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Prove Z b a (f′′(x))2dx f (a

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Academic year: 2021

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Problem 12142

(American Mathematical Monthly, Vol.126, November 2019) Proposed by C. Chiser (Romania).

Let f : [a, b] → R be a twice continuously differentiable function satisfyingRb

a f(x) dx = 0. Prove Z b

a

(f′′(x))2dx≥ 980 (8√

2 − 1)2 ·(f (a) + f (b))2 (b − a)3 .

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

Solution. After applying integration by parts twice, we find Z b

a (b − x)(x − a)f′′(x) dx = [(b − x)(x − a)f(x)]ba− Z b

a (b + a − 2x)f(x) dx

= 0 − [(b + a − 2x)f(x)]ba− 2 Z b

a

f(x) dx

= (b − a)(f(a) + f(b)) + 0.

On the other hand, by Cauchy-Schwarz inequality Z b

a

(b − x)(x − a)f′′(x) dx

!2

≤ Z b

a

(b − x)2(x − a)2dx Z b

a

(f′′(x))2dx=(b − a)5 30

Z b

a

(f′′(x))2dx.

It follows that

Z b

a

(f′′(x))2dx≥ 30 ·(f (a) + f (b))2 (b − a)3 and we are done since 30 > 980

(8√

2 − 1)2 ≈ 9.21.

Note that 30 is the best constant because for the polynomial

f(x) = 10(x − a)3(2b − a − x) − 3(b − a)4 we haveRb

a f(x) dx = 0, f (a) + f (b) = 4(b − a)46= 0 and (b − a)3

(f (a) + f (b))2 Z b

a

(f′′(x))2dx= 30.



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