«Квант» — научно-популярный физико-математический журнал (издаётся с 1970 года)
Старый сайт журнала: kvant.ras.ru

Задача М1228

Условие задачи (1990, № 6) Задача М1228 // Квант. — 1990. — № 6. — Стр. 28; 1990. — № 11. — Стр. 25.

Докажите для любых положительных чисел $a$‍,$b$‍,$c$‍,‍ не больших 1, неравенство $$ \dfrac a{bc+1}+\dfrac b{ca+1}+\dfrac c{ab+1}\le2. $$

Д. В. Фомин


Изображения страниц

Решение задачи (1990, № 11) Задача М1228 // Квант. — 1990. — № 6. — Стр. 28; 1990. — № 11. — Стр. 25.

Приведём два решения. Первое — чисто алгебраическое, второе — скорее аналитическое. Заметим сразу, что поскольку $a$‍,$b$‍,$c$‍‍ входят в условие совершенно симметрично, можно считать, что $0\le a\le b\le c\le1$‍.

1. Так как $(1-a)(1-b)\ge0$‍,‍ то $a+b\le1+ab\le1+2ab$‍.‍ Следовательно, $$ a+b+c\le a+b+1\le2+2ab. $$ Поскольку $1+ab\le1+ac\le1+bc$‍,‍ $$ \dfrac a{bc+1}+\dfrac b{ac+1}+\dfrac c{ab+1}\le\dfrac{a+b+c}{1+ab}\le2.\tag{*} $$

$ \begin{aligned} f(x)&=kx-\sum\limits_i\dfrac{p_i}{q_ix+r},\\ f'(x)&=k-\sum\limits_i\dfrac{p_iq_i}{(q_ix+r)^2} \end{aligned} $‍
$ \colsep{12pt}{\begin{array}{cccc} a&b&c&F\\[9pt] 0&0&1&1\\ 0&1&1&2\\ 1&1&1&\dfrac32 \end{array}} $‍

2. Рассмотрим левую часть неравенства (*) как функцию $F(a)$‍‍ на отрезке $0\le a\le b$‍.‍ Её наибольшее значение достигается в одном из концов отрезка, поскольку она «выпукла вниз» — её производная по $a$‍‍ возрастает на этом отрезке. Так будет для любой функции $y=f(x)$‍,‍ являющейся суммой функций вида $y=kx$‍‍ и $y=\dfrac p{qx+r}$‍‍ с положительными $k$‍,$p$‍,$q$‍,$r$‍‍ при $x\gt0$‍‍ (см. рисунок). Таким образом, $F$‍‍ не превосходит одной из величин, получающихся при $a=0$‍‍ и $a=b$‍:$b+c$‍‍ или $\dfrac{2b}{bc+1}+\dfrac c{b^2+1}$‍.‍ По условию, $b+c\le2$‍;‍ второе выражение как функция от $c$‍‍ на отрезке $b\le c\le1$‍‍ не превосходит одной из величин: $$ \begin{gather*} \dfrac{2b}{b^2+1}+\dfrac b{b^2+1}\le\dfrac{3b}{b^2+1}\le\dfrac32\quad\text{или}\\ \dfrac{2b}{b+1}+\dfrac1{b^2+1}=2-\dfrac{2b^2-b+1}{(b+1)(b^2+1)}\le2. \end{gather*} $$

Можно несколько изменить рассуждения во втором решении, рассматривая функцию $F$‍‍ сразу на всём «кубе» $0\le a\le1$‍,$0\le b\le1$‍,$0\le c\le1$‍.‍ Из сказанного ясно, что максимум функции $F$‍‍ достигается в вершинах куба, т. е. в точках, где $a$‍,$b$‍,$c$‍‍ равны 0 или 1. Небольшой перебор показывает, что в этих точках $F\le2$‍‍ (см. табличку на полях), причём $F=2$‍‍ только, если одно из чисел $a$‍,$b$‍,$c$‍‍ равно 0 и два другие равны 1 (это можно увидеть и из первого решения).

Д. В. Фомин, Н. Б. Васильев


Метаданные Задача М1228 // Квант. — 1990. — № 6. — Стр. 28; 1990. — № 11. — Стр. 25.

Предмет
Математика
Условие
Решение
,
Номера

1990. — № 6. — Стр.  [условие]

1990. — № 11. — Стр.  [решение]

Описание
Задача М1228 // Квант. — 1990. — № 6. — Стр. 28; 1990. — № 11. — Стр. 25.
Ссылка
https://www.kvant.digital/problems/m1228/