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第4题

设 x1,x2,…,x2023x_1,x_2,\ldots,x_{2023} 为两两不同的正实数,使得对每个 n=1,2,…,2023n=1,2,\ldots,2023,an=(x1+x2+⋯+xn)(1x1+1x2+⋯+1xn)a_n=(x_1+x_2+\cdots+x_n)\left(\frac1{x_1}+\frac1{x_2}+\cdots+\frac1{x_n}\right) 都是整数。证明 a2023≥3034a_{2023}\ge3034。
第 2/3 步:三项柯西-施瓦茨步骤
通俗地说

把定义 an+2a_{n+2} 的和拆分成前 n 项加上两个新项,并对三对对应量应用柯西-施瓦茨不等式,就得到一个由 ana_n 和两个新变量之比构成的下界。

an+2≥(an+u+1u)2≥an+u+1u,u=xn+1xn+2a_{n+2}\ge\left(\sqrt{a_n}+u+\dfrac1u\right)^2\ge a_n+u+\dfrac1u,\qquad u=\sqrt{\dfrac{x_{n+1}}{x_{n+2}}}
详细分析

记 A=x1+⋯+xnA=x_1+\cdots+x_n 且 B=1x1+⋯+1xnB=\frac1{x_1}+\cdots+\frac1{x_n},则 an=ABa_n=AB。由三项柯西-施瓦茨不等式,an+2=(A+xn+1+xn+2)(B+1xn+1+1xn+2)≥AB+xn+1xn+2+xn+2xn+1=an+u+1u\sqrt{a_{n+2}}=\sqrt{(A+x_{n+1}+x_{n+2})\left(B+\frac1{x_{n+1}}+\frac1{x_{n+2}}\right)}\ge\sqrt{AB}+\sqrt{\frac{x_{n+1}}{x_{n+2}}}+\sqrt{\frac{x_{n+2}}{x_{n+1}}}=\sqrt{a_n}+u+\frac1u,其中 u=xn+1/xn+2u=\sqrt{x_{n+1}/x_{n+2}}。两边平方得到 an+2≥(an+u+1/u)2≥an+u+1/ua_{n+2}\ge(\sqrt{a_n}+u+1/u)^2\ge a_n+u+1/u。