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kf k2kgk2 α2kf k2− β2kgk22 ≥ 0

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Academic year: 2021

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Problem 11667

(American Mathematical Monthly, Vol.119, October 2012) Proposed by Cezar Lupu (Romania).

Let f , g, and h be elements of an inner product space over R, with hf, gi = 0.

(a) Show that hf, f ihg, gihh, hi2≥ 4hg, hi2hh, f i2.

(b) Show that hf, f ihh, hihh, f i2+ hg, gihh, hihg, hi2≥ 4hg, hi2hh, f i2.

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

If f = 0 or g = 0 then (a) and (b) are trivial. Assume that f 6= 0 and g 6= 0. Let r = h − αf − βg where

α = hf, hi

kf k2, β = hg, hi kgk2, then hr, f i = hr, gi = 0 and hh, hi = α2kf k2+ β2kgk2+ krk2. (a) We have that

hf, f ihg, gihh, hi2− 4hg, hi2hh, f i2= kf k2kgk22kf k2+ β2kgk2+ krk2)2− 4α2kf k4β2kgk4

≥ kf k2kgk22kf k2+ β2kgk2)2− 4α2β2kf k2kgk2

= kf k2kgk2 α2kf k2− β2kgk22

≥ 0.

(b) We have that

hf, f ihh, hihh, f i2+ hg, gihh, hihg, hi2− 4hg, hi2hh, f i2

= (α2kf k2+ β2kgk2+ krk2)(α2kf k6+ β2kgk6) − 4α2kf k4β2kgk4

≥ (α2kf k2+ β2kgk2)(α2kf k6+ β2kgk6) − 4α2β2kf k4kgk4

≥ (α2kf k4+ β2kgk4)2− 4α2β2kf k4kgk4

≥ (α2kf k4− β2kgk4)2≥ 0

where at the third step we used the fact that, by Cauchy-Schwarz inequality, (α2kf k2+ β2kgk2)(α2kf k6+ β2kgk6) ≥ (α2kf k4+ β2kgk4)2.



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