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We will show that for t 6= 0 and α &gt

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Academic year: 2021

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Problem 11369

(American Mathematical Monthly, Vol.115, June 2008) Proposed by D. Knuth (USA).

Prove that for all real t, and all α≥2,

eαt+ e−αt−2 ≤ (et+ e−t)α−2α.

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

Equality holds trivially for t = 0 or for α = 2.

We will show that for t 6= 0 and α > 2 then

eαt+ e−αt−2 < (et+ e−t)α−2α. Let

f(x) = (x + x−1)α− xα− x−α

then, by letting x = et, it suffices to show that f (x) > f (1) for x > 0 and x 6= 1.

Since f (x) = f (x−1) it suffices to prove that f is strictly decreasing in (0, 1).

Assume that 0 < x < 1 then

f(x) = α(x + x−1)α−1(1 − x−2) − αxα−1+ αx−α+1<0 is equivalent to

(1 + x2)α−1> 1 − x 1 − x2 .

By Bernoulli inequality ((1 + t)a>1 + at for a > 1 and for any t ≥ −1 and t 6= 0) then (1 + x2)α−1>1 + (α − 1)x2,

and

1 + (α − 1)x2>1 − x

1 − x2 = 1 + 1 − x2(α−1) 1 − x2

 x2 holds as soon as

α−1 > 1 − x2(α−1) 1 − x2 that is

x2(α−1)>1 + (α − 1)(x2−1) which holds again by Bernoulli inequality

x2(α−1)= (1 + (x2−1))α−1>1 + (α − 1)(x2−1).



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