代数 含解答

一道来自朝鲜的离散不等式问题

正文文字 223 字公式 43 处1 图

之前讲过很多次这道题,今天看AoPS才发现这是2016年朝鲜的国家队选拔考试题。

题目:

求最大的实数λ,使得对任意正整数n,和任意互不相同的正整数a_(1),a_(2),⋯,a_(n),均有

(∑_(k=1)^(n)(1)/(a_(k)))(∑_(k=1)^(n)√(a6k+a3k))−(∑_(k=1)^(n)a_(k))^(2)≥λn^(2)(n^(2)−1).
展开解答收起解答

分析与解答:

在n→+∞时,√(a6k+a3k)中的a3k可以忽略不计.于是

(∑_(k=1)^(n)(1)/(a_(k)))(∑_(k=1)^(n)√(a6k+a3k))−(∑_(k=1)^(n)a_(k))^(2);≥ (∑_(k=1)^(n)(1)/(a_(k)))(∑_(k=1)^(n)a3k)−(∑_(k=1)^(n)a_(k))^(2);

这里用Cauchy不等式可得≥0,但无法取得等号(a_(k)为不同正整数),于是考虑使用Lagrange恒等式,并进行化简:

(∑_(k=1)^(n)(1)/(a_(k)))(∑_(k=1)^(n)a3k)−(∑_(k=1)^(n)a_(k))^(2);= ∑_(1≤i<j≤n)⎛⎝⎜√((a3j)/(a_(i)))−√((a3i)/(a_(j)))⎞⎠⎟^(2);= ∑_(1≤i<j≤n)((a2i−a2j)^(2))/(a_(i)a_(j));= ∑_(1≤i<j≤n)((a_(i)+a_(j))^(2))/(a_(i)a_(j))⋅(a_(i)−a_(j))^(2);> ∑_(1≤i<j≤n)4(a_(i)−a_(j))^(2);

(注:以上放缩看似无法取等,但在n→+∞时是能够接近取等的.)

不妨设a_(1)<a_(2)<⋯<a_(n),由整数的离散性知:

a_(j)−a_(i)≥j−i

于是

∑_(1≤i<j≤n)4(a_(i)−a_(j))^(2);≥ 4∑_(1≤i<j≤n)(j−i)^(2);= 4⎛⎝n∑_(k=1)^(n)k^(2)−(∑_(k=1)^(n)k)^(2)⎞⎠;= (1)/(3)n^(2)(n^(2)−1);

于是λ=(1)/(3)时,不等式成立.

下证:λ≤(1)/(3),只需根据以上放缩过程,取一组a_(k),将不等式左边放大成常数.

取a_(i)=i+X(X为待定的自然数),注意到

a6k+a3k≤(a3k+(1)/(2))^(2)

于是

(∑_(k=1)^(n)(1)/(a_(k)))(∑_(k=1)^(n)√(a6k+a3k))−(∑_(k=1)^(n)a_(k))^(2);≤ (∑_(k=1)^(n)(1)/(a_(k)))(∑_(k=1)^(n)(a3k+(1)/(2)))−(∑_(k=1)^(n)a_(k))^(2);= ∑_(1≤i<j≤n)(4+((a_(i)−a_(j))^(2))/(a_(i)a_(j)))⋅(a_(i)−a_(j))^(2)+(n)/(2)⋅∑_(k=1)^(n)(1)/(a_(k));= 4∑_(1≤i<j≤n)(i−j)^(2)+∑_(1≤i<j≤n)((i−j)^(2))/(a_(i)a_(j))+(n)/(2)⋅∑_(k=1)^(n)(1)/(a_(k));

令X→+∞,可得

∑_(1≤i<j≤n)((i−j)^(2))/(a_(i)a_(j))+(n)/(2)⋅∑_(k=1)^(n)(1)/(a_(k))→0

于是

λn^(2)(n^(2)−1)≤4∑_(1≤i<j≤n)(i−j)^(2)=(n^(2)(n^(2)−1))/(3)

即λ≤(1)/(3),证毕.

留言

正常留言提交后可直接显示,无需人工审核;仍会经过防刷与垃圾内容过滤。请不要留下手机号等私人信息。解法、疑问都可以说;公式用 LaTeX:行内 $…$,整行 $$…$$。