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第1問

三角形 ABCABC の内部の点を PP とし、PP から直線 BCBC, CACA, ABAB に下ろした垂線の足をそれぞれ DD, EE, FF とする。BCPD+CAPE+ABPF\dfrac{BC}{PD} + \dfrac{CA}{PE} + \dfrac{AB}{PF} が最小となる PP の位置をすべて求めよ。
ステップ 3/5: コーシー・シュワルツの不等式を適用する
ざっくり言うと

コーシー・シュワルツ不等式は、2つの変化する式の積を、一定の周長だけからなる固定された下界に置き換える。これは比の和の最小化を等号条件へ帰着する典型的な方法である。

(BC⋅PD+CA⋅PE+AB⋅PF)(BCPD+CAPE+ABPF)≥(BC+CA+AB)2\Big(BC\cdot PD + CA\cdot PE + AB\cdot PF\Big)\left(\frac{BC}{PD}+\frac{CA}{PE}+\frac{AB}{PF}\right) \ge (BC+CA+AB)^2
詳しい解説

u1=BC⋅PDu_1=\sqrt{BC\cdot PD}、u2=CA⋅PEu_2=\sqrt{CA\cdot PE}、u3=AB⋅PFu_3=\sqrt{AB\cdot PF}、また v1=BC/PDv_1=\sqrt{BC/PD} などとおく。コーシー・シュワルツ不等式より (∑uivi)2≤(∑ui2)(∑vi2)(\sum u_iv_i)^2 \le (\sum u_i^2)(\sum v_i^2) が得られ、uiviu_iv_i を整理すると、これは表示された不等式そのものである。