Одно геометрическое неравенство
В «Кванте» №7 за этот год (с. 65) высказывалось следующее предположение:
209(ab+bc+ca)≤mamb+mbmc+mcma,
где a, b, c, ma, mb, mc — длины сторон и соответственно медиан произвольного треугольника.
Ниже приводится «геометрическое» доказательство этого утверждения.
Лемма 1. ma+mb+mc<a+b+c.
Лемма 2. a2+b2+c2<2(ab+ac+bc).
Лемма 3. ma2+mb2+mc2=43(a2+b2+c2).
Докажите эти леммы самостоятельно.
Лемма 4. mamb+mbmc+mamc<45(ab+bc+ac).
Доказательство. Согласно лемме 1, (ma+mb+mc)2<(a+b+c)2, т. е.
ma2+mb2+mc2+2mamb+2mbmc+2mamc<<(a2+b2+c2)+2ab+2bc+2ac,
откуда, в силу лемм 3 и 2:
2mamb+2mbmc+2mamc<41(a2+b2+c2)+2(ab+bc+ac)<25(ab+bc+ac),
что и требовалось доказать.
Лемма 5. Если в треугольнике со сторонами 31ma, 31mb и 31mc построить медианы, то их длины будут равны 41a, 41b и 41c.
Доказательство. Пусть G — центр тяжести треугольника ABC, AM, BK и CP — медианы, R — середина отрезка BG. По построению ∣RG∣=31mb, ∣PG∣=31mc, а PR — средняя линия в треугольнике ABG, откуда ∣PR∣=21∣AG∣=31ma. Таким образом, треугольник PRG — искомый. Проведём в нём медиану PQ. Она является средней линией в треугольнике ABK и, следовательно ∣PQ∣=21∣AK∣=41a.
Утверждение леммы доказано.
Применив теперь лемму 4 к треугольнику PRG, получим нужное неравенство.