Inégalité de Nesbitt

Énoncé

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L'inégalité de Nesbitt est un cas particulier de l'inégalité de Shapiro pour trois réels ; elle donne un minorant d'une expression rationnelle de ces réels. Elle s'énonce ainsi [1] :

Théorème — Soient Alors

Démonstrations

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Première démonstration : par l'inégalité de réarrangement

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On suppose, sans perte de généralité, que . On a alors :

En appliquant deux fois l'inégalité de réarrangement, il vient :

et

En ajoutant ces deux inégalités, on obtient :

c'est-à-dire

dont on déduit l'inégalité de Nesbitt.

Deuxième démonstration : par l'inégalité arithmético-harmonique

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Par l'inégalité arithmético-harmonique portant sur ,

Après simplification,

dont on obtient

après développement et rassemblement par dénominateur. D'où le résultat.

Troisième démonstration : par l'inégalité de Cauchy–Schwarz

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En appliquant l'inégalité de Cauchy–Schwarz aux vecteurs , il vient

forme qui est similaire à celle de la preuve précédente.

Quatrième démonstration : par l'inégalité arithmético-géométrique

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Appliquons d'abord une transformation de Ravi : posons . Appliquons l'inégalité arithmético-géométrique aux six nombres pour obtenir

Après division par , on obtient

Exprimons à présent en fonction de  :

qui, après simplification, donne le résultat.

Cinquième démonstration : par le lemme de Titu

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Le lemme de Titu, conséquence directe de l'inégalité de Cauchy–Schwarz, indique que pour toutes familles de réels et de réels positifs , . Utilisons ce lemme pour avec les familles et  :

Après développement

ce qui donne

Or, l'inégalité de réarrangement donne , ce qui prouve que le quotient de droite est inférieur ou égal à . Finalement,

Sixième démonstration : utilisation de l'homogénéité

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Puisque la partie gauche de l'inégalité est homogène, nous pouvons supposer . En posant , , et . Il suffit de montrer , c'est-à-dire, . Une simple application du lemme de Titu fournit le résultat.

Septième démonstration : par l'inégalité de Jensen

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Nous supposons ici aussi . On recherche alors le minimum de

.

Or la fonction définie par est convexe sur , donc d'après l'inégalité de Jensen :

,

d’où l'inégalité voulue.

Huitième démonstration : par l'inégalité de Muirhead

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L'inégalité équivaut à .

Avec les notations introduites dans la page sur l'inégalité de Muirhead, cela équivaut à , ce qui s'obtient par le théorème de Muirhead car majorise [1].

Neuvième démonstration

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L'inégalité équivaut à ,

or le premier membre peut se mettre sous la forme ,

ce qui prouve l'inégalité, et montre de plus que le cas d'égalité est [1].

Références

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  1. a b et c Mohammed Aassila, 100 chalenges mathématiques, Analyse, Ellipses, , p. 305, 325, 390

Voir aussi

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Bibliographie

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