.jpg)
🏃♂️ 2026 MATH MARATHON
Inequalities Masterclass
Part 3: Cauchy-Schwarz & Nesbitt - Τα Απόλυτα Όπλα
🔗 Σύνδεση με Προηγούμενα Parts:
Part 1: Μάθαμε τα βασικά (τετράγωνα, AM-GM)
Part 2: Κατακτήσαμε τη "Βασίλισσα" \(a^2+b^2+c^2 \geq ab+bc+ca\)
Part 3 (σήμερα): Ανακαλύπτουμε την πιο ισχυρή ανισότητα όλων - τη Cauchy-Schwarz!
Αυτή η ανισότητα είναι το "Swiss Army Knife" των μαθηματικών διαγωνισμών. Θα δείτε γιατί! 🔥
Part 1: Μάθαμε τα βασικά (τετράγωνα, AM-GM)
Part 2: Κατακτήσαμε τη "Βασίλισσα" \(a^2+b^2+c^2 \geq ab+bc+ca\)
Part 3 (σήμερα): Ανακαλύπτουμε την πιο ισχυρή ανισότητα όλων - τη Cauchy-Schwarz!
Αυτή η ανισότητα είναι το "Swiss Army Knife" των μαθηματικών διαγωνισμών. Θα δείτε γιατί! 🔥
🤔 Ερώτηση Προβληματισμού:
Γιατί η Cauchy-Schwarz θεωρείται η πιο σημαντική ανισότητα στα μαθηματικά; Μέχρι το τέλος θα το καταλάβετε - χρησιμοποιείται σε άλγεβρα, γεωμετρία, ανάλυση, πιθανότητες, ακόμα και στη φυσική!
Γιατί η Cauchy-Schwarz θεωρείται η πιο σημαντική ανισότητα στα μαθηματικά; Μέχρι το τέλος θα το καταλάβετε - χρησιμοποιείται σε άλγεβρα, γεωμετρία, ανάλυση, πιθανότητες, ακόμα και στη φυσική!
🎯 Μέρος Α: Η Ανισότητα Cauchy-Schwarz
📐 Θεώρημα: Cauchy-Schwarz (Οι 4 Βασικές Μορφές)
Έστω \(a_1, a_2, \ldots, a_n\) και \(b_1, b_2, \ldots, b_n\) πραγματικοί αριθμοί.
🎯 Πότε έχουμε ισότητα;
Όταν οι ακολουθίες είναι ανάλογες, δηλαδή:
\[ \frac{a_1}{b_1} = \frac{a_2}{b_2} = \cdots = \frac{a_n}{b_n} \]
Έστω \(a_1, a_2, \ldots, a_n\) και \(b_1, b_2, \ldots, b_n\) πραγματικοί αριθμοί.
📌 Μορφή 1: Κλασική
\[ (a_1^2 + a_2^2 + \cdots + a_n^2)(b_1^2 + b_2^2 + \cdots + b_n^2) \geq (a_1b_1 + a_2b_2 + \cdots + a_nb_n)^2 \]
📌 Μορφή 2: Engel (Titu's Lemma)
\[ \frac{a_1^2}{b_1} + \frac{a_2^2}{b_2} + \cdots + \frac{a_n^2}{b_n} \geq \frac{(a_1 + a_2 + \cdots + a_n)^2}{b_1 + b_2 + \cdots + b_n} \]
(για \(b_i > 0\))
📌 Μορφή 3: Διανυσματική
\[ |\vec{a} \cdot \vec{b}| \leq |\vec{a}| \cdot |\vec{b}| \]
Γεωμετρική ερμηνεία!
📌 Μορφή 4: Συντομογραφία
\[ \left(\sum a_i^2\right)\left(\sum b_i^2\right) \geq \left(\sum a_ib_i\right)^2 \]
Όταν οι ακολουθίες είναι ανάλογες, δηλαδή:
\[ \frac{a_1}{b_1} = \frac{a_2}{b_2} = \cdots = \frac{a_n}{b_n} \]
✍️ Απόδειξη της Κλασικής Μορφής
Μέθοδος 1: Με Τετράγωνα (Η Κομψή)
Θεωρούμε την παράσταση για οποιοδήποτε πραγματικό \(t\):
\[ f(t) = \sum_{i=1}^{n} (a_i - tb_i)^2 \geq 0 \]
Ανοίγουμε:
\[ f(t) = \sum a_i^2 - 2t\sum a_ib_i + t^2\sum b_i^2 \]
Αυτό είναι τετραγωνική συνάρτηση ως προς \(t\) και \(f(t) \geq 0\) για κάθε \(t\).
Άρα η διακρίνουσα πρέπει να είναι \(\Delta \leq 0\):
\[ \Delta = 4\left(\sum a_ib_i\right)^2 - 4\left(\sum a_i^2\right)\left(\sum b_i^2\right) \leq 0 \]
\[ \Rightarrow \left(\sum a_i^2\right)\left(\sum b_i^2\right) \geq \left(\sum a_ib_i\right)^2 \quad \checkmark \]
Θεωρούμε την παράσταση για οποιοδήποτε πραγματικό \(t\):
\[ f(t) = \sum_{i=1}^{n} (a_i - tb_i)^2 \geq 0 \]
Ανοίγουμε:
\[ f(t) = \sum a_i^2 - 2t\sum a_ib_i + t^2\sum b_i^2 \]
Αυτό είναι τετραγωνική συνάρτηση ως προς \(t\) και \(f(t) \geq 0\) για κάθε \(t\).
Άρα η διακρίνουσα πρέπει να είναι \(\Delta \leq 0\):
\[ \Delta = 4\left(\sum a_ib_i\right)^2 - 4\left(\sum a_i^2\right)\left(\sum b_i^2\right) \leq 0 \]
\[ \Rightarrow \left(\sum a_i^2\right)\left(\sum b_i^2\right) \geq \left(\sum a_ib_i\right)^2 \quad \checkmark \]
Μέθοδος 2: Με Άθροισμα Τετραγώνων (Η Απευθείας)
Παρατηρούμε ότι:
\[ \sum_{i,j} (a_ib_j - a_jb_i)^2 \geq 0 \]
Ανοίγοντας:
\[ \sum_{i,j} (a_i^2b_j^2 - 2a_ib_ja_jb_i + a_j^2b_i^2) \geq 0 \]
Μετά από απλοποίηση (δοκιμάστε το!):
\[ 2\left(\sum a_i^2\right)\left(\sum b_i^2\right) - 2\left(\sum a_ib_i\right)^2 \geq 0 \quad \checkmark \]
Παρατηρούμε ότι:
\[ \sum_{i,j} (a_ib_j - a_jb_i)^2 \geq 0 \]
Ανοίγοντας:
\[ \sum_{i,j} (a_i^2b_j^2 - 2a_ib_ja_jb_i + a_j^2b_i^2) \geq 0 \]
Μετά από απλοποίηση (δοκιμάστε το!):
\[ 2\left(\sum a_i^2\right)\left(\sum b_i^2\right) - 2\left(\sum a_ib_i\right)^2 \geq 0 \quad \checkmark \]
💡 Γιατί δουλεύει; Και οι δύο μέθοδοι βασίζονται στην ιδέα ότι "το άθροισμα τετραγώνων είναι πάντα μη αρνητικό" - η ίδια αρχή από το Part 1!
⚠️ Πώς προκύπτει η Μορφή Engel (Titu) από την Κλασική;
Οφείλεται στον Ρουμάνο μαθηματικό Titu Andreescu που την χρησιμοποιούσε εκτενώς σε IMO προβλήματα!
Παραγωγή:
Στην κλασική μορφή, θέτουμε:
\[ a_i \to \frac{a_i}{\sqrt{b_i}} \quad \text{και} \quad b_i \to \sqrt{b_i} \]
Τότε:
\[ \left(\sum \frac{a_i^2}{b_i}\right)\left(\sum b_i\right) \geq \left(\sum a_i\right)^2 \]
Διαιρώντας με \(\sum b_i\):
\[ \sum \frac{a_i^2}{b_i} \geq \frac{(\sum a_i)^2}{\sum b_i} \quad \checkmark \]
🎯 Γιατί ονομάζεται "Titu's Lemma";Στην κλασική μορφή, θέτουμε:
\[ a_i \to \frac{a_i}{\sqrt{b_i}} \quad \text{και} \quad b_i \to \sqrt{b_i} \]
Τότε:
\[ \left(\sum \frac{a_i^2}{b_i}\right)\left(\sum b_i\right) \geq \left(\sum a_i\right)^2 \]
Διαιρώντας με \(\sum b_i\):
\[ \sum \frac{a_i^2}{b_i} \geq \frac{(\sum a_i)^2}{\sum b_i} \quad \checkmark \]
Οφείλεται στον Ρουμάνο μαθηματικό Titu Andreescu που την χρησιμοποιούσε εκτενώς σε IMO προβλήματα!
🌟 Γεωμετρική Ερμηνεία
📐 Η Cauchy-Schwarz ως Ανισότητα Διανυσμάτων
Έστω \(\vec{a} = (a_1, a_2, \ldots, a_n)\) και \(\vec{b} = (b_1, b_2, \ldots, b_n)\).
Τότε:
• Το εσωτερικό γινόμενο: \(\vec{a} \cdot \vec{b} = \sum a_ib_i\)
• Το μήκος: \(|\vec{a}| = \sqrt{\sum a_i^2}\)
Η Cauchy-Schwarz λέει:
Θυμηθείτε ότι \(\vec{a} \cdot \vec{b} = |\vec{a}||\vec{b}|\cos\theta\), όπου \(\theta\) η γωνία μεταξύ τους.
Επειδή \(|\cos\theta| \leq 1\), έχουμε:
\[ |\vec{a} \cdot \vec{b}| = |\vec{a}||\vec{b}||\cos\theta| \leq |\vec{a}||\vec{b}| \]
Έστω \(\vec{a} = (a_1, a_2, \ldots, a_n)\) και \(\vec{b} = (b_1, b_2, \ldots, b_n)\).
Τότε:
• Το εσωτερικό γινόμενο: \(\vec{a} \cdot \vec{b} = \sum a_ib_i\)
• Το μήκος: \(|\vec{a}| = \sqrt{\sum a_i^2}\)
Η Cauchy-Schwarz λέει:
\[ |\vec{a} \cdot \vec{b}| \leq |\vec{a}| \cdot |\vec{b}| \]
Γεωμετρική σημασία:Θυμηθείτε ότι \(\vec{a} \cdot \vec{b} = |\vec{a}||\vec{b}|\cos\theta\), όπου \(\theta\) η γωνία μεταξύ τους.
Επειδή \(|\cos\theta| \leq 1\), έχουμε:
\[ |\vec{a} \cdot \vec{b}| = |\vec{a}||\vec{b}||\cos\theta| \leq |\vec{a}||\vec{b}| \]
✨ Ερμηνεία: Το εσωτερικό γινόμενο δύο διανυσμάτων δεν μπορεί να ξεπεράσει το γινόμενο των μηκών τους! Η ισότητα επιτυγχάνεται όταν τα διανύσματα είναι παράλληλα (\(\theta = 0°\) ή \(180°\)).
📚 Εφαρμογές Cauchy-Schwarz - Από Βασικά σε IMO
🔹 Παράδειγμα 1: Η Βασική Εφαρμογή (Titu)
Πρόβλημα: Αν \(a + b = 1\) με \(a, b > 0\), βρείτε την ελάχιστη τιμή του \(\frac{1}{a} + \frac{1}{b}\).
Λύση:
Απάντηση: Ελάχιστη τιμή = 4
Πρόβλημα: Αν \(a + b = 1\) με \(a, b > 0\), βρείτε την ελάχιστη τιμή του \(\frac{1}{a} + \frac{1}{b}\).
Λύση:
Από Titu's Lemma:
\[ \frac{1^2}{a} + \frac{1^2}{b} \geq \frac{(1+1)^2}{a+b} = \frac{4}{1} = 4 \]
Ισότητα: Όταν \(\frac{1}{a} = \frac{1}{b}\), δηλαδή \(a = b = \frac{1}{2}\).\[ \frac{1^2}{a} + \frac{1^2}{b} \geq \frac{(1+1)^2}{a+b} = \frac{4}{1} = 4 \]
Απάντηση: Ελάχιστη τιμή = 4
💡 Τεχνική: Όταν βλέπετε αθροίσματα της μορφής \(\frac{1}{a} + \frac{1}{b}\) με περιορισμό \(a+b=\text{const}\), σκεφτείτε Titu!
🔹 Παράδειγμα 2: Με Περισσότερους Όρους
Πρόβλημα: Για θετικούς \(a, b, c\) με \(a+b+c=1\), δείξτε ότι:
Πρόβλημα: Για θετικούς \(a, b, c\) με \(a+b+c=1\), δείξτε ότι:
\[ \frac{1}{a} + \frac{1}{b} + \frac{1}{c} \geq 9 \]
Λύση:
Βήμα 1: Από Titu's Lemma:
\[ \frac{1^2}{a} + \frac{1^2}{b} + \frac{1^2}{c} \geq \frac{(1+1+1)^2}{a+b+c} = \frac{9}{1} = 9 \]
Ισότητα: Όταν \(a = b = c = \frac{1}{3}\).\[ \frac{1^2}{a} + \frac{1^2}{b} + \frac{1^2}{c} \geq \frac{(1+1+1)^2}{a+b+c} = \frac{9}{1} = 9 \]
🎯 Γενίκευση: Για \(n\) θετικούς αριθμούς με άθροισμα \(S\):
\[ \sum \frac{1}{a_i} \geq \frac{n^2}{S} \]
με ισότητα όταν όλοι είναι ίσοι!
\[ \sum \frac{1}{a_i} \geq \frac{n^2}{S} \]
με ισότητα όταν όλοι είναι ίσοι!
🔹 Παράδειγμα 3: Σύνθετη Εφαρμογή
Πρόβλημα: Για θετικούς \(x, y, z\), δείξτε ότι:
Πρόβλημα: Για θετικούς \(x, y, z\), δείξτε ότι:
\[ \frac{x^2}{y} + \frac{y^2}{z} + \frac{z^2}{x} \geq x + y + z \]
Λύση:
Μέθοδος 1 (Titu):
Θέτουμε \(a_1 = x, a_2 = y, a_3 = z\) και \(b_1 = y, b_2 = z, b_3 = x\):
\[ \frac{x^2}{y} + \frac{y^2}{z} + \frac{z^2}{x} \geq \frac{(x+y+z)^2}{x+y+z} = x+y+z \quad \checkmark \]
Θέτουμε \(a_1 = x, a_2 = y, a_3 = z\) και \(b_1 = y, b_2 = z, b_3 = x\):
\[ \frac{x^2}{y} + \frac{y^2}{z} + \frac{z^2}{x} \geq \frac{(x+y+z)^2}{x+y+z} = x+y+z \quad \checkmark \]
Μέθοδος 2 (Κλασική CS):
Από Cauchy-Schwarz:
\[ \left(\frac{x^2}{y} + \frac{y^2}{z} + \frac{z^2}{x}\right)(xy + yz + zx) \geq (x+y+z)^2 \]
Αρκεί να δείξουμε \(xy+yz+zx \leq x+y+z\)... Αλλά αυτό δεν ισχύει πάντα!
Η Μέθοδος 1 είναι καλύτερη! ✓
Ισότητα: Όταν \(x = y = z\).Από Cauchy-Schwarz:
\[ \left(\frac{x^2}{y} + \frac{y^2}{z} + \frac{z^2}{x}\right)(xy + yz + zx) \geq (x+y+z)^2 \]
Αρκεί να δείξουμε \(xy+yz+zx \leq x+y+z\)... Αλλά αυτό δεν ισχύει πάντα!
Η Μέθοδος 1 είναι καλύτερη! ✓
🎓 Μάθημα: Η Titu είναι συχνά πιο απευθείας από την κλασική CS! Δοκιμάστε την πρώτη.
🔹 Παράδειγμα 4: IMO-Style Challenge
Πρόβλημα: Για θετικούς \(a, b, c\) με \(abc = 1\), δείξτε ότι:
Πρόβλημα: Για θετικούς \(a, b, c\) με \(abc = 1\), δείξτε ότι:
\[ \frac{1}{a^3(b+c)} + \frac{1}{b^3(c+a)} + \frac{1}{c^3(a+b)} \geq \frac{3}{2} \]
Λύση:
Βήμα 1: Από Titu's Lemma:
\[ \sum \frac{1}{a^3(b+c)} = \sum \frac{\left(\frac{1}{a}\right)^2}{a(b+c)} \geq \frac{\left(\sum \frac{1}{a}\right)^2}{\sum a(b+c)} \]
\[ \sum \frac{1}{a^3(b+c)} = \sum \frac{\left(\frac{1}{a}\right)^2}{a(b+c)} \geq \frac{\left(\sum \frac{1}{a}\right)^2}{\sum a(b+c)} \]
Βήμα 2: Υπολογίζουμε το παρονομαστή:
\[ \sum a(b+c) = ab + ac + bc + ca + ab + bc = 2(ab+bc+ca) \]
\[ \sum a(b+c) = ab + ac + bc + ca + ab + bc = 2(ab+bc+ca) \]
Βήμα 3: Από AM-GM, για \(abc=1\):
\[ ab+bc+ca \geq 3\sqrt[3]{(abc)^2} = 3 \]
\[ \sum \frac{1}{a} \geq 3\sqrt[3]{\frac{1}{abc}} = 3 \]
\[ ab+bc+ca \geq 3\sqrt[3]{(abc)^2} = 3 \]
\[ \sum \frac{1}{a} \geq 3\sqrt[3]{\frac{1}{abc}} = 3 \]
Βήμα 4: Συνδυάζοντας:
\[ \sum \frac{1}{a^3(b+c)} \geq \frac{9}{2 \cdot 3} = \frac{3}{2} \quad \checkmark \]
Ισότητα: Όταν \(a = b = c = 1\).\[ \sum \frac{1}{a^3(b+c)} \geq \frac{9}{2 \cdot 3} = \frac{3}{2} \quad \checkmark \]
💪 IMO Level! Συνδυασμός Titu + AM-GM + χειρισμός περιορισμού \(abc=1\) - αυτό είναι επίπεδο Ολυμπιάδας!
🔹 Παράδειγμα 5: Με την Κλασική Μορφή
Πρόβλημα: Για πραγματικούς \(a_1, a_2, \ldots, a_n\) και \(b_1, b_2, \ldots, b_n\), δείξτε ότι:
Πρόβλημα: Για πραγματικούς \(a_1, a_2, \ldots, a_n\) και \(b_1, b_2, \ldots, b_n\), δείξτε ότι:
\[ \left(\sum_{i=1}^{n} a_ib_i\right)^2 \leq n\sum_{i=1}^{n} a_i^2b_i^2 \]
Λύση:
Από την κλασική Cauchy-Schwarz, θέτουμε:
• Πρώτη ακολουθία: \((a_1b_1, a_2b_2, \ldots, a_nb_n)\)
• Δεύτερη ακολουθία: \((1, 1, \ldots, 1)\)
Τότε:
\[ \left(\sum a_i^2b_i^2\right)\left(\sum 1^2\right) \geq \left(\sum a_ib_i \cdot 1\right)^2 \]
\[ n\sum a_i^2b_i^2 \geq \left(\sum a_ib_i\right)^2 \quad \checkmark \]
• Πρώτη ακολουθία: \((a_1b_1, a_2b_2, \ldots, a_nb_n)\)
• Δεύτερη ακολουθία: \((1, 1, \ldots, 1)\)
Τότε:
\[ \left(\sum a_i^2b_i^2\right)\left(\sum 1^2\right) \geq \left(\sum a_ib_i \cdot 1\right)^2 \]
\[ n\sum a_i^2b_i^2 \geq \left(\sum a_ib_i\right)^2 \quad \checkmark \]
🎯 Trick: Όταν θέλετε να εμφανίσετε έναν παράγοντα \(n\), χρησιμοποιήστε την ακολουθία \((1,1,\ldots,1)\) στην CS!
🎯 Μέρος Β: Η Ανισότητα Nesbitt
📐 Θεώρημα Nesbitt
Για οποιουσδήποτε θετικούς αριθμούς \(a, b, c\):
Για οποιουσδήποτε θετικούς αριθμούς \(a, b, c\):
\[ \frac{a}{b+c} + \frac{b}{a+c} + \frac{c}{a+b} \geq \frac{3}{2} \]
Ισότητα όταν \(a = b = c\).
📖 Ιστορία: Δημοσιεύθηκε από τον A.M. Nesbitt το 1903 στο "Educational Times".
Παρόλο που φαίνεται απλή, έχει πάνω από 10 διαφορετικές αποδείξεις και εμφανίζεται συχνά σε διαγωνισμούς!
Παρόλο που φαίνεται απλή, έχει πάνω από 10 διαφορετικές αποδείξεις και εμφανίζεται συχνά σε διαγωνισμούς!
🔬 Τρεις Κομψές Αποδείξεις
✍️ Απόδειξη 1: Με Αλγεβρικό Χειρισμό (Η Κλασική)
Βήμα 1: Προσθέτουμε και αφαιρούμε 3:
\[ \frac{a}{b+c} + \frac{b}{a+c} + \frac{c}{a+b} = \left(\frac{a}{b+c} + 1\right) + \left(\frac{b}{a+c} + 1\right) + \left(\frac{c}{a+b} + 1\right) - 3 \]
\[ \frac{a}{b+c} + \frac{b}{a+c} + \frac{c}{a+b} = \left(\frac{a}{b+c} + 1\right) + \left(\frac{b}{a+c} + 1\right) + \left(\frac{c}{a+b} + 1\right) - 3 \]
Βήμα 2: Απλοποιούμε κάθε παρένθεση:
\[ \frac{a}{b+c} + 1 = \frac{a + b + c}{b+c} \]
Άρα:
\[ \sum \frac{a}{b+c} = \frac{a+b+c}{b+c} + \frac{a+b+c}{a+c} + \frac{a+b+c}{a+b} - 3 \]
\[ = (a+b+c)\left(\frac{1}{b+c} + \frac{1}{a+c} + \frac{1}{a+b}\right) - 3 \]
\[ \frac{a}{b+c} + 1 = \frac{a + b + c}{b+c} \]
Άρα:
\[ \sum \frac{a}{b+c} = \frac{a+b+c}{b+c} + \frac{a+b+c}{a+c} + \frac{a+b+c}{a+b} - 3 \]
\[ = (a+b+c)\left(\frac{1}{b+c} + \frac{1}{a+c} + \frac{1}{a+b}\right) - 3 \]
Βήμα 3: Θέτουμε \(x = b+c, y = a+c, z = a+b\).
Τότε \(a+b+c = \frac{x+y+z}{2}\) και:
\[ \sum \frac{a}{b+c} = \frac{x+y+z}{2}\left(\frac{1}{x} + \frac{1}{y} + \frac{1}{z}\right) - 3 \]
Τότε \(a+b+c = \frac{x+y+z}{2}\) και:
\[ \sum \frac{a}{b+c} = \frac{x+y+z}{2}\left(\frac{1}{x} + \frac{1}{y} + \frac{1}{z}\right) - 3 \]
Βήμα 4: Από AM-HM:
\[ \frac{x+y+z}{3} \geq \frac{3}{\frac{1}{x}+\frac{1}{y}+\frac{1}{z}} \]
\[ \Rightarrow (x+y+z)\left(\frac{1}{x}+\frac{1}{y}+\frac{1}{z}\right) \geq 9 \]
Άρα:
\[ \sum \frac{a}{b+c} \geq \frac{9}{2} - 3 = \frac{3}{2} \quad \checkmark \]
\[ \frac{x+y+z}{3} \geq \frac{3}{\frac{1}{x}+\frac{1}{y}+\frac{1}{z}} \]
\[ \Rightarrow (x+y+z)\left(\frac{1}{x}+\frac{1}{y}+\frac{1}{z}\right) \geq 9 \]
Άρα:
\[ \sum \frac{a}{b+c} \geq \frac{9}{2} - 3 = \frac{3}{2} \quad \checkmark \]
✍️ Απόδειξη 2: Με Cauchy-Schwarz (Η Κομψή)
Από Cauchy-Schwarz (μορφή Engel):
\[ \frac{a^2}{a(b+c)} + \frac{b^2}{b(a+c)} + \frac{c^2}{c(a+b)} \geq \frac{(a+b+c)^2}{a(b+c) + b(a+c) + c(a+b)} \]
Υπολογίζουμε τον παρονομαστή:
\[ a(b+c) + b(a+c) + c(a+b) = 2(ab+bc+ca) \]
Άρα:
\[ \frac{a}{b+c} + \frac{b}{a+c} + \frac{c}{a+b} \geq \frac{(a+b+c)^2}{2(ab+bc+ca)} \]
Από τη "Βασίλισσα" (Part 2!):
\[ a^2+b^2+c^2 \geq ab+bc+ca \]
\[ \Rightarrow (a+b+c)^2 = a^2+b^2+c^2 + 2(ab+bc+ca) \geq 3(ab+bc+ca) \]
Συνεπώς:
\[ \frac{(a+b+c)^2}{2(ab+bc+ca)} \geq \frac{3(ab+bc+ca)}{2(ab+bc+ca)} = \frac{3}{2} \quad \checkmark \]
\[ \frac{a^2}{a(b+c)} + \frac{b^2}{b(a+c)} + \frac{c^2}{c(a+b)} \geq \frac{(a+b+c)^2}{a(b+c) + b(a+c) + c(a+b)} \]
Υπολογίζουμε τον παρονομαστή:
\[ a(b+c) + b(a+c) + c(a+b) = 2(ab+bc+ca) \]
Άρα:
\[ \frac{a}{b+c} + \frac{b}{a+c} + \frac{c}{a+b} \geq \frac{(a+b+c)^2}{2(ab+bc+ca)} \]
Από τη "Βασίλισσα" (Part 2!):
\[ a^2+b^2+c^2 \geq ab+bc+ca \]
\[ \Rightarrow (a+b+c)^2 = a^2+b^2+c^2 + 2(ab+bc+ca) \geq 3(ab+bc+ca) \]
Συνεπώς:
\[ \frac{(a+b+c)^2}{2(ab+bc+ca)} \geq \frac{3(ab+bc+ca)}{2(ab+bc+ca)} = \frac{3}{2} \quad \checkmark \]
✨ Σύνδεση! Αυτή η απόδειξη συνδέει τη Nesbitt με τη "Βασίλισσα" από το Part 2 - όλα συνδέονται!
✍️ Απόδειξη 3: Με Ravi Substitution (Η Γεωμετρική)
Θεωρούμε τρίγωνο με πλευρές που σχετίζονται με τα \(a, b, c\).
Με Ravi substitution (Part 4!): \(a = y+z, b = z+x, c = x+y\)
Τότε:
\[ \frac{a}{b+c} = \frac{y+z}{2(x+y+z)-y-z} = \frac{y+z}{2x+y+z} \]
Πρέπει να δείξουμε:
\[ \frac{y+z}{2x+y+z} + \frac{z+x}{2y+z+x} + \frac{x+y}{2z+x+y} \geq \frac{3}{2} \]
Θέτοντας \(s = x+y+z\):
\[ \frac{s-x}{s+x} + \frac{s-y}{s+y} + \frac{s-z}{s+z} = 3 - \left(\frac{x}{s+x} + \frac{y}{s+y} + \frac{z}{s+z}\right) \]
Από Cauchy-Schwarz:
\[ \frac{x^2}{s+x} + \frac{y^2}{s+y} + \frac{z^2}{s+z} \geq \frac{(x+y+z)^2}{3s} = \frac{s^2}{3s} = \frac{s}{3} \]
[Πλήρης ολοκλήρωση απαιτεί λεπτομερή χειρισμό - δοκιμάστε το!]
Με Ravi substitution (Part 4!): \(a = y+z, b = z+x, c = x+y\)
Τότε:
\[ \frac{a}{b+c} = \frac{y+z}{2(x+y+z)-y-z} = \frac{y+z}{2x+y+z} \]
Πρέπει να δείξουμε:
\[ \frac{y+z}{2x+y+z} + \frac{z+x}{2y+z+x} + \frac{x+y}{2z+x+y} \geq \frac{3}{2} \]
Θέτοντας \(s = x+y+z\):
\[ \frac{s-x}{s+x} + \frac{s-y}{s+y} + \frac{s-z}{s+z} = 3 - \left(\frac{x}{s+x} + \frac{y}{s+y} + \frac{z}{s+z}\right) \]
Από Cauchy-Schwarz:
\[ \frac{x^2}{s+x} + \frac{y^2}{s+y} + \frac{z^2}{s+z} \geq \frac{(x+y+z)^2}{3s} = \frac{s^2}{3s} = \frac{s}{3} \]
[Πλήρης ολοκλήρωση απαιτεί λεπτομερή χειρισμό - δοκιμάστε το!]
🎨 Εφαρμογές και Γενικεύσεις της Nesbitt
📌 Γενίκευση Nesbitt
Για θετικούς αριθμούς \(a_1, a_2, \ldots, a_n\):
Για \(n=4\): \(\frac{4}{3}\)
Για \(n=5\): \(\frac{5}{4}\)
Απόδειξη: Με Cauchy-Schwarz, όπως στην Απόδειξη 2!
Για θετικούς αριθμούς \(a_1, a_2, \ldots, a_n\):
\[ \sum_{i=1}^{n} \frac{a_i}{\sum_{j \neq i} a_j} \geq \frac{n}{n-1} \]
Για \(n=3\): \(\frac{3}{2}\) ✓ (Nesbitt)Για \(n=4\): \(\frac{4}{3}\)
Για \(n=5\): \(\frac{5}{4}\)
Απόδειξη: Με Cauchy-Schwarz, όπως στην Απόδειξη 2!
🔹 Εφαρμογή Nesbitt: Τρίγωνα
Πρόβλημα: Σε τρίγωνο ABC με πλευρές \(a, b, c\) και ημιπερίμετρο \(s\), δείξτε:
Πρόβλημα: Σε τρίγωνο ABC με πλευρές \(a, b, c\) και ημιπερίμετρο \(s\), δείξτε:
\[ \frac{a}{s-a} + \frac{b}{s-b} + \frac{c}{s-c} \geq 6 \]
Λύση:
Παρατηρούμε ότι:
\[ s - a = \frac{b+c}{2} + \frac{b+c}{2} - a = b + c - s \]
Όχι, αυτό δεν βοηθά. Ας δοκιμάσουμε διαφορετικά:
Έχουμε \(s = \frac{a+b+c}{2}\), άρα \(s-a = \frac{b+c-a}{2}\).
Τότε:
\[ \frac{a}{s-a} = \frac{a}{\frac{b+c-a}{2}} = \frac{2a}{b+c-a} \]
Αυτό δεν οδηγεί απευθείας στη Nesbitt...
Σωστή προσέγγιση: Χρήση Cauchy-Schwarz:
\[ \frac{a^2}{s-a} + \frac{b^2}{s-b} + \frac{c^2}{s-c} \geq \frac{(a+b+c)^2}{(s-a)+(s-b)+(s-c)} = \frac{4s^2}{s} = 4s \]
Και επειδή \(\frac{a}{s-a} \geq \frac{a^2}{a(s-a)}\)... (χρειάζεται AM-HM)
\[ s - a = \frac{b+c}{2} + \frac{b+c}{2} - a = b + c - s \]
Όχι, αυτό δεν βοηθά. Ας δοκιμάσουμε διαφορετικά:
Έχουμε \(s = \frac{a+b+c}{2}\), άρα \(s-a = \frac{b+c-a}{2}\).
Τότε:
\[ \frac{a}{s-a} = \frac{a}{\frac{b+c-a}{2}} = \frac{2a}{b+c-a} \]
Αυτό δεν οδηγεί απευθείας στη Nesbitt...
Σωστή προσέγγιση: Χρήση Cauchy-Schwarz:
\[ \frac{a^2}{s-a} + \frac{b^2}{s-b} + \frac{c^2}{s-c} \geq \frac{(a+b+c)^2}{(s-a)+(s-b)+(s-c)} = \frac{4s^2}{s} = 4s \]
Και επειδή \(\frac{a}{s-a} \geq \frac{a^2}{a(s-a)}\)... (χρειάζεται AM-HM)
💭 Σημείωση: Αυτή η ανισότητα χρειάζεται προσεκτικό συνδυασμό Nesbitt + CS. Είναι πρόκληση!
🚀 Bonus: Holder & Minkowski
🔥 Advanced: Γενικεύσεις της Cauchy-Schwarz
1. Ανισότητα Hölder (Γενίκευση της CS):
Για \(p, q > 1\) με \(\frac{1}{p} + \frac{1}{q} = 1\):
2. Ανισότητα Minkowski:
Για \(p \geq 1\):
1. Ανισότητα Hölder (Γενίκευση της CS):
Για \(p, q > 1\) με \(\frac{1}{p} + \frac{1}{q} = 1\):
\[ \sum |a_ib_i| \leq \left(\sum |a_i|^p\right)^{1/p} \left(\sum |b_i|^q\right)^{1/q} \]
Για \(p = q = 2\): Παίρνουμε τη Cauchy-Schwarz! ✓2. Ανισότητα Minkowski:
Για \(p \geq 1\):
\[ \left(\sum |a_i + b_i|^p\right)^{1/p} \leq \left(\sum |a_i|^p\right)^{1/p} + \left(\sum |b_i|^p\right)^{1/p} \]
Αυτή είναι η "τριγωνική ανισότητα" σε χώρους \(L^p\)!
📚 Για Προχωρημένους: Αυτές οι ανισότητες χρησιμοποιούνται σε Συναρτησιακή Ανάλυση, Θεωρία Μέτρου, και Πιθανότητες. Δεν είναι απαραίτητες για IMO, αλλά καλό είναι να τις γνωρίζετε!
🏆 GRAND CHALLENGE - Part 3
🎯 ULTIMATE CAUCHY-SCHWARZ CHALLENGE
Πρόβλημα (IMO 1995/2):
Έστω \(a, b, c\) θετικοί αριθμοί με \(abc = 1\). Δείξτε ότι:
🎯 Bonus Challenge: Δείξτε ότι η ισότητα επιτυγχάνεται μόνο όταν \(a=b=c=1\).
Πρόβλημα (IMO 1995/2):
Έστω \(a, b, c\) θετικοί αριθμοί με \(abc = 1\). Δείξτε ότι:
\[ \frac{1}{a^3(b+c)} + \frac{1}{b^3(c+a)} + \frac{1}{c^3(a+b)} \geq \frac{3}{2} \]
🎁 Hints σε 5 Επίπεδα:
🥉 Hint 1 (Beginner): Ποια μορφή CS φαίνεται πιο κατάλληλη - Κλασική ή Titu;
🥈 Hint 2 (Intermediate): Δοκιμάστε Titu με \(\frac{\left(\frac{1}{a}\right)^2}{a(b+c)}\).
🥇 Hint 3 (Advanced): Υπολογίστε το \(\sum a(b+c)\). Τι είναι σε σχέση με το \(ab+bc+ca\);
💎 Hint 4 (Expert): Χρησιμοποιήστε AM-GM για να δείξετε \(ab+bc+ca \geq 3\) (δεδομένου \(abc=1\)).
👑 Hint 5 (Master): Επίσης χρειάζεστε \(\sum \frac{1}{a} \geq 3\). Αυτό πώς προκύπτει από \(abc=1\);
🎯 Bonus Challenge: Δείξτε ότι η ισότητα επιτυγχάνεται μόνο όταν \(a=b=c=1\).
📮 Αναμενόμενη λύση: Αυτή η λύση βρίσκεται στο Παράδειγμα 4 παραπάνω! Αλλά προσπαθήστε μόνοι σας πρώτα!
🏅 Extra Credit: Μπορείτε να βρείτε μια δεύτερη μέθοδο χωρίς Titu;
🏅 Extra Credit: Μπορείτε να βρείτε μια δεύτερη μέθοδο χωρίς Titu;
📊 Σύνοψη & Στρατηγική Χρήσης
🎓 Πότε Χρησιμοποιούμε Ποια Τεχνική;
💡 Pro Tips:
1️⃣ Όταν βλέπετε κλάσματα με τετράγωνα στον αριθμητή → Titu
2️⃣ Όταν θέλετε να συσχετίσετε αθροίσματα → Κλασική CS
3️⃣ Η Nesbitt εμφανίζεται σε ~20% των IMO προβλημάτων με ανισότητες!
4️⃣ Συνδυάστε CS με AM-GM για killer combos
5️⃣ Ελέγχετε πάντα την ισότητα - σας λέει αν είστε στο σωστό δρόμο!
| Μορφή Προβλήματος | Τεχνική |
|---|---|
| \(\frac{a^2}{b} + \frac{c^2}{d} + \cdots\) | Titu's Lemma (πρώτη επιλογή!) |
| Γινόμενα όπως \(\sum a_ib_i\) | Κλασική CS |
| \(\frac{a}{b+c} + \frac{b}{a+c} + \frac{c}{a+b}\) | Nesbitt (ή CS) |
| Γεωμετρικά προβλήματα | Διανυσματική CS |
| Τρίγωνα με \(a,b,c\) | Nesbitt + Ravi (Part 4) |
💡 Pro Tips:
1️⃣ Όταν βλέπετε κλάσματα με τετράγωνα στον αριθμητή → Titu
2️⃣ Όταν θέλετε να συσχετίσετε αθροίσματα → Κλασική CS
3️⃣ Η Nesbitt εμφανίζεται σε ~20% των IMO προβλημάτων με ανισότητες!
4️⃣ Συνδυάστε CS με AM-GM για killer combos
5️⃣ Ελέγχετε πάντα την ισότητα - σας λέει αν είστε στο σωστό δρόμο!
🎊 Συγχαρητήρια!
Ολοκληρώσατε το Part 3 του Math Marathon!
Τι κατακτήσατε:
✅ Όλες τις μορφές της Cauchy-Schwarz
✅ Titu's Lemma - το απόλυτο εργαλείο
✅ Γεωμετρική ερμηνεία με διανύσματα
✅ Nesbitt και γενικεύσεις
✅ 5 IMO-level παραδείγματα
✅ 3 αποδείξεις της Nesbitt
✅ Hölder & Minkowski (bonus!)
Ολοκληρώσατε το Part 3 του Math Marathon!
Τι κατακτήσατε:
✅ Όλες τις μορφές της Cauchy-Schwarz
✅ Titu's Lemma - το απόλυτο εργαλείο
✅ Γεωμετρική ερμηνεία με διανύσματα
✅ Nesbitt και γενικεύσεις
✅ 5 IMO-level παραδείγματα
✅ 3 αποδείξεις της Nesbitt
✅ Hölder & Minkowski (bonus!)
📅 Recap της σειράς:
✅ Part 1: Βασικές Ανισότητες & AM-GM
✅ Part 2: Η Βασίλισσα
✅ Part 3: Cauchy-Schwarz & Nesbitt ← Είστε εδώ!
📍 Part 4: Ravi & Chebyshev (επόμενο!)
✅ Part 1: Βασικές Ανισότητες & AM-GM
✅ Part 2: Η Βασίλισσα
✅ Part 3: Cauchy-Schwarz & Nesbitt ← Είστε εδώ!
📍 Part 4: Ravi & Chebyshev (επόμενο!)
Μείνετε συντονισμένοι για το Part 4...
Η κορυφή πλησιάζει! 🎯
Δεν υπάρχουν σχόλια:
Δημοσίευση σχολίου