الآتية، وعدد كل منها \(2n\): \[ (t_1,\ldots,t_{2n}) =(x_1,\ldots,x_n,-x_1,\ldots,-x_n), \] \[ (c_1,\ldots,c_{2n}) =(\underbrace{1,\ldots,1}_{n}, \underbrace{-1,\ldots,-1}_{n}). \] مجموع المعاملات يساوي صفراً. كل واحدة من مجموعتي الحدود التي لمعامليها الإشارة نفسها تسهم بمقدار \(\sum_{i,j=1}^{n}\sqrt{|x_i-x_j|}\)، بينما تسهم كل واحدة من المجموعتين ذواتي الإشارتين المتعاكستين بمقدار \(-\sum_{i,j=1}^{n}\sqrt{|x_i+x_j|}\). ومن ثم تعطينا اللمّة \[ 2\sum_{i,j=1}^{n}\sqrt{|x_i-x_j|} - 2\sum_{i,j=1}^{n}\sqrt{|x_i+x_j|} \leq0, \] وهي المتباينة المطلوبة. تسمح اللمّة بالقيم المكررة والصفرية، لذا تشمل هذه الحالات أيضاً.
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحلول الرسمية لقائمة IMO المختصرة.