Problema : dimostrare che, presi tre numeri {a,b,c} in R+,
allora vale la seguente disuguaglianza :
a b c
------------ + ------------ + ------------ >= 1
rad(a^2+8bc) rad(b^2+8ac) rad(c^2+8ab)
Se poniamo
a
f(a,b,c) = ------------
rad(a^2+8bc)
notiamo che l'intera disuguaglianza può essere
riscritta come SOMMATORIA CICLICA
cyclosum{a,b,c} f(a,b,c) >= 1
questa particolarità notevole indica sicuramente
che uguagliare i tre termini del membro sinistro
della disuguaglianza iniziale ci permette di trovare
un punto di minimo o di massimo della sommatoria
ciclica. Ponendo a=b=c si ottiene infatti l'identità,
mentre altre combinazioni arbitrarie conducono sempre
alla disuguaglianza cyclosum > 1. Un discorso del genere
è indubbiamente efficace ma privo di rigore, per
ovviare a questa pecca vi è necessità di ricorrere
ad alcune disuguaglianze notevoli nel campo delle MEDIE,
e di modificare opportunamente la "forma" della
nostra disuguaglianza tramite sostituzioni.
Se g è nel campo dei numeri relativi, e [x[1],x[2],...,x[n]]
è un set di numeri reali, definiamo la MEDIA di GRADO g del
set di numeri X come
M[g] {x[1];x[2];...;x[n]} = [(sum[j=1..n] x[j]^g)/n] ^ (1/g)
per M[0] assumiamo convenzionalmente
M[0] {x[1];x[2];...;x[n]} = (prod[j=1..n] x[j]) ^ (1/n)
il teorema fondamentale riguardante le medie dice che :
--- [A] Se a e b sono due numeri relativi tali che a>b,
--- e [x[1],x[2],...,x[n]] è un set di numeri reali,
--- allora
---
--- M[a] {x[1],..,x[n]} >= M[b] {x[1],..,x[n]}
---
--- e l'uguaglianza vale solo nel caso che
---
--- x[1] = x[2] = ... = x[n]
riguardo M[0] è facile constatare che
---
--- [B] M[0] {x[1]^k,x[2]^k,..,x[n]^k} = ( M[0] {x[1];..;x[n]} )^k
---
altre constatazioni importanti derivano dalla
convessità della funzione M[0] : procediamo con ordine.
M[0]{x-1;y-1} <= M[0]{x,y} 1 infatti elevando al quadrato e semplificando si ha x + y>= 2 rad(xy)
elevando nuovamente alla seconda si ottiene
(x-y)^2 >= 0
analoga la generalizzazione ai tre termini,
che ci porta a concludere che
---
--- [C] M[0]{x-1;y-1;z-1} <= M[0]{x;y;z} 1 [C] M[0]{x+1;y+1;z+1}>= M[0]{x;y;z} + 1
---
Riprendiamo ora la disuguaglianza iniziale
a b c
------------ + ------------ + ------------ >= 1
rad(a^2+8bc) rad(b^2+8ac) rad(c^2+8ab)
e permutiamo le variabili, ponendo
bc/a^2 = x
ac/b^2 = y
ab/c^2 = 1/xy
1 1 1
--------- + --------- + ----------- >= 1
rad(1+8x) rad(1+8y) rad(1+8/xy)
operando le trasformazioni
rad(1+8x) = u
rad(1+8y) = v
rad(1+8/xy) = z
il problema può essere riformulato come segue :
Dati tre numeri reali positivi u,v,z ,
ognuno di essi maggiore o uguale a 1, e tali che
(u^2 - 1)(v^2 - 1)(z^2 - 1) = 512
dimostrare che è necessariamente
1 1 1
- + - + - >= 1
u v z
La condizione iniziale può essere riscritta come
M[0](u^2-1;v^2-1;z^2-1) = 8
il che implica, per il lemma [C]
M[0](u^2;v^2;z^2) >= 9
utilizzando il lemma [B] otteniamo
M[0](u;v;z) >= 3
usiamo ancora [C]
M[0](u+1;v+1;z+1) >= M[0](u;v;z) + 1 >= 4
dunque
--- [D]
--- (u+1)(v+1)(z+1) >= 64
---
M[0](u;v;z) >= 3
diviene, sfruttando la [A]
M[1](u;v;z) >= 3
ovvero
--- [E]
--- (u+v+z-1) >= 8
---
Moltiplicando [D] ed [E] otteniamo
(u+v+z-1)(u+1)(v+1)(z+1) >= 512
sfruttando la condizione iniziale riscriviamo come
(u+v+z-1) >= (u-1)(v-1)(z-1)
uv + uz + vz >= uvz
dividendo omogeneamente per uvz otteniamo
1 1 1
- + - + - >= 1
u v z
che è appunto ciò che dovevamo dimostare.