Квант
Математический кружок

Упорядоченные наборы чисел и неравенства

Пинтер Л., Хегедыш Й.

14

Упорядоченные наборы чисел и неравенства

Л. ПИНТЕР, И. ХЕГЕДЫШ

Родители Коли хранят бумажные деньги в конвертах. Однажды они достали три конверта и положили их перед ним. В одном из конвертов лежали рублей, в другом — трешки, а в третьем — пятерки. Родители попросили Коли вытащить из одного из конвертов две, из другого три, а из оставшегося конверта четыре бумажки.

Как Коле выбрать конверты, чтобы получить наиболее возможную сумму, и как — чтобы набрать сумму, наиболее возможную из возможных? Что бы найти набранную сумму при производном выборе конвертов, нужно в таблицу 1 в нижнюю строку вместе вопросительных знаков поставить числа 2, 3, 4 в соответствующем порядке, затем взять произведение чисел по столбцам и сложить их.

Таблица 1

1? 3? 5?

Таблица 1

Если Коля хочет набрать наиболее возможную сумму, то он должен вытащить четыре бумажки из конверта с пятерками, три бумажки из конверта с трешки и две бумажки из конверта с рублями:

5⋅4+3⋅3+1⋅2=31.5 \cdot 4 + 3 \cdot 3 + 1 \cdot 2 = 31.

Если Коля хочет набрать наиболее возможную сумму, то он должен вытащить наиболее возможные число бумажек, то есть две, из конверта с пятерками, три — из конверта с трешки и четыре — из конверта с рублями, то есть

5⋅2+3⋅3+1⋅4=23.5 \cdot 2 + 3 \cdot 3 + 1 \cdot 4 = 23.

Упорядоченные тройки

В обшем виде эту задачу можно сформировать так. Пусть данные тройки положительных чисел

a1,a2,a3,a_1, a_2, a_3,

b1,b2,b3.b_1, b_2, b_3.

Рассмотрим сумму

S=a1bi+a2bj+a3bk,S = a_1 b_i + a_2 b_j + a_3 b_k,

где i,j,ki, j, k — это числа 1, 2, 3, написанные в каком уголно порядке. Как выбрать этот порядок, чтобы сумма SS оказалась наиболее возможной (соответственно наиболее возможной) из возможных?

Ясно, что если наиболее из чисел aa умножить на наиболее из чисел bb, среднее из чисел aa на среднее из чисел bb и наконец наименование из чисел aa наименование из чисел bb и сложить эти произведение, то получится максимальное из возможных значения SS (если среднее из чисел aa или среднее из чисел bb имеются равные, то это максимальное значение SS получается не единственным способом). Если же наиболее из чисел aa умножить на наиболее из чисел bb, среднее — на среднее и т. д., то получаем наиболее возможное значение SS.

Пользовать этим методом, можно просто решить задачу M762 (см. «Квант», 1982, № 9)*.

Докажите, что для любых положительных чисел a,b,ca, b, c справедливые неравенства:

a+b+c≤a2+b22c+a + b + c \leq \frac{a^2 + b^2}{2c} +

+b2+c22a+c2+a22b≤a3bc+b3ca+c3ab.(1)+ \frac{b^2 + c^2}{2a} + \frac{c^2 + a^2}{2b} \leq \frac{a^3}{bc} + \frac{b^3}{ca} + \frac{c^3}{ab}. \quad (1)

Докажем сначала первое неравенство. Запишем две тройки чисел

a2,b2,c2,a^2, b^2, c^2,

1a,1b,1c.\frac{1}{a}, \frac{1}{b}, \frac{1}{c}.

Поскольку числа a,b,ca, b, c положительные, наиболее из чисел первого тройки расположено над наиболее из чисел второго тройки, наиболее из чисел первого тройки расположено над наиболее из чисел

15

второй тройки. Поэтому для данных троек сумма

a2⋅1a+b2⋅1b+c2⋅1ca^2 \cdot \frac{1}{a} + b^2 \cdot \frac{1}{b} + c^2 \cdot \frac{1}{c}

является минимальной, и следовательно,

a21a+b21b+c21c≤a21b+b21c+c21a,a^2 \frac{1}{a} + b^2 \frac{1}{b} + c^2 \frac{1}{c} \leq a^2 \frac{1}{b} + b^2 \frac{1}{c} + c^2 \frac{1}{a},

(2)

a21a+b21b+c21c≤a21c+b21a+c21b.a^2 \frac{1}{a} + b^2 \frac{1}{b} + c^2 \frac{1}{c} \leq a^2 \frac{1}{c} + b^2 \frac{1}{a} + c^2 \frac{1}{b}.

(3)

Складывая неравенства (2) и (3), получим:

2(a+b+c)≤a21b+b21c+c21a+a21c+b21a+c21b=a2+b2c+b2+c2a+c2+a2b.2(a+b+c) \leq a^2 \frac{1}{b} + b^2 \frac{1}{c} + c^2 \frac{1}{a} + a^2 \frac{1}{c} + b^2 \frac{1}{a} + c^2 \frac{1}{b} = \frac{a^2+b^2}{c} + \frac{b^2+c^2}{a} + \frac{c^2+a^2}{b}.

Чтобы получить второе из неравенств (1), рассмотрим тройки чисел

a3,b3,c3,a^3, b^3, c^3,

aabc,babc,cabc.\frac{a}{abc}, \frac{b}{abc}, \frac{c}{abc}.

Под наиболее (соответственно наиболее) из чисел первой тройки записано наиболее (наименьшее) число второй тройки. Поэтому

a3aabc+b3babc+c3cabc≥a3babc+b3cabc+c3aabc+b3cabc+c3aabc+c3babc=a2c+b2a+c2b,a^3 \frac{a}{abc} + b^3 \frac{b}{abc} + c^3 \frac{c}{abc} \geq a^3 \frac{b}{abc} + b^3 \frac{c}{abc} + c^3 \frac{a}{abc} + b^3 \frac{c}{abc} + c^3 \frac{a}{abc} + c^3 \frac{b}{abc} = \frac{a^2}{c} + \frac{b^2}{a} + \frac{c^2}{b},

(4)

a3aabc+b3babc+c3cabc≥a3cabc+b3aabc+c3babc+c3aabc+c3babc=a2c+b2a+c2b,a^3 \frac{a}{abc} + b^3 \frac{b}{abc} + c^3 \frac{c}{abc} \geq a^3 \frac{c}{abc} + b^3 \frac{a}{abc} + c^3 \frac{b}{abc} + c^3 \frac{a}{abc} + c^3 \frac{b}{abc} = \frac{a^2}{c} + \frac{b^2}{a} + \frac{c^2}{b},

(5)

Складывая неравенства (4) и (5), получаем

2(a3bc+b3ca+c3ab)≥a2c+b2a+c2b+b2c+c2a,2\left(\frac{a^3}{bc} + \frac{b^3}{ca} + \frac{c^3}{ab}\right) \geq \frac{a^2}{c} + \frac{b^2}{a} + \frac{c^2}{b} + \frac{b^2}{c} + \frac{c^2}{a},

+c2a=a2+b2c+b2+c2a+c2+a2b,+ \frac{c^2}{a} = \frac{a^2+b^2}{c} + \frac{b^2+c^2}{a} + \frac{c^2+a^2}{b},

что и требовалось.

Упражнения
Доказите неравенства:

  1. a4+b4≥a3b+ab3a^4 + b^4 \geq a^3 b + ab^3.
  2. a3b+b3c+c3a≥a2bc+b2ca+c2aba^3 b + b^3 c + c^3 a \geq a^2 bc + b^2 ca + c^2 ab.
  3. a3bc+a3cb+b3ac+c3ba≥6abc\frac{a^3 b}{c} + \frac{a^3 c}{b} + \frac{b^3 a}{c} + \frac{c^3 b}{a} \geq 6abc (здеся a>0,b>0,c>0a > 0, b > 0, c > 0).
  4. Если a1≥a2≥a3≥a4,b1≥b2≥b3a_1 \geq a_2 \geq a_3 \geq a_4, b_1 \geq b_2 \geq b_3, то 3(a1b1+a2b2+a3b3)≥(a1+a2+a3)(b1+b2+b3)3(a_1 b_1 + a_2 b_2 + a_3 b_3) \geq (a_1 + a_2 + a_3)(b_1 + b_2 + b_3).
  5. Если a>0,b>0,c>0a > 0, b > 0, c > 0, то

ab+c+ba+c+ca+b≥32.\frac{a}{b+c} + \frac{b}{a+c} + \frac{c}{a+b} \geq \frac{3}{2}.

Некоторые обобщения

Пусть теперь даны набора из nn чисел

a1≥a2≥a3≥...≥an,a_1 \geq a_2 \geq a_3 \geq ... \geq a_n,

b1≥b2≥b3≥...≥bn.b_1 \geq b_2 \geq b_3 \geq ... \geq b_n.

Рассмотрим всевозможные суммы вида ii σ=a1b1+a2b2+...+anbn\sigma = a_1 b_1 + a_2 b_2 + ... + a_n b_n, где i1,i2,...,ini_1, i_2, ..., i_n — некоторая перестановка чисел 1, 2, …, nn.

Число таких сумм конечно, и поэтому среди них есть наиболее SS и наиболее ss. Нетрудно сообщать, что S=a1b1+a2b2+...+anbnS = a_1 b_1 + a_2 b_2 + ... + a_n b_n, а s=a1bn+a2bn−1+...+anb1s = a_1 b_n + a_2 b_n - 1 + ... + a_n b_1.

Докажем это. Предварительно заметим, что для любых четырех чисел a,b,c,da, b, c, d таких, что a≥ba \geq b и c≥dc \geq d, выполено неравенство

ac+bd≥ad+bc,ac + bd \geq ad + bc,

(*) которое равенство очевидному неравенству

(a−b)(c−d)≥0.(a - b)(c - d) \geq 0.

После этого заменяя наше утверждение доказывается без труда. В самом деле, если в некоторой сумме σ\sigma имеются следующие aebqa_e b_q и akbpa_k b_p, для которых e<k,q>pe < k, q > p, то есть bp≥bqb_p \geq b_q, то, переставив числа bpb_p и bqb_q, мы получим не меньшую сумму σ′\sigma' со следующими aebpa_e b_p и akbqa_k b_q.

Послеовательно проводя такие перестановки, мы приедем к сумме SS, поэтому S≥σS \geq \sigma.

Аналогично, если bq≥bpb_q \geq b_p, то, меняя эти числа местами, получим сумму, не больше σ\sigma.

Так как в результате нескольких перестановок мы можем прийти к сумме ss, то σ≥s\sigma \geq s.

Итак, для всякой суммы σ\sigma

s≤σ≤S,s \leq \sigma \leq S,

(B)

причем равенство (B) возможно лишь тогда, когда в одном из наборов a1,...,an, либо b1,...,bna_1, ..., a_n, \text{ либо } b_1, ..., b_n есть равные числа.

Подводя итоги, можно сформулировать общий метод доказательства неравенства: если наборы чисел a1,a2,...,ana_1, a_2, ..., a_n и b1,b2,...,bnb_1, b_2, ..., b_n одинаково упорядочены (то есть из ak≥ala_k \geq a_l следует, что bk≥blb_k \geq b_l), то a1b1+a2b2+...+...+anbn≥a1b1+a2b2+...+...+anbna_1 b_1 + a_2 b_2 + ... + ... + a_n b_n \geq a_1 b_1 + a_2 b_2 + ... + ... + a_n b_n, (здеся i1,i2,...,ini_1, i_2, ..., i_n — произвольная перестановка номеров 1, 2, …, nn).