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Algebra · real student question

正の実数 a, b, c に対して、P = (a/(a+b))⁴ + (b/(b+c))⁴ + (c/(c+a))⁴ の最小値を求めよ。

Question

a,b,ca,b,c を正の実数とする。次の最小値を求めよ。P=(aa+b)4+(bb+c)4+(cc+a)4.P=\left(\frac{a}{a+b}\right)^4+\left(\frac{b}{b+c}\right)^4+\left(\frac{c}{c+a}\right)^4.

Step-by-step solution

  1. 変数を取り替えて条件を露わにする。 u=bau=\dfrac{b}{a}、v=cbv=\dfrac{c}{b}、w=acw=\dfrac{a}{c} と置くと、uvw=1uvw=1 が自動的に成り立つ。すると x=aa+b=11+u,y=11+v,z=11+w,P=x4+y4+z4.x=\frac{a}{a+b}=\frac{1}{1+u},\quad y=\frac{1}{1+v},\quad z=\frac{1}{1+w},\qquad P=x^4+y^4+z^4.

  2. 等号成立の場合を推測する。 a=b=ca=b=c とすると x=y=z=12x=y=z=\tfrac12 となり、P=3(12)4=316.P=3\left(\frac12\right)^4=\frac{3}{16}. である。残る仕事は、これを下回る配置が存在しないことを示すことである。

  3. 2 乗和を経由して下から評価する。 x2,y2,z2x^2,y^2,z^2 にべき平均不等式を適用すると、x4+y4+z4≥(x2+y2+z2)23.x^4+y^4+z^4\ge\frac{\left(x^2+y^2+z^2\right)^2}{3}. となる。よって x2+y2+z2≥34x^2+y^2+z^2\ge\tfrac34 を示せば十分である。(x+y+z≥32x+y+z\ge\tfrac32 という魅力的な近道は端的に偽である——a=1,b=2,c=4a=1,b=2,c=4 とすると 1.46671.4667 になる——ので、1 乗ではなく 2 乗のほうが下から抑えるべき量である。)

  4. 2 変数の補題を使う。 すべての u,v>0u,v>0 に対して 1(1+u)2+1(1+v)2≥11+uv,\frac{1}{(1+u)^2}+\frac{1}{(1+v)^2}\ge\frac{1}{1+uv}, が成り立つ。分母を払うと恒等式 (uv−1)2+uv(u−v)2≥0(uv-1)^2+uv(u-v)^2\ge 0 が残るからである。

  5. uv=1/wuv=1/w として適用する。 補題から x2+y2≥11+1/w=w1+w=1−zx^2+y^2\ge\dfrac{1}{1+1/w}=\dfrac{w}{1+w}=1-z が得られるので、x2+y2+z2≥1−z+z2=(z−12)2+34≥34.x^2+y^2+z^2\ge 1-z+z^2=\left(z-\frac12\right)^2+\frac34\ge\frac34.

  6. まとめて確認する。 したがって P≥(3/4)23=316,P\ge\frac{(3/4)^2}{3}=\frac{3}{16}, であり、等号が成り立つのはちょうど z=12z=\tfrac12 かつ u=vu=v のとき、すなわち a=b=ca=b=c のときである。ランダムな初期値 200200 通りからの数値的な大域探索でも、a:b:c=1:1:1a:b:c=1:1:1 で下限 0.18750.1875 に落ち着く。

Answer

Pmin⁡=316, 等号は a=b=c のときP_{\min}=\frac{3}{16},\ \text{等号は }a=b=c\text{ のとき}

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