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By Cauchy-Schwarz inequality, B ≥ b2 and equality holds iff g is constant

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Academic year: 2021

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Problem 11360

(American Mathematical Monthly, Vol.115, April 2008) Proposed by C. Lupu and T. Lupu (Romania).

Letf and g be continuous real-valued functions on [0, 1] satisfying the conditionR1

0 f g = 0. Show that

Z 1

0

f2 Z 1

0

g2≥ 4

Z 1 0

f Z 1

0

g

2

and

Z 1

0

f2

Z 1

0

g

2 +

Z 1

0

g2

Z 1

0

f

2

≥ 4

Z 1

0

f Z 1

0

g

2 .

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

Let

Z 1

0

f2= A, Z 1

0

g2= B, Z 1

0

f = a, Z 1

0

g = b, we will prove that

AB ≥ Ab2+ Ba2≥ 4a2b2.

By Cauchy-Schwarz inequality, B ≥ b2 and equality holds iff g is constant. In that case,R1

0 f g = 0 implies that a = 0 and the inequalities hold trivially. So we can assume that B > b2.

By Cauchy-Schwarz inequality, for any real t we have that Z 1

0

1 · Z 1

0

(f + tg)2

Z 1

0

[1 · (f + tg)]

2

that is, sinceR1

0 f g = 0,

A + Bt2≥ a2+ 2abt + b2t2 or

A ≥ sup

t∈R

{a2+ 2abt − (B − b2)t2}.

Since B > b2, then the second degree polynomial assume its maximum value for t = ab/(B − b2) and we have that

A ≥ a2+ 2ab ab

(B − b2)− (B − b2) a2b2

(B − b2)2 = a2+ a2b2 (B − b2) that is

AB ≥ Ab2+ Ba2. Finally, again by Cauchy-Schwarz inequality,

AB ≥ Ab2+ Ba2= Z 1

0

(bf + ag)2

Z 1

0

(bf + ag)

2

= (2ab)2= 4a2b2.



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