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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 3/4: 下界 -1/8 を与える代数恒等式
(x−y)(x−z)+18=18(4y+4z+1)2+(y+12)(z+12)≥0(x-y)(x-z)+\frac{1}{8}=\frac{1}{8}(4y+4z+1)^2+\left(y+\frac{1}{2}\right)\left(z+\frac{1}{2}\right)\ge0
詳しい解説

x=−12−y−zx=-\tfrac{1}{2}-y-z を消去すると (x−y)(x−z)+18=(2y+z+12)(y+2z+12)+18=18(4y+4z+1)2+(y+12)(z+12)(x-y)(x-z)+\tfrac{1}{8}=(2y+z+\tfrac{1}{2})(y+2z+\tfrac{1}{2})+\tfrac{1}{8}=\tfrac{1}{8}(4y+4z+1)^2+(y+\tfrac{1}{2})(z+\tfrac{1}{2}) となる。y+12≥0y+\tfrac{1}{2}\ge0 かつ z+12≥0z+\tfrac{1}{2}\ge0 なので右辺は非負であり、(x−y)(x−z)≥−18(x-y)(x-z)\ge-\tfrac{1}{8} を得る。等号成立は 4y+4z+1=04y+4z+1=0 かつ (y+12)(z+12)=0(y+\tfrac{1}{2})(z+\tfrac{1}{2})=0、すなわち x=−14x=-\tfrac{1}{4} かつ {y,z}={−12,14}\{y,z\}=\{-\tfrac{1}{2},\tfrac{1}{4}\} のときに限る。