Shortlist 2008, A5¶
Domaine : Algèbre · Difficulté : ★★☆☆☆ · Proposé par : non indiqué
Concepts : AM-GM et moyennes · Cauchy-Schwarz et lemme de Titu
Solution officielle : Shortlist officielle 2008 (avec solutions), p. 14 (page 15 du PDF)
Énoncé¶
Let \(a, b, c, d\) be positive real numbers such that
Prove that
Indices : les idées clés
- Moyenne pondérée : on montre que \(a + b + c + d\) est au plus une moyenne pondérée de \(\frac{a}{b} + \frac{b}{c} + \frac{c}{d} + \frac{d}{a}\) et de \(\frac{b}{a} + \frac{c}{b} + \frac{d}{c} + \frac{a}{d}\).
- AM-GM sur \(\frac{a}{b}, \frac{a}{b}, \frac{b}{c}, \frac{a}{d}\) : avec \(abcd = 1\), leur moyenne géométrique vaut \(a\).
- Version plus forte : l'inégalité de Hölder sur les lignes d'un tableau \(4 \times 4\) donne \(\left(\sum \frac{a}{b}\right)^3\left(\sum \frac{b}{a}\right) \geq (a + b + c + d)^4\).
Solutions
Les solutions ci-dessous suivent la solution officielle de la Shortlist 2008 (une solution et une remarque).
Solution¶
Montrons que si \(abcd = 1\), la somme \(a + b + c + d\) ne peut pas dépasser une certaine moyenne pondérée des expressions \(\frac{a}{b} + \frac{b}{c} + \frac{c}{d} + \frac{d}{a}\) et \(\frac{b}{a} + \frac{c}{b} + \frac{d}{c} + \frac{a}{d}\).
En appliquant l'inégalité arithmético-géométrique aux nombres \(\frac{a}{b}\), \(\frac{a}{b}\), \(\frac{b}{c}\) et \(\frac{a}{d}\), on obtient
De même,
En sommant ces estimations, on obtient
En particulier, si \(a + b + c + d > \frac{a}{b} + \frac{b}{c} + \frac{c}{d} + \frac{d}{a}\), alors \(a + b + c + d < \frac{b}{a} + \frac{c}{b} + \frac{d}{c} + \frac{a}{d}\). \(\blacksquare\)
Remarque¶
L'estimation de la solution ci-dessus s'obtient en appliquant l'inégalité arithmético-géométrique à chaque colonne du tableau \(4 \times 4\)
et en additionnant les inégalités obtenues. Le même tableau donne une borne plus forte : si \(a, b, c, d > 0\) et \(abcd = 1\), alors
Il suffit d'appliquer l'inégalité de Hölder aux suites des quatre lignes, avec les poids \(1/4\) :