Maths Olympiad Prep

Library / Russian Mathematical Olympiad /22 of 141

Russian Mathematical Olympiad

Algebra Difficulty 5.4 AIME, harder Prove it Russia

Real numbers aa, bb and cc satisfy the conditions
(a+b)(b+c)(c+a)=abc,(a3+b3)(b3+c3)(c3+a3)=a3b3c3. (a + b)(b + c)(c + a) = abc, \\ (a^3 + b^3)(b^3 + c^3)(c^3 + a^3) = a^3b^3c^3.
Prove that abc=0abc = 0.

Solution

Заметим сначала, что для любых различных чисел xx и yy выполняется неравенство
x2−xy+y2>∣xy∣(1) x^2 - xy + y^2 > |xy| \quad (1)
В самом деле, если ∣xy∣=xy|xy| = xy, то неравенство (1) равносильно неравенству (x−y)2>0(x - y)^2 > 0, которое верно; если же ∣xy∣=−xy|xy| = -xy, то (1) равносильно неравенству x2+y2>0x^2 + y^2 > 0.

Предположим, что abc≠0abc \neq 0. Тогда, разделив второе равенство на первое, мы получаем
(a2−ab+b2)(b2−bc+c2)(c2−ca+a2)=a2b2c2=∣ab∣⋅∣bc∣⋅∣ac∣.(a^2 - ab + b^2)(b^2 - bc + c^2)(c^2 - ca + a^2) = a^2b^2c^2 = |ab| \cdot |bc| \cdot |ac|.
Однако все скобки слева и все сомножители справа положительны; при этом каждый сомножитель слева не меньше соответствующего сомножителя справа. Тогда равенство может достигаться лишь тогда, когда все эти три неравенства обращаются в равенства, т. е. когда a=b=ca = b = c. В этом случае первое равенство из условия принимает вид 8a3=a38a^3 = a^3, что невозможно при a≠0a \neq 0. Значит, наше предположение неверно, и abc=0abc = 0.

Want a route through all this instead of an archive? The track puts 2,604 problems in a working order, from Junior Challenge level to the IMO shortlist.

Source: MathNet, licensed CC-BY-4.0. Statement reproduced verbatim; metadata (topic, difficulty) added by this project.