Maths Olympiad Prep

Library / /18 of 26

Algebra Difficulty 7.0 National olympiad, round 2 Prove it Russia

A polynomial P(x)P(x) of degree n3n \ge 3 has nn real roots x1<x2<<xnx_1 < x_2 < \dots < x_n such that x2x1<x3x2<<xnxn1x_2 - x_1 < x_3 - x_2 < \dots < x_n - x_{n-1}. Prove that the maximum of the function y=P(x)y = |P(x)| on the segment [x1,xn][x_1, x_n] is attained at a point belonging to the segment [xn1,xn][x_{n-1}, x_n].

Многочлен P(x)P(x) степени n3n \ge 3 имеет nn вещественных корней x1<x2<<xnx_1 < x_2 < \dots < x_n, причем x2x1<x3x2<<xnxn1x_2 - x_1 < x_3 - x_2 < \dots < x_n - x_{n-1}. Докажите, что максимум функции y=P(x)y = |P(x)| на отрезке [x1,xn][x_1, x_n] достигается в точке, принадлежащей отрезку [xn1,xn][x_{n-1}, x_n].

Solution

Заметим, что максимум функции P(x)|P(x)| не может достигаться в точке xix_i, ибо P(xi)=0|P(x_i)| = 0. Рассмотрим произвольную точку a(xi,xi+1)a \in (x_i, x_{i+1}) при i<n1i < n-1; положим t=axit = a - x_i, b=xntb = x_n - t. Заметим, что b(xn1,xn)b \in (x_{n-1}, x_n), поскольку xn>b>xn(xi+1xi)>xn(xnxn1)=xn1x_n > b > x_n - (x_{i+1} - x_i) > x_n - (x_n - x_{n-1}) = x_{n-1}. Покажем, что P(b)>P(a)|P(b)| > |P(a)|; из этого, очевидно, следует утверждение задачи.
Из условия следует, что xk+mxk<x+mxx_{k+m} - x_k < x_{\ell+m} - x_{\ell} при 1k<nm1 \le k < \ell \le n-m. Поскольку нам известны nn корней многочлена P(x)P(x), имеем P(x)=p(xx1)(xxn)P(x) = p(x-x_1) \dots (x-x_n), где pp — старший коэффициент многочлена P(x)P(x). Заметим, что bxs=xnxst>xi+nsxit=xi+nsa|b-x_s| = x_n - x_s - t > x_{i+n-s} - x_i - t = |x_{i+n-s} - a|, при i+1sn1i+1 \le s \le n-1. Кроме того, bxr=bxr>xn1xr>axr=axr|b-x_r| = b-x_r > x_{n-1} - x_r > a - x_r = |a-x_r| при 1ri11 \le r \le i-1. Перемножая все полученные неравенства с равенством pbxnbxi=pt(xnxit)=paxiaxnp|b-x_n||b-x_i| = pt(x_n - x_i - t) = p|a-x_i||a-x_n|, получаем
P(b)=pbx1bx2bxn>P(b) = p|b-x_1||b-x_2|\dots|b-x_n| >
>pax1ax2axn=P(a),> p|a - x_1| |a - x_2| \dots |a - x_n| = P(a),

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.