Ｋｌａｍｋｉｎ不等式的改進

張　紅

文［1］給出了關于三角形三邊的Klamkin不等式：ab+bc+ca≥13(a+b+c)(1a+1b+1c) (1)的如下一個逆向形式：ab+bc+ca≤13(a+b+c)(1b+c-a+1c+a-b+1a+b-c) (2)

文［2］把(2)加強為：ab+bc+ca≤23(a+b+c)(1a+1b+1c)-3 (3)

本文首先指出(1)和(3)是等價的.理由如下：

由輪換對稱性，(1)赽a+cb+ac≥13(a+b+c)(1a+1b+1c)3(a2b+b2c+c2a)≥(a2b+b2c+c2a)+(a2c+c2b+b2a)+3abc2(a2b+b2c+c2a)≥a2c+c2b+b2a+3abc(3).

下面給出(1)、(3)的兩個改進形式.

ab+bc+ca≥

5(a+b)(b+c)(c+a)-(a3+b3+c3)9abc-109 (4)

ab+bc+ca≤

4(a+b)(b+c)(c+a)+(a3+b3+c3)9abc-89 (5)

證明：∵(4)9(a2c+c2b+b2a)≥5(a2c+c2b+b2a)+5(a2b+b2c+c2a)-(a3+b3+c3)赼3+b3+c3≥(a2b+b2c+c2a)+4·(a2b+b2c+c2a-a2c-c2b-b2a)赼3+b3+c3≥a

2b+b2c+c2a+4(a-c)(c-b)(b-a) (6)

同樣地，(5)赼3+b3+c3≥a2c+c2b+b2a+4(a-b)(b-c)(c-a) (7)

由于(6)、(7)都是關于a、b、c的輪換對稱式，且在(6)中把b、c互換即得(7)，所以(6)(7)，從而(4)(5).因此只要證明(6)即可.

我們來證明(6)的加強式：a3+b3+c3≥a2b+b2c+c2a+4|(a-c)(c-b)(b-a

)| (8)

若a、b、c中至少有兩數相等，則(8)顯然成立.

否則，不妨設a=max{a、b、c}.

①若a>b>c,則

(8)赼2(a-b)+b2(b-c)+c2(c-a)≥4(a-b)(b-c)(a-c)赼2(a-b)+b2(b-c)+c2(c-b)+c2(b-a)≥4(a-b)(a-c)(c-b)(a-b)(a+c)(a-c)+(b-c)2·(b+c)≥4(a-b)(b-c)(a-c)赼+cb-c+(b-c)(b+c)(a-b)(a-c)≥4.

由a-b2(b+c)(b+c)cb≥2(2bc)2bc=4.∴(9)成立.

②若a>c>b，則(8)赼2(a-b)+b2(b-c)+c2(c-a)≥4(a-b)(b-c)(a-c)赼2(a-c)+a2(c-b)+b2(b-c)+c2(c-a)≥4(a-b)(a-c)(c-b)(a-c)2(a+c)+(c-b)(a+b)(a-b)≥4(a-b)(a-c)(c-b)(a-c)(a+c)(a-b)(c-b)+a+ba-c≥4 (10)

i)當a≥23c時，則a-c≥12c,a+c≥52c,由于a-b

∴(a-c)(a+c)(a-b)(c-b)>12c·52cc·c=54>1.

∵a-c1+cc+bb=3.∴(10)成立.

ii)當a<32c時，則a+ba-c=a-ca-c+ba-c+ca-c>1+bb+c32c-c=4.∴(10)也成立.

綜上所述，(8)成立，從而(4)和(5)也成立.

從證明過程可知(4)、(5)等號成立的充要條件是a=b=c.

下面設s,R,r分別為三角形的半周長，外接圓和內切圓的半徑，則有13(a+b+c)(1a+1b+1c)=(a+b+c)(ab+bc+ca)3abc=2s(s2+4Rr+r2)12Rrs=s2+4Rr+r26Rr,

5(a+b)(b+c)(c+a)-(a3+b3+c3)9abc-109=136sRr［10s(s2+2Rr+r2)-2s(s2-6Rr-3r2)-40sRr］=2s2-2Rr+4r29Rr.

由Gerretsen不等式s2≥16Rr-5r2，得2s2-2Rr+4r29Rr-s2+4Rr+r26Rr=

s2-16Rr+5r218Rr≥0.

可見(4)是(1)的一個加強.由于(5)(4)，(3)(1)，所以(5)也是(3)的一個加強.

另外，通過(8)還能得到(3)的另一個優美的改造形式ab+bc+ca≤a3+b3+c3abc-4|(a-b)(b-c)(c-a)abc|.(11)

最后提出一問題就教于讀者：(11)右邊的系數4的最佳改進值應為多少?

參考文獻

［1］宿曉陽.Klamkin不等式的上界估計.中等數學，1999(3).

［2］陳勝利.Klamkin不等式上界估計的改進.中等數學，2001(5).

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文