Difference between revisions of "2005 IMO Problems/Problem 3"

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Let <math>x, y, z > 0</math> satisfy <math>xyz\ge 1</math>. Prove that <cmath>\frac{x^5-x^2}{x^5+y^2+z^2} + \frac{y^5-y^2}{x^2+y^5+z^2} + \frac{z^5-z^2}{x^2+y^2+z^5} \ge 0.</cmath>
+
\documentclass{article}
 +
\usepackage{amsmath}
 +
\usepackage{amssymb}
 +
\begin{document}
 +
 
 +
\section*{Problem}
 +
Let  
 +
x
 +
,
 +
y
 +
,
 +
z
 +
x,y,z be positive real numbers such that
 +
x
 +
y
 +
z
 +
 +
1
 +
xyz≥1. Prove that:
 +
 
 +
x
 +
5
 +
 +
x
 +
2
 +
x
 +
5
 +
+
 +
y
 +
2
 +
+
 +
z
 +
2
 +
+
 +
y
 +
5
 +
 +
y
 +
2
 +
y
 +
5
 +
+
 +
z
 +
2
 +
+
 +
x
 +
2
 +
+
 +
z
 +
5
 +
 +
z
 +
2
 +
z
 +
5
 +
+
 +
x
 +
2
 +
+
 +
y
 +
2
 +
 +
0.
 +
x
 +
5
 +
+y
 +
2
 +
+z
 +
2
 +
 +
x
 +
5
 +
−x
 +
2
 +
 +
 +
+
 +
y
 +
5
 +
+z
 +
2
 +
+x
 +
2
 +
 +
y
 +
5
 +
−y
 +
2
 +
 +
 +
+
 +
z
 +
5
 +
+x
 +
2
 +
+y
 +
2
 +
 +
z
 +
5
 +
−z
 +
2
 +
 +
 +
≥0.
 +
\section*{Solution}
 +
We first show that for any positive real numbers
 +
x
 +
,
 +
y
 +
,
 +
z
 +
x,y,z, we have
 +
 
 +
x
 +
5
 +
 +
x
 +
2
 +
x
 +
5
 +
+
 +
y
 +
2
 +
+
 +
z
 +
2
 +
 +
x
 +
4
 +
 +
x
 +
x
 +
4
 +
+
 +
y
 +
2
 +
+
 +
z
 +
2
 +
.
 +
x
 +
5
 +
+y
 +
2
 +
+z
 +
2
 +
 +
x
 +
5
 +
−x
 +
2
 +
 +
 +
 +
x
 +
4
 +
+y
 +
2
 +
+z
 +
2
 +
 +
x
 +
4
 +
−x
 +
 +
.
 +
Indeed, consider the difference:
 +
\begin{align*}
 +
&\frac{x^5 - x^2}{x^5 + y^2 + z^2} - \frac{x^4 - x}{x^4 + y^2 + z^2} \
 +
&= \frac{(x^5 - x^2)(x^4 + y^2 + z^2) - (x^4 - x)(x^5 + y^2 + z^2)}{(x^5 + y^2 + z^2)(x^4 + y^2 + z^2)}.
 +
\end{align*}
 +
The numerator simplifies as follows:
 +
\begin{align*}
 +
&(x^5 - x^2)(x^4 + y^2 + z^2) - (x^4 - x)(x^5 + y^2 + z^2) \
 +
&= x^5x^4 + x^5(y^2+z^2) - x^2x^4 - x^2(y^2+z^2) - x^4x^5 - x^4(y^2+z^2) + x x^5 + x(y^2+z^2) \
 +
&= x^5(y^2+z^2) - x^2(y^2+z^2) - x^4(y^2+z^2) + x(y^2+z^2) \
 +
&= (y^2+z^2)(x^5 - x^4 - x^2 + x) \
 +
&= (y^2+z^2)x(x^4 - x^3 - x + 1) \quad \text{(but wait, check: actually, } x^5 - x^4 - x^2 + x = x(x^4 - x^3 - x + 1) \text{? That doesn't factor nicely)}.
 +
\end{align*}
 +
Alternatively, note that:
 +
 
 +
x
 +
5
 +
 +
x
 +
2
 +
=
 +
x
 +
2
 +
(
 +
x
 +
3
 +
 +
1
 +
)
 +
=
 +
x
 +
2
 +
(
 +
x
 +
 +
1
 +
)
 +
(
 +
x
 +
2
 +
+
 +
x
 +
+
 +
1
 +
)
 +
,
 +
x
 +
4
 +
 +
x
 +
=
 +
x
 +
(
 +
x
 +
3
 +
 +
1
 +
)
 +
=
 +
x
 +
(
 +
x
 +
 +
1
 +
)
 +
(
 +
x
 +
2
 +
+
 +
x
 +
+
 +
1
 +
)
 +
.
 +
x
 +
5
 +
−x
 +
2
 +
=x
 +
2
 +
(x
 +
3
 +
−1)=x
 +
2
 +
(x−1)(x
 +
2
 +
+x+1),x
 +
4
 +
−x=x(x
 +
3
 +
−1)=x(x−1)(x
 +
2
 +
+x+1).
 +
So then:
 +
\begin{align*}
 +
&\frac{x^5 - x^2}{x^5 + y^2 + z^2} - \frac{x^4 - x}{x^4 + y^2 + z^2} \
 +
&= \frac{x^2(x-1)(x^2+x+1)}{x^5 + y^2 + z^2} - \frac{x(x-1)(x^2+x+1)}{x^4 + y^2 + z^2} \
 +
&= x(x-1)(x^2+x+1) \left( \frac{x}{x^5 + y^2 + z^2} - \frac{1}{x^4 + y^2 + z^2} \right).
 +
\end{align*}
 +
Now, combine the terms inside the parentheses:
 +
 
 +
x
 +
x
 +
5
 +
+
 +
y
 +
2
 +
+
 +
z
 +
2
 +
 +
1
 +
x
 +
4
 +
+
 +
y
 +
2
 +
+
 +
z
 +
2
 +
=
 +
x
 +
(
 +
x
 +
4
 +
+
 +
y
 +
2
 +
+
 +
z
 +
2
 +
)
 +
 +
(
 +
x
 +
5
 +
+
 +
y
 +
2
 +
+
 +
z
 +
2
 +
)
 +
(
 +
x
 +
5
 +
+
 +
y
 +
2
 +
+
 +
z
 +
2
 +
)
 +
(
 +
x
 +
4
 +
+
 +
y
 +
2
 +
+
 +
z
 +
2
 +
)
 +
=
 +
(
 +
x
 +
5
 +
+
 +
x
 +
(
 +
y
 +
2
 +
+
 +
z
 +
2
 +
)
 +
)
 +
 +
(
 +
x
 +
5
 +
+
 +
y
 +
2
 +
+
 +
z
 +
2
 +
)
 +
(
 +
x
 +
5
 +
+
 +
y
 +
2
 +
+
 +
z
 +
2
 +
)
 +
(
 +
x
 +
4
 +
+
 +
y
 +
2
 +
+
 +
z
 +
2
 +
)
 +
=
 +
(
 +
x
 +
 +
1
 +
)
 +
(
 +
y
 +
2
 +
+
 +
z
 +
2
 +
)
 +
(
 +
x
 +
5
 +
+
 +
y
 +
2
 +
+
 +
z
 +
2
 +
)
 +
(
 +
x
 +
4
 +
+
 +
y
 +
2
 +
+
 +
z
 +
2
 +
)
 +
.
 +
x
 +
5
 +
+y
 +
2
 +
+z
 +
2
 +
 +
x
 +
 +
 +
x
 +
4
 +
+y
 +
2
 +
+z
 +
2
 +
 +
1
 +
 +
=
 +
(x
 +
5
 +
+y
 +
2
 +
+z
 +
2
 +
)(x
 +
4
 +
+y
 +
2
 +
+z
 +
2
 +
)
 +
x(x
 +
4
 +
+y
 +
2
 +
+z
 +
2
 +
)−(x
 +
5
 +
+y
 +
2
 +
+z
 +
2
 +
)
 +
 +
=
 +
(x
 +
5
 +
+y
 +
2
 +
+z
 +
2
 +
)(x
 +
4
 +
+y
 +
2
 +
+z
 +
2
 +
)
 +
(x
 +
5
 +
+x(y
 +
2
 +
+z
 +
2
 +
))−(x
 +
5
 +
+y
 +
2
 +
+z
 +
2
 +
)
 +
 +
=
 +
(x
 +
5
 +
+y
 +
2
 +
+z
 +
2
 +
)(x
 +
4
 +
+y
 +
2
 +
+z
 +
2
 +
)
 +
(x−1)(y
 +
2
 +
+z
 +
2
 +
)
 +
 +
.
 +
Thus, the entire difference becomes:
 +
 
 +
x
 +
(
 +
x
 +
 +
1
 +
)
 +
(
 +
x
 +
2
 +
+
 +
x
 +
+
 +
1
 +
)
 +
 +
(
 +
x
 +
 +
1
 +
)
 +
(
 +
y
 +
2
 +
+
 +
z
 +
2
 +
)
 +
(
 +
x
 +
5
 +
+
 +
y
 +
2
 +
+
 +
z
 +
2
 +
)
 +
(
 +
x
 +
4
 +
+
 +
y
 +
2
 +
+
 +
z
 +
2
 +
)
 +
=
 +
x
 +
(
 +
x
 +
 +
1
 +
)
 +
2
 +
(
 +
x
 +
2
 +
+
 +
x
 +
+
 +
1
 +
)
 +
(
 +
y
 +
2
 +
+
 +
z
 +
2
 +
)
 +
(
 +
x
 +
5
 +
+
 +
y
 +
2
 +
+
 +
z
 +
2
 +
)
 +
(
 +
x
 +
4
 +
+
 +
y
 +
2
 +
+
 +
z
 +
2
 +
)
 +
 +
0.
 +
x(x−1)(x
 +
2
 +
+x+1)⋅
 +
(x
 +
5
 +
+y
 +
2
 +
+z
 +
2
 +
)(x
 +
4
 +
+y
 +
2
 +
+z
 +
2
 +
)
 +
(x−1)(y
 +
2
 +
+z
 +
2
 +
)
 +
 +
=
 +
(x
 +
5
 +
+y
 +
2
 +
+z
 +
2
 +
)(x
 +
4
 +
+y
 +
2
 +
+z
 +
2
 +
)
 +
x(x−1)
 +
2
 +
(x
 +
2
 +
+x+1)(y
 +
2
 +
+z
 +
2
 +
)
 +
 +
≥0.
 +
Hence,
 +
 
 +
x
 +
5
 +
 +
x
 +
2
 +
x
 +
5
 +
+
 +
y
 +
2
 +
+
 +
z
 +
2
 +
 +
x
 +
4
 +
 +
x
 +
x
 +
4
 +
+
 +
y
 +
2
 +
+
 +
z
 +
2
 +
.
 +
x
 +
5
 +
+y
 +
2
 +
+z
 +
2
 +
 +
x
 +
5
 +
−x
 +
2
 +
 +
 +
 +
x
 +
4
 +
+y
 +
2
 +
+z
 +
2
 +
 +
x
 +
4
 +
−x
 +
 +
.
 +
Similarly, we have the analogous inequalities for
 +
y
 +
y and
 +
z
 +
z. Therefore, it suffices to prove that
 +
 
 +
x
 +
4
 +
 +
x
 +
x
 +
4
 +
+
 +
y
 +
2
 +
+
 +
z
 +
2
 +
+
 +
y
 +
4
 +
 +
y
 +
y
 +
4
 +
+
 +
z
 +
2
 +
+
 +
x
 +
2
 +
+
 +
z
 +
4
 +
 +
z
 +
z
 +
4
 +
+
 +
x
 +
2
 +
+
 +
y
 +
2
 +
 +
0
 +
,
 +
x
 +
4
 +
+y
 +
2
 +
+z
 +
2
 +
 +
x
 +
4
 +
−x
 +
 +
+
 +
y
 +
4
 +
+z
 +
2
 +
+x
 +
2
 +
 +
y
 +
4
 +
−y
 +
 +
+
 +
z
 +
4
 +
+x
 +
2
 +
+y
 +
2
 +
 +
z
 +
4
 +
−z
 +
 +
≥0,
 +
or equivalently,
 +
 
 +
x
 +
4
 +
x
 +
4
 +
+
 +
y
 +
2
 +
+
 +
z
 +
2
 +
+
 +
y
 +
4
 +
y
 +
4
 +
+
 +
z
 +
2
 +
+
 +
x
 +
2
 +
+
 +
z
 +
4
 +
z
 +
4
 +
+
 +
x
 +
2
 +
+
 +
y
 +
2
 +
 +
x
 +
x
 +
4
 +
+
 +
y
 +
2
 +
+
 +
z
 +
2
 +
+
 +
y
 +
y
 +
4
 +
+
 +
z
 +
2
 +
+
 +
x
 +
2
 +
+
 +
z
 +
z
 +
4
 +
+
 +
x
 +
2
 +
+
 +
y
 +
2
 +
.
 +
(1)
 +
x
 +
4
 +
+y
 +
2
 +
+z
 +
2
 +
 +
x
 +
4
 +
 +
 +
+
 +
y
 +
4
 +
+z
 +
2
 +
+x
 +
2
 +
 +
y
 +
4
 +
 +
 +
+
 +
z
 +
4
 +
+x
 +
2
 +
+y
 +
2
 +
 +
z
 +
4
 +
 +
 +
 +
x
 +
4
 +
+y
 +
2
 +
+z
 +
2
 +
 +
x
 +
 +
+
 +
y
 +
4
 +
+z
 +
2
 +
+x
 +
2
 +
 +
y
 +
 +
+
 +
z
 +
4
 +
+x
 +
2
 +
+y
 +
2
 +
 +
z
 +
 +
.(1)
 +
Let
 +
t
 +
=
 +
x
 +
+
 +
y
 +
+
 +
z
 +
t=x+y+z. Since
 +
x
 +
,
 +
y
 +
,
 +
z
 +
>
 +
0
 +
x,y,z>0 and
 +
x
 +
y
 +
z
 +
 +
1
 +
xyz≥1, by AM–GM we have
 +
t
 +
 +
3
 +
x
 +
y
 +
z
 +
3
 +
 +
3
 +
t≥3
 +
3
 +
 
 +
xyz
 +
 +
≥3. Also, note that
 +
x
 +
y
 +
+
 +
y
 +
z
 +
+
 +
z
 +
x
 +
 +
t
 +
2
 +
3
 +
xy+yz+zx≤
 +
3
 +
t
 +
2
 +
 +
 +
  and
 +
x
 +
2
 +
+
 +
y
 +
2
 +
+
 +
z
 +
2
 +
 +
t
 +
2
 +
3
 +
x
 +
2
 +
+y
 +
2
 +
+z
 +
2
 +
 +
3
 +
t
 +
2
 +
 +
 +
.
 +
 
 +
Now, we estimate the right-hand side of (1). By the Cauchy–Schwarz inequality, we have:
 +
 
 +
(
 +
x
 +
2
 +
+
 +
y
 +
2
 +
+
 +
z
 +
2
 +
)
 +
2
 +
 +
(
 +
x
 +
4
 +
+
 +
y
 +
2
 +
+
 +
z
 +
2
 +
)
 +
(
 +
1
 +
+
 +
y
 +
2
 +
+
 +
z
 +
2
 +
)
 +
,
 +
(x
 +
2
 +
+y
 +
2
 +
+z
 +
2
 +
)
 +
2
 +
≤(x
 +
4
 +
+y
 +
2
 +
+z
 +
2
 +
)(1+y
 +
2
 +
+z
 +
2
 +
),
 +
since
 +
 
 +
(
 +
x
 +
2
 +
+
 +
y
 +
2
 +
+
 +
z
 +
2
 +
)
 +
2
 +
=
 +
(
 +
x
 +
2
 +
 +
1
 +
+
 +
y
 +
 +
y
 +
+
 +
z
 +
 +
z
 +
)
 +
2
 +
 +
(
 +
x
 +
4
 +
+
 +
y
 +
2
 +
+
 +
z
 +
2
 +
)
 +
(
 +
1
 +
2
 +
+
 +
y
 +
2
 +
+
 +
z
 +
2
 +
)
 +
=
 +
(
 +
x
 +
4
 +
+
 +
y
 +
2
 +
+
 +
z
 +
2
 +
)
 +
(
 +
1
 +
+
 +
y
 +
2
 +
+
 +
z
 +
2
 +
)
 +
.
 +
(x
 +
2
 +
+y
 +
2
 +
+z
 +
2
 +
)
 +
2
 +
=(x
 +
2
 +
⋅1+y⋅y+z⋅z)
 +
2
 +
≤(x
 +
4
 +
+y
 +
2
 +
+z
 +
2
 +
)(1
 +
2
 +
+y
 +
2
 +
+z
 +
2
 +
)=(x
 +
4
 +
+y
 +
2
 +
+z
 +
2
 +
)(1+y
 +
2
 +
+z
 +
2
 +
).
 +
It follows that
 +
 
 +
1
 +
x
 +
4
 +
+
 +
y
 +
2
 +
+
 +
z
 +
2
 +
 +
1
 +
+
 +
y
 +
2
 +
+
 +
z
 +
2
 +
(
 +
x
 +
2
 +
+
 +
y
 +
2
 +
+
 +
z
 +
2
 +
)
 +
2
 +
,
 +
x
 +
4
 +
+y
 +
2
 +
+z
 +
2
 +
 +
1
 +
 +
 +
(x
 +
2
 +
+y
 +
2
 +
+z
 +
2
 +
)
 +
2
 +
 +
1+y
 +
2
 +
+z
 +
2
 +
 +
 +
,
 +
and multiplying by
 +
x
 +
x (which is positive) gives:
 +
 
 +
x
 +
x
 +
4
 +
+
 +
y
 +
2
 +
+
 +
z
 +
2
 +
 +
x
 +
(
 +
1
 +
+
 +
y
 +
2
 +
+
 +
z
 +
2
 +
)
 +
(
 +
x
 +
2
 +
+
 +
y
 +
2
 +
+
 +
z
 +
2
 +
)
 +
2
 +
.
 +
x
 +
4
 +
+y
 +
2
 +
+z
 +
2
 +
 +
x
 +
 +
 +
(x
 +
2
 +
+y
 +
2
 +
+z
 +
2
 +
)
 +
2
 +
 +
x(1+y
 +
2
 +
+z
 +
2
 +
)
 +
 +
.
 +
Similarly,
 +
 
 +
y
 +
y
 +
4
 +
+
 +
z
 +
2
 +
+
 +
x
 +
2
 +
 +
y
 +
(
 +
1
 +
+
 +
z
 +
2
 +
+
 +
x
 +
2
 +
)
 +
(
 +
x
 +
2
 +
+
 +
y
 +
2
 +
+
 +
z
 +
2
 +
)
 +
2
 +
,
 +
z
 +
z
 +
4
 +
+
 +
x
 +
2
 +
+
 +
y
 +
2
 +
 +
z
 +
(
 +
1
 +
+
 +
x
 +
2
 +
+
 +
y
 +
2
 +
)
 +
(
 +
x
 +
2
 +
+
 +
y
 +
2
 +
+
 +
z
 +
2
 +
)
 +
2
 +
.
 +
y
 +
4
 +
+z
 +
2
 +
+x
 +
2
 +
 +
y
 +
 +
 +
(x
 +
2
 +
+y
 +
2
 +
+z
 +
2
 +
)
 +
2
 +
 +
y(1+z
 +
2
 +
+x
 +
2
 +
)
 +
 +
,
 +
z
 +
4
 +
+x
 +
2
 +
+y
 +
2
 +
 +
z
 +
 +
 +
(x
 +
2
 +
+y
 +
2
 +
+z
 +
2
 +
)
 +
2
 +
 +
z(1+x
 +
2
 +
+y
 +
2
 +
)
 +
 +
.
 +
Summing these, we obtain:
 +
 
 +
 +
x
 +
x
 +
4
 +
+
 +
y
 +
2
 +
+
 +
z
 +
2
 +
 +
1
 +
(
 +
x
 +
2
 +
+
 +
y
 +
2
 +
+
 +
z
 +
2
 +
)
 +
2
 +
[
 +
 +
x
 +
+
 +
 +
x
 +
(
 +
y
 +
2
 +
+
 +
z
 +
2
 +
)
 +
]
 +
.
 +
 +
x
 +
4
 +
+y
 +
2
 +
+z
 +
2
 +
 +
x
 +
 +
 +
(x
 +
2
 +
+y
 +
2
 +
+z
 +
2
 +
)
 +
2
 +
 +
1
 +
 +
[∑x+∑x(y
 +
2
 +
+z
 +
2
 +
)].
 +
Now, note that
 +
 
 +
 +
x
 +
(
 +
y
 +
2
 +
+
 +
z
 +
2
 +
)
 +
=
 +
 +
(
 +
x
 +
y
 +
2
 +
+
 +
x
 +
z
 +
2
 +
)
 +
=
 +
(
 +
x
 +
y
 +
2
 +
+
 +
x
 +
z
 +
2
 +
)
 +
+
 +
(
 +
y
 +
z
 +
2
 +
+
 +
y
 +
x
 +
2
 +
)
 +
+
 +
(
 +
z
 +
x
 +
2
 +
+
 +
z
 +
y
 +
2
 +
)
 +
=
 +
(
 +
x
 +
+
 +
y
 +
+
 +
z
 +
)
 +
(
 +
x
 +
y
 +
+
 +
y
 +
z
 +
+
 +
z
 +
x
 +
)
 +
 +
3
 +
x
 +
y
 +
z
 +
.
 +
∑x(y
 +
2
 +
+z
 +
2
 +
)=∑(xy
 +
2
 +
+xz
 +
2
 +
)=(xy
 +
2
 +
+xz
 +
2
 +
)+(yz
 +
2
 +
+yx
 +
2
 +
)+(zx
 +
2
 +
+zy
 +
2
 +
)=(x+y+z)(xy+yz+zx)−3xyz.
 +
Thus,
 +
 
 +
 +
x
 +
x
 +
4
 +
+
 +
y
 +
2
 +
+
 +
z
 +
2
 +
 +
t
 +
+
 +
t
 +
(
 +
x
 +
y
 +
+
 +
y
 +
z
 +
+
 +
z
 +
x
 +
)
 +
 +
3
 +
x
 +
y
 +
z
 +
(
 +
x
 +
2
 +
+
 +
y
 +
2
 +
+
 +
z
 +
2
 +
)
 +
2
 +
.
 +
 +
x
 +
4
 +
+y
 +
2
 +
+z
 +
2
 +
 +
x
 +
 +
 +
(x
 +
2
 +
+y
 +
2
 +
+z
 +
2
 +
)
 +
2
 +
 +
t+t(xy+yz+zx)−3xyz
 +
 +
.
 +
Since
 +
x
 +
y
 +
z
 +
 +
1
 +
xyz≥1, we have
 +
 +
3
 +
x
 +
y
 +
z
 +
 +
 +
3
 +
−3xyz≤−3. Also,
 +
x
 +
y
 +
+
 +
y
 +
z
 +
+
 +
z
 +
x
 +
 +
t
 +
2
 +
3
 +
xy+yz+zx≤
 +
3
 +
t
 +
2
 +
 +
 +
  and
 +
x
 +
2
 +
+
 +
y
 +
2
 +
+
 +
z
 +
2
 +
 +
t
 +
2
 +
3
 +
x
 +
2
 +
+y
 +
2
 +
+z
 +
2
 +
 +
3
 +
t
 +
2
 +
 +
 +
, so
 +
 
 +
(
 +
x
 +
2
 +
+
 +
y
 +
2
 +
+
 +
z
 +
2
 +
)
 +
2
 +
 +
(
 +
t
 +
2
 +
3
 +
)
 +
2
 +
=
 +
t
 +
4
 +
9
 +
.
 +
(x
 +
2
 +
+y
 +
2
 +
+z
 +
2
 +
)
 +
2
 +
≥(
 +
3
 +
t
 +
2
 +
 +
 +
)
 +
2
 +
=
 +
9
 +
t
 +
4
 +
 +
 +
.
 +
Therefore,
 +
 
 +
 +
x
 +
x
 +
4
 +
+
 +
y
 +
2
 +
+
 +
z
 +
2
 +
 +
t
 +
+
 +
t
 +
 +
t
 +
2
 +
3
 +
 +
3
 +
(
 +
t
 +
2
 +
/
 +
3
 +
)
 +
2
 +
=
 +
t
 +
+
 +
t
 +
3
 +
3
 +
 +
3
 +
t
 +
4
 +
/
 +
9
 +
=
 +
9
 +
(
 +
t
 +
+
 +
t
 +
3
 +
3
 +
 +
3
 +
)
 +
t
 +
4
 +
=
 +
9
 +
t
 +
+
 +
3
 +
t
 +
3
 +
 +
27
 +
t
 +
4
 +
=
 +
3
 +
t
 +
3
 +
+
 +
9
 +
t
 +
 +
27
 +
t
 +
4
 +
.
 +
 +
x
 +
4
 +
+y
 +
2
 +
+z
 +
2
 +
 +
x
 +
 +
 +
(t
 +
2
 +
/3)
 +
2
 +
 +
t+t⋅
 +
3
 +
t
 +
2
 +
 +
 +
−3
 +
 +
=
 +
t
 +
4
 +
/9
 +
t+
 +
3
 +
t
 +
3
 +
 +
 +
−3
 +
 +
=
 +
t
 +
4
 +
 +
9(t+
 +
3
 +
t
 +
3
 +
 +
 +
−3)
 +
 +
=
 +
t
 +
4
 +
 +
9t+3t
 +
3
 +
−27
 +
 +
=
 +
t
 +
4
 +
 +
3t
 +
3
 +
+9t−27
 +
 +
.
 +
We now show that
 +
 
 +
3
 +
t
 +
3
 +
+
 +
9
 +
t
 +
 +
27
 +
t
 +
4
 +
 +
1.
 +
t
 +
4
 +
 +
3t
 +
3
 +
+9t−27
 +
 +
≤1.
 +
This is equivalent to
 +
 
 +
3
 +
t
 +
3
 +
+
 +
9
 +
t
 +
 +
27
 +
 +
t
 +
4
 +
 +
t
 +
4
 +
 +
3
 +
t
 +
3
 +
 +
9
 +
t
 +
+
 +
27
 +
 +
0.
 +
3t
 +
3
 +
+9t−27≤t
 +
4
 +
⇔t
 +
4
 +
−3t
 +
3
 +
−9t+27≥0.
 +
Factor the left-hand side:
 +
 
 +
t
 +
4
 +
 +
3
 +
t
 +
3
 +
 +
9
 +
t
 +
+
 +
27
 +
=
 +
(
 +
t
 +
 +
3
 +
)
 +
(
 +
t
 +
3
 +
 +
9
 +
)
 +
.
 +
t
 +
4
 +
−3t
 +
3
 +
−9t+27=(t−3)(t
 +
3
 +
−9).
 +
For
 +
t
 +
 +
3
 +
t≥3, we have
 +
t
 +
 +
3
 +
 +
0
 +
t−3≥0 and
 +
t
 +
3
 +
 +
9
 +
 +
18
 +
t
 +
3
 +
−9≥18, so indeed
 +
(
 +
t
 +
 +
3
 +
)
 +
(
 +
t
 +
3
 +
 +
9
 +
)
 +
 +
0
 +
(t−3)(t
 +
3
 +
−9)≥0. Hence,
 +
 
 +
 +
x
 +
x
 +
4
 +
+
 +
y
 +
2
 +
+
 +
z
 +
2
 +
 +
1.
 +
(2)
 +
 +
x
 +
4
 +
+y
 +
2
 +
+z
 +
2
 +
 +
x
 +
 +
≤1.(2)
 +
Now, we estimate the left-hand side of (1). Note that
 +
 
 +
x
 +
4
 +
x
 +
4
 +
+
 +
y
 +
2
 +
+
 +
z
 +
2
 +
=
 +
x
 +
6
 +
x
 +
6
 +
+
 +
x
 +
2
 +
y
 +
2
 +
+
 +
x
 +
2
 +
z
 +
2
 +
,
 +
x
 +
4
 +
+y
 +
2
 +
+z
 +
2
 +
 +
x
 +
4
 +
 +
 +
=
 +
x
 +
6
 +
+x
 +
2
 +
y
 +
2
 +
+x
 +
2
 +
z
 +
2
 +
 +
x
 +
6
 +
 +
 +
,
 +
and similarly for the other terms. So,
 +
 
 +
 +
x
 +
4
 +
x
 +
4
 +
+
 +
y
 +
2
 +
+
 +
z
 +
2
 +
=
 +
 +
x
 +
6
 +
x
 +
6
 +
+
 +
x
 +
2
 +
y
 +
2
 +
+
 +
x
 +
2
 +
z
 +
2
 +
.
 +
 +
x
 +
4
 +
+y
 +
2
 +
+z
 +
2
 +
 +
x
 +
4
 +
 +
 +
=∑
 +
x
 +
6
 +
+x
 +
2
 +
y
 +
2
 +
+x
 +
2
 +
z
 +
2
 +
 +
x
 +
6
 +
 +
 +
.
 +
By the Cauchy–Schwarz inequality (Titu's lemma), we have:
 +
 
 +
 +
x
 +
6
 +
x
 +
6
 +
+
 +
x
 +
2
 +
y
 +
2
 +
+
 +
x
 +
2
 +
z
 +
2
 +
 +
(
 +
x
 +
3
 +
+
 +
y
 +
3
 +
+
 +
z
 +
3
 +
)
 +
2
 +
 +
(
 +
x
 +
6
 +
+
 +
x
 +
2
 +
y
 +
2
 +
+
 +
x
 +
2
 +
z
 +
2
 +
)
 +
=
 +
(
 +
x
 +
3
 +
+
 +
y
 +
3
 +
+
 +
z
 +
3
 +
)
 +
2
 +
x
 +
6
 +
+
 +
y
 +
6
 +
+
 +
z
 +
6
 +
+
 +
2
 +
(
 +
x
 +
2
 +
y
 +
2
 +
+
 +
y
 +
2
 +
z
 +
2
 +
+
 +
z
 +
2
 +
x
 +
2
 +
)
 +
.
 +
(3)
 +
 +
x
 +
6
 +
+x
 +
2
 +
y
 +
2
 +
+x
 +
2
 +
z
 +
2
 +
 +
x
 +
6
 +
 +
 +
 +
∑(x
 +
6
 +
+x
 +
2
 +
y
 +
2
 +
+x
 +
2
 +
z
 +
2
 +
)
 +
(x
 +
3
 +
+y
 +
3
 +
+z
 +
3
 +
)
 +
2
 +
 +
 +
=
 +
x
 +
6
 +
+y
 +
6
 +
+z
 +
6
 +
+2(x
 +
2
 +
y
 +
2
 +
+y
 +
2
 +
z
 +
2
 +
+z
 +
2
 +
x
 +
2
 +
)
 +
(x
 +
3
 +
+y
 +
3
 +
+z
 +
3
 +
)
 +
2
 +
 +
 +
.(3)
 +
We claim that
 +
 
 +
(
 +
x
 +
3
 +
+
 +
y
 +
3
 +
+
 +
z
 +
3
 +
)
 +
2
 +
 +
x
 +
6
 +
+
 +
y
 +
6
 +
+
 +
z
 +
6
 +
+
 +
2
 +
(
 +
x
 +
2
 +
y
 +
2
 +
+
 +
y
 +
2
 +
z
 +
2
 +
+
 +
z
 +
2
 +
x
 +
2
 +
)
 +
.
 +
(x
 +
3
 +
+y
 +
3
 +
+z
 +
3
 +
)
 +
2
 +
≥x
 +
6
 +
+y
 +
6
 +
+z
 +
6
 +
+2(x
 +
2
 +
y
 +
2
 +
+y
 +
2
 +
z
 +
2
 +
+z
 +
2
 +
x
 +
2
 +
).
 +
Expanding the left-hand side:
 +
 
 +
(
 +
x
 +
3
 +
+
 +
y
 +
3
 +
+
 +
z
 +
3
 +
)
 +
2
 +
=
 +
x
 +
6
 +
+
 +
y
 +
6
 +
+
 +
z
 +
6
 +
+
 +
2
 +
(
 +
x
 +
3
 +
y
 +
3
 +
+
 +
y
 +
3
 +
z
 +
3
 +
+
 +
z
 +
3
 +
x
 +
3
 +
)
 +
.
 +
(x
 +
3
 +
+y
 +
3
 +
+z
 +
3
 +
)
 +
2
 +
=x
 +
6
 +
+y
 +
6
 +
+z
 +
6
 +
+2(x
 +
3
 +
y
 +
3
 +
+y
 +
3
 +
z
 +
3
 +
+z
 +
3
 +
x
 +
3
 +
).
 +
Thus, the inequality is equivalent to
 +
 
 +
x
 +
3
 +
y
 +
3
 +
+
 +
y
 +
3
 +
z
 +
3
 +
+
 +
z
 +
3
 +
x
 +
3
 +
 +
x
 +
2
 +
y
 +
2
 +
+
 +
y
 +
2
 +
z
 +
2
 +
+
 +
z
 +
2
 +
x
 +
2
 +
.
 +
(4)
 +
x
 +
3
 +
y
 +
3
 +
+y
 +
3
 +
z
 +
3
 +
+z
 +
3
 +
x
 +
3
 +
≥x
 +
2
 +
y
 +
2
 +
+y
 +
2
 +
z
 +
2
 +
+z
 +
2
 +
x
 +
2
 +
.(4)
 +
Let
 +
a
 +
=
 +
x
 +
y
 +
a=xy,
 +
b
 +
=
 +
y
 +
z
 +
b=yz,
 +
c
 +
=
 +
z
 +
x
 +
c=zx. Then
 +
a
 +
b
 +
c
 +
=
 +
x
 +
2
 +
y
 +
2
 +
z
 +
2
 +
 +
1
 +
abc=x
 +
2
 +
y
 +
2
 +
z
 +
2
 +
≥1, and inequality (4) becomes:
 +
 
 +
a
 +
3
 +
+
 +
b
 +
3
 +
+
 +
c
 +
3
 +
 +
a
 +
2
 +
+
 +
b
 +
2
 +
+
 +
c
 +
2
 +
.
 +
a
 +
3
 +
+b
 +
3
 +
+c
 +
3
 +
≥a
 +
2
 +
+b
 +
2
 +
+c
 +
2
 +
.
 +
We now prove this. By the AM–GM inequality,
 +
a
 +
3
 +
+
 +
b
 +
3
 +
+
 +
c
 +
3
 +
 +
3
 +
a
 +
b
 +
c
 +
 +
3
 +
a
 +
3
 +
+b
 +
3
 +
+c
 +
3
 +
≥3abc≥3. Also, by the power mean inequality, we have:
 +
 
 +
(
 +
a
 +
3
 +
+
 +
b
 +
3
 +
+
 +
c
 +
3
 +
3
 +
)
 +
1
 +
/
 +
3
 +
 +
(
 +
a
 +
2
 +
+
 +
b
 +
2
 +
+
 +
c
 +
2
 +
3
 +
)
 +
1
 +
/
 +
2
 +
,
 +
(
 +
3
 +
a
 +
3
 +
+b
 +
3
 +
+c
 +
3
 +
 +
 +
)
 +
1/3
 +
≥(
 +
3
 +
a
 +
2
 +
+b
 +
2
 +
+c
 +
2
 +
 +
 +
)
 +
1/2
 +
,
 +
which implies
 +
 
 +
a
 +
3
 +
+
 +
b
 +
3
 +
+
 +
c
 +
3
 +
 +
3
 +
(
 +
a
 +
2
 +
+
 +
b
 +
2
 +
+
 +
c
 +
2
 +
3
 +
)
 +
3
 +
/
 +
2
 +
=
 +
(
 +
a
 +
2
 +
+
 +
b
 +
2
 +
+
 +
c
 +
2
 +
)
 +
3
 +
/
 +
2
 +
3
 +
.
 +
a
 +
3
 +
+b
 +
3
 +
+c
 +
3
 +
≥3(
 +
3
 +
a
 +
2
 +
+b
 +
2
 +
+c
 +
2
 +
 +
 +
)
 +
3/2
 +
=
 +
3
 +
 +
 +
(a
 +
2
 +
+b
 +
2
 +
+c
 +
2
 +
)
 +
3/2
 +
 +
 +
.
 +
Squaring both sides (all positive) gives:
 +
 
 +
(
 +
a
 +
3
 +
+
 +
b
 +
3
 +
+
 +
c
 +
3
 +
)
 +
2
 +
 +
(
 +
a
 +
2
 +
+
 +
b
 +
2
 +
+
 +
c
 +
2
 +
)
 +
3
 +
3
 +
.
 +
(a
 +
3
 +
+b
 +
3
 +
+c
 +
3
 +
)
 +
2
 +
 +
3
 +
(a
 +
2
 +
+b
 +
2
 +
+c
 +
2
 +
)
 +
3
 +
 +
 +
.
 +
That is,
 +
 
 +
(
 +
a
 +
2
 +
+
 +
b
 +
2
 +
+
 +
c
 +
2
 +
)
 +
3
 +
 +
3
 +
(
 +
a
 +
3
 +
+
 +
b
 +
3
 +
+
 +
c
 +
3
 +
)
 +
2
 +
.
 +
(5)
 +
(a
 +
2
 +
+b
 +
2
 +
+c
 +
2
 +
)
 +
3
 +
≤3(a
 +
3
 +
+b
 +
3
 +
+c
 +
3
 +
)
 +
2
 +
.(5)
 +
On the other hand, since
 +
a
 +
3
 +
+
 +
b
 +
3
 +
+
 +
c
 +
3
 +
 +
3
 +
a
 +
3
 +
+b
 +
3
 +
+c
 +
3
 +
≥3, we have
 +
 
 +
3
 +
(
 +
a
 +
3
 +
+
 +
b
 +
3
 +
+
 +
c
 +
3
 +
)
 +
2
 +
 +
(
 +
a
 +
3
 +
+
 +
b
 +
3
 +
+
 +
c
 +
3
 +
)
 +
3
 +
,
 +
because
 +
(
 +
a
 +
3
 +
+
 +
b
 +
3
 +
+
 +
c
 +
3
 +
)
 +
3
 +
 +
3
 +
(
 +
a
 +
3
 +
+
 +
b
 +
3
 +
+
 +
c
 +
3
 +
)
 +
2
 +
 +
a
 +
3
 +
+
 +
b
 +
3
 +
+
 +
c
 +
3
 +
 +
3.
 +
3(a
 +
3
 +
+b
 +
3
 +
+c
 +
3
 +
)
 +
2
 +
≤(a
 +
3
 +
+b
 +
3
 +
+c
 +
3
 +
)
 +
3
 +
,because(a
 +
3
 +
+b
 +
3
 +
+c
 +
3
 +
)
 +
3
 +
≥3(a
 +
3
 +
+b
 +
3
 +
+c
 +
3
 +
)
 +
2
 +
⇔a
 +
3
 +
+b
 +
3
 +
+c
 +
3
 +
≥3.
 +
Combining with (5), we get:
 +
 
 +
(
 +
a
 +
2
 +
+
 +
b
 +
2
 +
+
 +
c
 +
2
 +
)
 +
3
 +
 +
(
 +
a
 +
3
 +
+
 +
b
 +
3
 +
+
 +
c
 +
3
 +
)
 +
3
 +
,
 +
(a
 +
2
 +
+b
 +
2
 +
+c
 +
2
 +
)
 +
3
 +
≤(a
 +
3
 +
+b
 +
3
 +
+c
 +
3
 +
)
 +
3
 +
,
 +
so taking cube roots yields
 +
a
 +
2
 +
+
 +
b
 +
2
 +
+
 +
c
 +
2
 +
 +
a
 +
3
 +
+
 +
b
 +
3
 +
+
 +
c
 +
3
 +
a
 +
2
 +
+b
 +
2
 +
+c
 +
2
 +
≤a
 +
3
 +
+b
 +
3
 +
+c
 +
3
 +
, as desired.
 +
 
 +
Therefore, from (3) we obtain
 +
 
 +
 +
x
 +
4
 +
x
 +
4
 +
+
 +
y
 +
2
 +
+
 +
z
 +
2
 +
 +
1.
 +
(6)
 +
 +
x
 +
4
 +
+y
 +
2
 +
+z
 +
2
 +
 +
x
 +
4
 +
 +
 +
≥1.(6)
 +
Combining (2) and (6), we have
 +
 
 +
 +
x
 +
4
 +
x
 +
4
 +
+
 +
y
 +
2
 +
+
 +
z
 +
2
 +
 +
1
 +
 +
 +
x
 +
x
 +
4
 +
+
 +
y
 +
2
 +
+
 +
z
 +
2
 +
,
 +
 +
x
 +
4
 +
+y
 +
2
 +
+z
 +
2
 +
 +
x
 +
4
 +
 +
 +
≥1≥∑
 +
x
 +
4
 +
+y
 +
2
 +
+z
 +
2
 +
 +
x
 +
 +
,
 +
which proves (1). Hence, the original inequality holds.
 +
 
 +
Equality occurs when
 +
x
 +
=
 +
y
 +
=
 +
z
 +
=
 +
1
 +
x=y=z=1.
 +
 
 +
\end{document}

Latest revision as of 03:37, 4 September 2025

\documentclass{article} \usepackage{amsmath} \usepackage{amssymb} \begin{document}

\section*{Problem} Let x , y , z x,y,z be positive real numbers such that x y z ≥ 1 xyz≥1. Prove that:

x 5 − x 2 x 5 + y 2 + z 2 + y 5 − y 2 y 5 + z 2 + x 2 + z 5 − z 2 z 5 + x 2 + y 2 ≥ 0. x 5

+y 

2

+z 

2

x 5

−x 

2

+ 

y 5

+z 

2

+x 

2

y 5

−y 

2

+ 

z 5

+x 

2

+y 

2

z 5

−z 

2

≥0.

\section*{Solution} We first show that for any positive real numbers x , y , z x,y,z, we have

x 5 − x 2 x 5 + y 2 + z 2 ≥ x 4 − x x 4 + y 2 + z 2 . x 5

+y 

2

+z 

2

x 5

−x 

2

x 4

+y 

2

+z 

2

x 4

−x

.

Indeed, consider the difference: \begin{align*} &\frac{x^5 - x^2}{x^5 + y^2 + z^2} - \frac{x^4 - x}{x^4 + y^2 + z^2} \ &= \frac{(x^5 - x^2)(x^4 + y^2 + z^2) - (x^4 - x)(x^5 + y^2 + z^2)}{(x^5 + y^2 + z^2)(x^4 + y^2 + z^2)}. \end{align*} The numerator simplifies as follows: \begin{align*} &(x^5 - x^2)(x^4 + y^2 + z^2) - (x^4 - x)(x^5 + y^2 + z^2) \ &= x^5x^4 + x^5(y^2+z^2) - x^2x^4 - x^2(y^2+z^2) - x^4x^5 - x^4(y^2+z^2) + x x^5 + x(y^2+z^2) \ &= x^5(y^2+z^2) - x^2(y^2+z^2) - x^4(y^2+z^2) + x(y^2+z^2) \ &= (y^2+z^2)(x^5 - x^4 - x^2 + x) \ &= (y^2+z^2)x(x^4 - x^3 - x + 1) \quad \text{(but wait, check: actually, } x^5 - x^4 - x^2 + x = x(x^4 - x^3 - x + 1) \text{? That doesn't factor nicely)}. \end{align*} Alternatively, note that:

x 5 − x 2 = x 2 ( x 3 − 1 ) = x 2 ( x − 1 ) ( x 2 + x + 1 ) , x 4 − x = x ( x 3 − 1 ) = x ( x − 1 ) ( x 2 + x + 1 ) . x 5

−x 

2

=x 

2

(x 

3

−1)=x 

2

(x−1)(x 

2

+x+1),x 

4

−x=x(x 

3

−1)=x(x−1)(x 

2

+x+1).

So then: \begin{align*} &\frac{x^5 - x^2}{x^5 + y^2 + z^2} - \frac{x^4 - x}{x^4 + y^2 + z^2} \ &= \frac{x^2(x-1)(x^2+x+1)}{x^5 + y^2 + z^2} - \frac{x(x-1)(x^2+x+1)}{x^4 + y^2 + z^2} \ &= x(x-1)(x^2+x+1) \left( \frac{x}{x^5 + y^2 + z^2} - \frac{1}{x^4 + y^2 + z^2} \right). \end{align*} Now, combine the terms inside the parentheses:

x x 5 + y 2 + z 2 − 1 x 4 + y 2 + z 2 = x ( x 4 + y 2 + z 2 ) − ( x 5 + y 2 + z 2 ) ( x 5 + y 2 + z 2 ) ( x 4 + y 2 + z 2 ) = ( x 5 + x ( y 2 + z 2 ) ) − ( x 5 + y 2 + z 2 ) ( x 5 + y 2 + z 2 ) ( x 4 + y 2 + z 2 ) = ( x − 1 ) ( y 2 + z 2 ) ( x 5 + y 2 + z 2 ) ( x 4 + y 2 + z 2 ) . x 5

+y 

2

+z 

2

x ​

x 4

+y 

2

+z 

2

1 ​

= 

(x 5

+y 

2

+z 

2

)(x 

4

+y 

2

+z 

2

)

x(x 4

+y 

2

+z 

2

)−(x 

5

+y 

2

+z 

2

)

= 

(x 5

+y 

2

+z 

2

)(x 

4

+y 

2

+z 

2

)

(x 5

+x(y 

2

+z 

2

))−(x 

5

+y 

2

+z 

2

)

= 

(x 5

+y 

2

+z 

2

)(x 

4

+y 

2

+z 

2

)

(x−1)(y 2

+z 

2

)

.

Thus, the entire difference becomes:

x ( x − 1 ) ( x 2 + x + 1 ) ⋅ ( x − 1 ) ( y 2 + z 2 ) ( x 5 + y 2 + z 2 ) ( x 4 + y 2 + z 2 ) = x ( x − 1 ) 2 ( x 2 + x + 1 ) ( y 2 + z 2 ) ( x 5 + y 2 + z 2 ) ( x 4 + y 2 + z 2 ) ≥ 0. x(x−1)(x 2

+x+1)⋅ 

(x 5

+y 

2

+z 

2

)(x 

4

+y 

2

+z 

2

)

(x−1)(y 2

+z 

2

)

= 

(x 5

+y 

2

+z 

2

)(x 

4

+y 

2

+z 

2

)

x(x−1) 2

(x 

2

+x+1)(y 

2

+z 

2

)

≥0.

Hence,

x 5 − x 2 x 5 + y 2 + z 2 ≥ x 4 − x x 4 + y 2 + z 2 . x 5

+y 

2

+z 

2

x 5

−x 

2

x 4

+y 

2

+z 

2

x 4

−x

.

Similarly, we have the analogous inequalities for y y and z z. Therefore, it suffices to prove that

x 4 − x x 4 + y 2 + z 2 + y 4 − y y 4 + z 2 + x 2 + z 4 − z z 4 + x 2 + y 2 ≥ 0 , x 4

+y 

2

+z 

2

x 4

−x

+ 

y 4

+z 

2

+x 

2

y 4

−y

+ 

z 4

+x 

2

+y 

2

z 4

−z

≥0,

or equivalently,

x 4 x 4 + y 2 + z 2 + y 4 y 4 + z 2 + x 2 + z 4 z 4 + x 2 + y 2 ≥ x x 4 + y 2 + z 2 + y y 4 + z 2 + x 2 + z z 4 + x 2 + y 2 . (1) x 4

+y 

2

+z 

2

x 4

+ 

y 4

+z 

2

+x 

2

y 4

+ 

z 4

+x 

2

+y 

2

z 4

x 4

+y 

2

+z 

2

x ​

+ 

y 4

+z 

2

+x 

2

y ​

+ 

z 4

+x 

2

+y 

2

z ​

.(1)

Let t = x + y + z t=x+y+z. Since x , y , z > 0 x,y,z>0 and x y z ≥ 1 xyz≥1, by AM–GM we have t ≥ 3 x y z 3 ≥ 3 t≥3 3

xyz ​

≥3. Also, note that 

x y + y z + z x ≤ t 2 3 xy+yz+zx≤ 3 t 2

 and 

x 2 + y 2 + z 2 ≥ t 2 3 x 2

+y 

2

+z 

2

3 t 2

.

Now, we estimate the right-hand side of (1). By the Cauchy–Schwarz inequality, we have:

( x 2 + y 2 + z 2 ) 2 ≤ ( x 4 + y 2 + z 2 ) ( 1 + y 2 + z 2 ) , (x 2

+y 

2

+z 

2

) 

2

≤(x 

4

+y 

2

+z 

2

)(1+y 

2

+z 

2

),

since

( x 2 + y 2 + z 2 ) 2 = ( x 2 ⋅ 1 + y ⋅ y + z ⋅ z ) 2 ≤ ( x 4 + y 2 + z 2 ) ( 1 2 + y 2 + z 2 ) = ( x 4 + y 2 + z 2 ) ( 1 + y 2 + z 2 ) . (x 2

+y 

2

+z 

2

) 

2

=(x 

2

⋅1+y⋅y+z⋅z) 

2

≤(x 

4

+y 

2

+z 

2

)(1 

2

+y 

2

+z 

2

)=(x 

4

+y 

2

+z 

2

)(1+y 

2

+z 

2

).

It follows that

1 x 4 + y 2 + z 2 ≤ 1 + y 2 + z 2 ( x 2 + y 2 + z 2 ) 2 , x 4

+y 

2

+z 

2

1 ​

(x 2

+y 

2

+z 

2

) 

2

1+y 2

+z 

2

,

and multiplying by x x (which is positive) gives:

x x 4 + y 2 + z 2 ≤ x ( 1 + y 2 + z 2 ) ( x 2 + y 2 + z 2 ) 2 . x 4

+y 

2

+z 

2

x ​

(x 2

+y 

2

+z 

2

) 

2

x(1+y 2

+z 

2

)

.

Similarly,

y y 4 + z 2 + x 2 ≤ y ( 1 + z 2 + x 2 ) ( x 2 + y 2 + z 2 ) 2 , z z 4 + x 2 + y 2 ≤ z ( 1 + x 2 + y 2 ) ( x 2 + y 2 + z 2 ) 2 . y 4

+z 

2

+x 

2

y ​

(x 2

+y 

2

+z 

2

) 

2

y(1+z 2

+x 

2

)

, 

z 4

+x 

2

+y 

2

z ​

(x 2

+y 

2

+z 

2

) 

2

z(1+x 2

+y 

2

)

.

Summing these, we obtain:

∑ x x 4 + y 2 + z 2 ≤ 1 ( x 2 + y 2 + z 2 ) 2 [ ∑ x + ∑ x ( y 2 + z 2 ) ] . ∑ x 4

+y 

2

+z 

2

x ​

(x 2

+y 

2

+z 

2

) 

2

1 ​

[∑x+∑x(y 

2

+z 

2

)].

Now, note that

∑ x ( y 2 + z 2 ) = ∑ ( x y 2 + x z 2 ) = ( x y 2 + x z 2 ) + ( y z 2 + y x 2 ) + ( z x 2 + z y 2 ) = ( x + y + z ) ( x y + y z + z x ) − 3 x y z . ∑x(y 2

+z 

2

)=∑(xy 

2

+xz 

2

)=(xy 

2

+xz 

2

)+(yz 

2

+yx 

2

)+(zx 

2

+zy 

2

)=(x+y+z)(xy+yz+zx)−3xyz.

Thus,

∑ x x 4 + y 2 + z 2 ≤ t + t ( x y + y z + z x ) − 3 x y z ( x 2 + y 2 + z 2 ) 2 . ∑ x 4

+y 

2

+z 

2

x ​

(x 2

+y 

2

+z 

2

) 

2

t+t(xy+yz+zx)−3xyz ​

.

Since x y z ≥ 1 xyz≥1, we have − 3 x y z ≤ − 3 −3xyz≤−3. Also, x y + y z + z x ≤ t 2 3 xy+yz+zx≤ 3 t 2

 and 

x 2 + y 2 + z 2 ≥ t 2 3 x 2

+y 

2

+z 

2

3 t 2

, so

( x 2 + y 2 + z 2 ) 2 ≥ ( t 2 3 ) 2 = t 4 9 . (x 2

+y 

2

+z 

2

) 

2

≥( 

3 t 2

) 

2

= 

9 t 4

.

Therefore,

∑ x x 4 + y 2 + z 2 ≤ t + t ⋅ t 2 3 − 3 ( t 2 / 3 ) 2 = t + t 3 3 − 3 t 4 / 9 = 9 ( t + t 3 3 − 3 ) t 4 = 9 t + 3 t 3 − 27 t 4 = 3 t 3 + 9 t − 27 t 4 . ∑ x 4

+y 

2

+z 

2

x ​

(t 2

/3) 

2

t+t⋅ 3 t 2

−3

= 

t 4

/9

t+ 3 t 3

−3

= 

t 4

9(t+ 3 t 3

−3)

= 

t 4

9t+3t 3

−27

= 

t 4

3t 3

+9t−27

.

We now show that

3 t 3 + 9 t − 27 t 4 ≤ 1. t 4

3t 3

+9t−27

≤1.

This is equivalent to

3 t 3 + 9 t − 27 ≤ t 4 ⇔ t 4 − 3 t 3 − 9 t + 27 ≥ 0. 3t 3

+9t−27≤t 

4

⇔t 

4

−3t 

3

−9t+27≥0.

Factor the left-hand side:

t 4 − 3 t 3 − 9 t + 27 = ( t − 3 ) ( t 3 − 9 ) . t 4

−3t 

3

−9t+27=(t−3)(t 

3

−9).

For t ≥ 3 t≥3, we have t − 3 ≥ 0 t−3≥0 and t 3 − 9 ≥ 18 t 3

−9≥18, so indeed 

( t − 3 ) ( t 3 − 9 ) ≥ 0 (t−3)(t 3

−9)≥0. Hence,

∑ x x 4 + y 2 + z 2 ≤ 1. (2) ∑ x 4

+y 

2

+z 

2

x ​

≤1.(2)

Now, we estimate the left-hand side of (1). Note that

x 4 x 4 + y 2 + z 2 = x 6 x 6 + x 2 y 2 + x 2 z 2 , x 4

+y 

2

+z 

2

x 4

= 

x 6

+x 

2

y 

2

+x 

2

z 

2

x 6

,

and similarly for the other terms. So,

∑ x 4 x 4 + y 2 + z 2 = ∑ x 6 x 6 + x 2 y 2 + x 2 z 2 . ∑ x 4

+y 

2

+z 

2

x 4

=∑ 

x 6

+x 

2

y 

2

+x 

2

z 

2

x 6

.

By the Cauchy–Schwarz inequality (Titu's lemma), we have:

∑ x 6 x 6 + x 2 y 2 + x 2 z 2 ≥ ( x 3 + y 3 + z 3 ) 2 ∑ ( x 6 + x 2 y 2 + x 2 z 2 ) = ( x 3 + y 3 + z 3 ) 2 x 6 + y 6 + z 6 + 2 ( x 2 y 2 + y 2 z 2 + z 2 x 2 ) . (3) ∑ x 6

+x 

2

y 

2

+x 

2

z 

2

x 6

∑(x 6

+x 

2

y 

2

+x 

2

z 

2

)

(x 3

+y 

3

+z 

3

) 

2

= 

x 6

+y 

6

+z 

6

+2(x 

2

y 

2

+y 

2

z 

2

+z 

2

x 

2

)

(x 3

+y 

3

+z 

3

) 

2

.(3)

We claim that

( x 3 + y 3 + z 3 ) 2 ≥ x 6 + y 6 + z 6 + 2 ( x 2 y 2 + y 2 z 2 + z 2 x 2 ) . (x 3

+y 

3

+z 

3

) 

2

≥x 

6

+y 

6

+z 

6

+2(x 

2

y 

2

+y 

2

z 

2

+z 

2

x 

2

).

Expanding the left-hand side:

( x 3 + y 3 + z 3 ) 2 = x 6 + y 6 + z 6 + 2 ( x 3 y 3 + y 3 z 3 + z 3 x 3 ) . (x 3

+y 

3

+z 

3

) 

2

=x 

6

+y 

6

+z 

6

+2(x 

3

y 

3

+y 

3

z 

3

+z 

3

x 

3

).

Thus, the inequality is equivalent to

x 3 y 3 + y 3 z 3 + z 3 x 3 ≥ x 2 y 2 + y 2 z 2 + z 2 x 2 . (4) x 3

y 

3

+y 

3

z 

3

+z 

3

x 

3

≥x 

2

y 

2

+y 

2

z 

2

+z 

2

x 

2

.(4)

Let a = x y a=xy, b = y z b=yz, c = z x c=zx. Then a b c = x 2 y 2 z 2 ≥ 1 abc=x 2

y 

2

z 

2

≥1, and inequality (4) becomes:

a 3 + b 3 + c 3 ≥ a 2 + b 2 + c 2 . a 3

+b 

3

+c 

3

≥a 

2

+b 

2

+c 

2

.

We now prove this. By the AM–GM inequality, a 3 + b 3 + c 3 ≥ 3 a b c ≥ 3 a 3

+b 

3

+c 

3

≥3abc≥3. Also, by the power mean inequality, we have:

( a 3 + b 3 + c 3 3 ) 1 / 3 ≥ ( a 2 + b 2 + c 2 3 ) 1 / 2 , ( 3 a 3

+b 

3

+c 

3

) 

1/3

≥( 

3 a 2

+b 

2

+c 

2

) 

1/2

,

which implies

a 3 + b 3 + c 3 ≥ 3 ( a 2 + b 2 + c 2 3 ) 3 / 2 = ( a 2 + b 2 + c 2 ) 3 / 2 3 . a 3

+b 

3

+c 

3

≥3( 

3 a 2

+b 

2

+c 

2

) 

3/2

= 

3 ​

(a 2

+b 

2

+c 

2

) 

3/2

.

Squaring both sides (all positive) gives:

( a 3 + b 3 + c 3 ) 2 ≥ ( a 2 + b 2 + c 2 ) 3 3 . (a 3

+b 

3

+c 

3

) 

2

3 (a 2

+b 

2

+c 

2

) 

3

.

That is,

( a 2 + b 2 + c 2 ) 3 ≤ 3 ( a 3 + b 3 + c 3 ) 2 . (5) (a 2

+b 

2

+c 

2

) 

3

≤3(a 

3

+b 

3

+c 

3

) 

2

.(5)

On the other hand, since a 3 + b 3 + c 3 ≥ 3 a 3

+b 

3

+c 

3

≥3, we have

3 ( a 3 + b 3 + c 3 ) 2 ≤ ( a 3 + b 3 + c 3 ) 3 , because ( a 3 + b 3 + c 3 ) 3 ≥ 3 ( a 3 + b 3 + c 3 ) 2 ⇔ a 3 + b 3 + c 3 ≥ 3. 3(a 3

+b 

3

+c 

3

) 

2

≤(a 

3

+b 

3

+c 

3

) 

3

,because(a 

3

+b 

3

+c 

3

) 

3

≥3(a 

3

+b 

3

+c 

3

) 

2

⇔a 

3

+b 

3

+c 

3

≥3.

Combining with (5), we get:

( a 2 + b 2 + c 2 ) 3 ≤ ( a 3 + b 3 + c 3 ) 3 , (a 2

+b 

2

+c 

2

) 

3

≤(a 

3

+b 

3

+c 

3

) 

3

,

so taking cube roots yields a 2 + b 2 + c 2 ≤ a 3 + b 3 + c 3 a 2

+b 

2

+c 

2

≤a 

3

+b 

3

+c 

3

, as desired.

Therefore, from (3) we obtain

∑ x 4 x 4 + y 2 + z 2 ≥ 1. (6) ∑ x 4

+y 

2

+z 

2

x 4

≥1.(6)

Combining (2) and (6), we have

∑ x 4 x 4 + y 2 + z 2 ≥ 1 ≥ ∑ x x 4 + y 2 + z 2 , ∑ x 4

+y 

2

+z 

2

x 4

≥1≥∑ 

x 4

+y 

2

+z 

2

x ​

,

which proves (1). Hence, the original inequality holds.

Equality occurs when x = y = z = 1 x=y=z=1.

\end{document}