MathLabs

第5問

a2+b2+c2+d2=1a^2+b^2+c^2+d^2=1 を満たす実数 a,b,c,da,b,c,d に対し、(a−b)(b−c)(c−d)(d−a)(a-b)(b-c)(c-d)(d-a) の最小値と、その最小値を与える (a,b,c,d)(a,b,c,d) をすべて求めよ。
ステップ 2/4: 双一次和で書き直す
x=ac+bd, y=ab+cd, z=ad+bc ⟹ P=(x−y)(x−z),x+y+z=−12,x,y,z≥−12x=ac+bd,\ y=ab+cd,\ z=ad+bc\ \Longrightarrow\ P=(x-y)(x-z),\quad x+y+z=-\tfrac{1}{2},\quad x,y,z\ge-\tfrac{1}{2}
詳しい解説

x=ac+bdx=ac+bd, y=ab+cdy=ab+cd, z=ad+bcz=ad+bc とおくと、直接展開して (a−b)(b−c)(c−d)(d−a)=(x−y)(x−z)(a-b)(b-c)(c-d)(d-a)=(x-y)(x-z) を得る。さらに 0=(a+b+c+d)2=1+2(x+y+z)0=(a+b+c+d)^2=1+2(x+y+z) より x+y+z=−12x+y+z=-\tfrac{1}{2} であり、1+2x=(a+c)2+(b+d)2≥01+2x=(a+c)^2+(b+d)^2\ge0 より x≥−12x\ge-\tfrac{1}{2}(等号は a+c=b+d=0a+c=b+d=0 のとき)となる。同様に y≥−12y\ge-\tfrac{1}{2} と z≥−12z\ge-\tfrac{1}{2} も成り立つ。