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Since a2n+1= 0 and a2&gt

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Academic year: 2021

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Problem 11861

(American Mathematical Monthly, Vol.122, October 2015) Proposed by Phu Cuong Le Van (Vietnam).

Letn be a natural number and let f be a continuous function from [0, 1] to R such thatR1

0 f (x)2n+1dx = 0. Prove that

(2n + 1)2n+1 (2n)2n

Z 1 0

f (x)dx

4n

≤ Z 1

0

(f (x))4ndx.

Solution proposed by Roberto Tauraso, Dipartimento di Matematica, Universit`a di Roma “Tor Vergata”, via della Ricerca Scientifica, 00133 Roma, Italy.

For t ∈ R, by Cauchy-Schwarz inequality,

Z 1 0

(t + f (x)2n)f (x)dx

2

≤ Z 1

0

(t + f (x)2n)2dx Z 1

0

f (x)2dx,

Let ak =R1

0 f (x)kdx and assume that f is not identically zero (otherwise the inequality is trivial).

Since a2n+1= 0 and a2> 0, it follows that

a21t2= (a1t + a2n+1)2≤(t2+ 2a2nt + a4n)a2, that is

 a21 a2

−1



t2−2a2nt ≤ a4n.

By Cauchy-Schwarz inequality a21≤a2. More precisely, we have that a21< a2because equality holds iff f is constant which is in contradiction with the facts: a2n+1= 0 and a2> 0.

Now the LHS is a concave quadratic function with respect to t and it attains its maximum value at t = a2n/a2

a1 2 −1

. Hence, we get

a2n+12

(a2−a21)

CS

≤ a22n

1 − aa21

2

 ≤ a4n.

The LHS is a convex function with respect to a2 for a2 > a21 and it attains its minimum value at a2= (2n + 1)a21/(2n). Therefore

(2n + 1)2n+1

(2n)2n a4n1 = ((2n + 1)a21/(2n))2n+1 ((2n + 1)a21/(2n) − a21) ≤a4n

and the proof is complete. 

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