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.