Problem B. 4321. (December 2010)
B. 4321. Prove that the following inequality is true in every triangle: .
From the journal Ifjúsági Matematikai Lapok, Kolozsvár
(5 pont)
Deadline expired on January 10, 2011.
Sorry, the solution is available only in Hungarian. Google translation
Megoldás. A háromszög csúcsait a szokásos módon jelölve, az \(\displaystyle A\) csúcsból húzott szögharmadolóknak a körülírt körrel alkotott metszéspontjait jelölje \(\displaystyle D\) és \(\displaystyle E\) az ábrán látható módon.
A kerületi szögek tétele szerint \(\displaystyle CD=DE=EB=d\), továbbá a \(\displaystyle BCE\) és \(\displaystyle CBD\) szögek nagysága egyaránt \(\displaystyle \alpha/3\). Így a szinusz-tétel alapján a bizonyítandó egyenlőtlenség ekvivalens az
\(\displaystyle \frac{AC}{AE}+\frac{AB}{AD}>\frac{2}{3}\cdot\frac{BC}{DE},\)
vagyis a
\(\displaystyle 3AC\cdot AD\cdot DE+3AB\cdot AE\cdot DE>2BC\cdot AD\cdot AE\)
egyenlőtlenséggel. Az \(\displaystyle ABDC\) és \(\displaystyle ABEC\) húrnégyszögekre a Ptolemaiosz-tételt felírva kapjuk, hogy
\(\displaystyle BC\cdot AD\cdot AE=(AB\cdot CD+AC\cdot BD)AE= (AB\cdot CE+AC\cdot BE)AD.\)
Ennek alapján a bizonyítandó egyenlőtlenséget átírhatjuk
\(\displaystyle 3AC\cdot AD+3AB\cdot AE> AB\cdot AE +AC\cdot\frac{BD}{d}\cdot AE+AB\cdot\frac{CE}{d}\cdot AD+ AC\cdot AD\)
alakra. Minthogy \(\displaystyle BD=CE<2d\), elegendő a
\(\displaystyle 2AC\cdot AD+2AB\cdot AE\ge 2AC\cdot AE+2AB\cdot AD,\)
vagy egyszerűbb alakban, az
\(\displaystyle (AC-AB)(AD-AE)\ge 0\)
egyenlőtlenséget igazolni, ami a szinusz-tétel alapján ekvivalens a
\(\displaystyle (\sin\beta-\sin\gamma)\Bigl(\sin \left(\beta+\frac{\alpha}{3}\right) - \sin \left(\gamma+\frac{\alpha}{3}\right)\Bigr)\ge 0\)
egyenlőtlenséggel.
Szimmetria okok miatt feltehetjük, hogy \(\displaystyle \beta\ge \gamma\), ekkor \(\displaystyle \sin\beta\ge \sin\gamma\). Belátjuk, hogy ekkor a fenti szorzat második tényezője sem negatív. Mivel most \(\displaystyle \gamma+\frac{\alpha}{3} <\frac{\pi}{2}\), ez egyet jelent a
\(\displaystyle \gamma+\frac{\alpha}{3}\le \beta+\frac{\alpha}{3}\le\pi- \left(\gamma+\frac{\alpha}{3}\right)\)
egyenlőtlenséggel, ami viszont nyilvánvalóan teljesül.
A megoldásból az is leolvasható, hogy az egyenlőtlenségben szereplő \(\displaystyle \frac{2}{3}\) szorzótényező nem helyettesíthető nagyobb konstanssal; ehhez elegendő azokat a háromszögeket megnézni, amelyekben \(\displaystyle \alpha=2\varepsilon\), \(\displaystyle \beta=\gamma=\frac{\pi}{2}- \varepsilon\), ahol \(\displaystyle \varepsilon\) elegendően kicsi.
Statistics:
17 students sent a solution. 5 points: Bogár Blanka, Damásdi Gábor, Dudás 002 Zsolt, Énekes Péter, Fonyó Viktória, Lenger Dániel, Máthé László, Szabó 928 Attila, Tekeli Tamás, Viharos Andor. 4 points: Perjési Gábor. 3 points: 6 students.
Problems in Mathematics of KöMaL, December 2010