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第4問

n≥3n\ge 3 を整数とし、t1,t2,…,tnt_1,t_2,\dots,t_n を n2+1>(t1+t2+⋯+tn)(1t1+1t2+⋯+1tn).n^2+1 > (t_1+t_2+\cdots+t_n)\left(\frac{1}{t_1}+\frac{1}{t_2}+\cdots+\frac{1}{t_n}\right). を満たす正の実数とする。ti,tj,tkt_i,t_j,t_k を満たすすべての i,j,ki,j,k に対して、1≤i<j<k≤n1\le i<j<k\le n が三角形の三辺の長さとなることを示せ。
ステップ 2/4: 三つ組以外の対を相加相乗平均で評価する
trts+tstr≥2 for the (n2)−3 pairs outside {1,2,3}  ⟹  (ab+ba)+(bc+cb)+(ca+ac)<7\frac{t_r}{t_s}+\frac{t_s}{t_r}\ge2\text{ for the }\binom{n}{2}-3\text{ pairs outside }\{1,2,3\}\implies \left(\frac{a}{b}+\frac{b}{a}\right)+\left(\frac{b}{c}+\frac{c}{b}\right)+\left(\frac{c}{a}+\frac{a}{c}\right)<7
詳しい解説

(n2)−3\binom{n}{2}-3 に含まれない (r,s)(r,s) 個の対 {1,2,3}\{1,2,3\} のそれぞれについて、相加相乗平均の不等式より tr/ts+ts/tr≥2t_r/t_s+t_s/t_r\ge 2 が成り立つので、それらの対の寄与は少なくとも 2((n2)−3)=n(n−1)−62\bigl(\binom{n}{2}-3\bigr)=n(n-1)-6 である。これと対角成分 nn を n2+1n^2+1 から引くと、(a/b+b/a)+(b/c+c/b)+(c/a+a/c)<7(a/b+b/a)+(b/c+c/b)+(c/a+a/c)<7 内の三つの対に対して {1,2,3}\{1,2,3\} が残る。