Maths Olympiad Prep

Library / /17 of 57

Algebra Difficulty 6.2 National olympiad Prove it Russia

For every positive numbers xx, yy, zz prove the inequality
x+1y+1+y+1z+1+z+1x+1xy+yz+zx. \frac{x+1}{y+1} + \frac{y+1}{z+1} + \frac{z+1}{x+1} \le \frac{x}{y} + \frac{y}{z} + \frac{z}{x}.

Даны положительные числа xx, yy, zz. Докажите неравенство
x+1y+1+y+1z+1+z+1x+1xy+yz+zx. \frac{x+1}{y+1} + \frac{y+1}{z+1} + \frac{z+1}{x+1} \le \frac{x}{y} + \frac{y}{z} + \frac{z}{x}.

Solution

Заметим, что a+1b+1ab=bab(b+1)\frac{a+1}{b+1} - \frac{a}{b} = \frac{b-a}{b(b+1)} для любых положительных aa и bb. Значит, после переноса всех членов в левую часть требуемое неравенство приобретает вид
yxy(y+1)+zyz(z+1)+xzx(x+1)0.(1) \frac{y-x}{y(y+1)} + \frac{z-y}{z(z+1)} + \frac{x-z}{x(x+1)} \le 0. \quad (1)
Можно считать, что xx — наибольшее из трёх данных чисел. Возможны два случая.

Случай 1. yzy \ge z. В этом случае имеем
xyx(x+1)xyy(y+1),yzx(x+1)yzz(z+1). \frac{x-y}{x(x+1)} \le \frac{x-y}{y(y+1)}, \quad \frac{y-z}{x(x+1)} \le \frac{y-z}{z(z+1)}.
Складывая эти неравенства, получаем
xzx(x+1)yxy(y+1)zyz(z+1), \frac{x-z}{x(x+1)} \le -\frac{y-x}{y(y+1)} - \frac{z-y}{z(z+1)},
что равносильно (1).

Случай 2. y<zy < z. Тогда имеем
zyz(z+1)zyy(y+1),xzx(x+1)xzy(y+1). \frac{z-y}{z(z+1)} \le \frac{z-y}{y(y+1)}, \quad \frac{x-z}{x(x+1)} \le \frac{x-z}{y(y+1)}.
Складывая эти неравенства, получаем
zyz(z+1)+xzx(x+1)yxy(y+1), \frac{z-y}{z(z+1)} + \frac{x-z}{x(x+1)} \le -\frac{y-x}{y(y+1)},
что опять же равносильно (1).

Want a route through all this instead of an archive? The track puts 2,000 problems in a working order, from AMC 10 level to the IMO shortlist.

Source: MathNet, licensed CC-BY-4.0. Statement and solution reproduced as published; topic and difficulty added by this site.