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番外 · 闲灯 / IMO Shortlist / S21 · inequality

2004 IMO Shortlist S21

题面据 IMO Shortlist 可核档案整理;中文题意为本站自译,公式请以原始来源为准。

IMO Shortlist 2004 S21 inequality

Let a1,a2,,an{a_1,a_2,\dots,a_n} be positive real numbers, n>1{n>1} . Denote by gng_n their geometric mean, and by A1,A2,,AnA_1,A_2,\dots,A_n the sequence of arithmetic means defined by Ak=a1+a2++akk,k=1,2,,n.A_k=\frac{a_1+a_2+\cdots+a_k}{k},\qquad k=1,2,\dots,n. Let GnG_n be the geometric mean of A1,A2,,AnA_1,A_2,\dots,A_n . Prove the inequality n\rootn\ofGnAn+gnGnn+1n \root n\of{\frac{G_n}{A_n}}+ \frac{g_n}{G_n}\le n+1 and establish the cases of equality.

*Proposed by Finbarr Holland, Ireland*

a1,a2,,an{a_1,a_2,\dots,a_n} 为正实数, n>1{n>1}gng_n 表示它们的几何平均值,A1,A2,,AnA_1,A_2,\dots,A_n 表示由 Ak=a1+a2++akk,k=1,2,,n定义的算术平均值序列。A_k=\frac{a_1+a_2+\cdots+a_k}{k},\qquad k=1,2,\dots,n 定义的算术平均值序列。GnG_nA1,A2,,AnA_1,A_2,\dots,A_n 的几何平均值。证明不等式$$

n \root n\of{\frac{G_n}{A_n}}+ \frac{g_n}{G_n}\le n+1 $$ 并建立相等的情况。

*由爱尔兰 Finbarr Holland 提议*

提示 1

先猜等号形状,再看同次性、归一化和每一项的量纲。

提示 2

试着把式子拆成均值、柯西、凸性、重排或切线法可处理的块。

提示 3

最后检查等号条件和边界情形是否都与题设兼容。

完整解答

这页先给题面、题型和提示阶梯,完整证明留给读者逐步展开。2004 年 IMO Shortlist S21 可先归入不等式:第一步把题设翻成对象、条件、目标三行;第二步沿提示寻找不变量、标准构型或关键变形;第三步补齐边界情形,并回到题目原要求核对。

这题适合先独立想一轮再打开提示。不要急着搜索完整解答,先问自己:题面里最硬的限制是哪一句?