Shortlist 2016, A1¶
Domaine : Algèbre · Difficulté : ★☆☆☆☆ · Proposé par : non indiqué
Concepts : AM-GM et moyennes · Convexité, inégalité de Jensen, lissage
Solution officielle : Shortlist officielle 2016 (avec solutions), p. 11 (page 14 du PDF)
Énoncé¶
Let \(a\), \(b\) and \(c\) be positive real numbers such that \(\min\{ab, bc, ca\} \geq 1\). Prove that
Indices : les idées clés
- Lemme à deux variables : si \(xy \geq 1\), alors \((x^2+1)(y^2+1) \leq \left(\left(\frac{x+y}{2}\right)^2 + 1\right)^2\), grâce à l'identité \((x^2+1)(y^2+1) = (xy-1)^2 + (x+y)^2\).
- Ajouter une quatrième variable (solution 1) : avec \(d = \frac{a+b+c}{3}\), on applique le lemme aux paires \((a, d)\), \((b, c)\), puis aux deux moyennes.
- AM-GM : vérifie que les produits restent \(\geq 1\), condition du lemme.
- Convexité, Jensen et lissage (solution 2 et remarque) : \(f(x) = \ln(1+x^2)\) est concave sur \([1, +\infty[\).
Solutions
Les solutions ci-dessous suivent les solutions officielles de la Shortlist 2016 (deux solutions et une remarque).
Solution 1¶
Lemme. Pour tous réels \(x, y > 0\) avec \(xy \geq 1\),
Preuve. Comme \(xy \geq 1\), on a \(\left(\frac{x+y}{2}\right)^2 - 1 \geq xy - 1 \geq 0\) (par AM-GM). Donc
Preuve de l'inégalité. Sans perte de généralité, \(a \geq b \geq c\). Alors \(a^2 \geq ab \geq 1\), donc \(a \geq 1\). Posons \(d = \frac{a+b+c}{3}\). On a
car \(a^2 \geq 1\), \(ab \geq 1\) et \(ac \geq 1\). On peut donc appliquer (2) à la paire \((a, d)\) et à la paire \((b, c)\) :
Ensuite, par AM-GM,
donc on peut appliquer (2) à la paire \(\left(\frac{a+d}{2}, \frac{b+c}{2}\right)\), dont la moyenne vaut \(\frac{a+b+c+d}{4} = \frac{3d + d}{4} = d\). Avec (3), on obtient
Donc \((a^2+1)(b^2+1)(c^2+1) \leq (d^2+1)^3\), et l'inégalité demandée
s'obtient en prenant la racine cubique. \(\blacksquare\)
Solution 2¶
Posons \(f(x) = \ln(1 + x^2)\). L'inégalité (1) équivaut à
et le lemme (2) de la solution 1 s'écrit
Sans perte de généralité, \(a \geq b \geq c\). D'après le lemme (appliqué à \((b, c)\), avec \(bc \geq 1\)),
Remarquons que \(a \geq 1\) et \(\frac{b+c}{2} \geq \sqrt{bc} \geq 1\). Comme
la fonction \(f\) est concave sur \([1, +\infty[\). L'inégalité de Jensen donne alors
ce qui achève la preuve. \(\blacksquare\)
Remarques¶
Remarque 1 (lissage). Une fois le lemme établi, on peut aussi obtenir (1) par lissage (mélange des variables). La fonction en jeu est clairement continue ; il suffit donc de vérifier que la condition « produits deux à deux \(\geq 1\) » est préservée à chaque étape de lissage. C'est le cas, car si \(ab, bc, ca \geq 1\), alors