Shortlist 2016, A8¶
Domaine : Algèbre · Difficulté : ★★★★★ · Proposé par : non indiqué
Concepts : Cauchy-Schwarz et lemme de Titu · Sommes, télescopage et transformation d'Abel
Solution officielle : Shortlist officielle 2016 (avec solutions), p. 27 (page 30 du PDF)
Pas encore relu
Les concepts et la rédaction de cette page n'ont pas encore été vérifiés.
Énoncé¶
Determine the largest real number \(a\) such that for all \(n \geq 1\) and for all real numbers \(x_0, x_1, \ldots, x_n\) satisfying \(0 = x_0 < x_1 < x_2 < \cdots < x_n\), we have
Indices : les idées clés
- Cauchy-Schwarz et lemme de Titu : sous la forme \(\frac{p^2}{u} + \frac{q^2}{v} \geq \frac{(p+q)^2}{u+v}\), appliquée à \(x_k = x_{k-1} + (x_k - x_{k-1})\) (solution 1), ou à \(y_1 + \cdots + y_k\) avec des poids \(\binom{j+1}{2}\) (solution 2).
- Sommes, télescopage et transformation d'Abel : les inégalités obtenues se somment en télescopant ; les sommes \(\sum \frac{1}{k(k+1)}\), \(\sum \frac{1}{k(k+2)}\) se calculent par décomposition.
- Cas d'égalité pour l'optimalité : la suite \(x_k = \frac{1}{3}k(k+1)(k+2)\) rend presque égales toutes les inégalités de Cauchy-Schwarz et montre que \(\frac{4}{9}\) ne peut pas être amélioré.
Solutions
Les solutions ci-dessous suivent les solutions officielles de la Shortlist 2016 (deux solutions).
Réponse. La plus grande valeur de \(a\) est \(\dfrac{4}{9}\).
On note (1) l'inégalité de l'énoncé.
Solution 1¶
\(a = \frac{4}{9}\) convient. Pour chaque \(2 \leq k \leq n\), l'inégalité de Cauchy-Schwarz donne
ce qui se réécrit
En sommant (2) pour \(k = 2, 3, \ldots, n\) et en ajoutant \(\frac{9}{x_1}\) aux deux membres, on obtient par télescopage (en utilisant \((k+2)^2 - k^2 = 4(k+1)\))
Cela prouve (1) pour \(a = \frac{4}{9}\).
\(a = \frac{4}{9}\) est optimal. Considérons la suite définie par \(x_0 = 0\) et \(x_k = x_{k-1} + k(k+1)\) pour \(k \geq 1\), c'est-à-dire \(x_k = \frac{1}{3}k(k+1)(k+2)\). Le membre de gauche de (1) vaut
tandis que le membre de droite vaut
Quand \(n\) tend vers l'infini, le membre de gauche tend vers \(1\) et le membre de droite vers \(\frac{9}{4}a\). Donc \(a \leq \frac{4}{9}\).
La plus grande valeur de \(a\) est donc \(\frac{4}{9}\). \(\blacksquare\)
Solution 2¶
Voici une autre façon d'établir (1) pour \(a = \frac{4}{9}\) (l'optimalité se vérifie comme dans la solution 1). Posons \(y_k = x_k - x_{k-1} > 0\) pour \(1 \leq k \leq n\). Par l'inégalité de Cauchy-Schwarz, pour \(1 \leq k \leq n\),
Comme \(\binom{k+2}{3} = \frac{k(k+1)(k+2)}{6}\), cela se réécrit
En sommant (3) pour \(k = 1, 2, \ldots, n\), on obtient
où, pour \(1 \leq m \leq n\), grâce à l'identité \(\frac{4}{k^2(k+1)(k+2)^2} = \frac{1}{k^2(k+1)^2} - \frac{1}{(k+1)^2(k+2)^2}\) et à un télescopage,
Comme \(x_k = y_1 + \cdots + y_k\), l'inégalité (4) montre que (1) est vraie pour \(a = \frac{4}{9}\). Cette valeur est aussi la borne optimale, comme on le vérifie de la même façon que dans la solution 1. \(\blacksquare\)