Ii
MATU • Algebra
MATU_INEC_031
Solving Problems in Algebra and Trigonometry Litvinenko Mordkovich
Enunciado
Demostrar que para $a, b \in \mathbb{R}$:
$$ a^4 + b^4 \ge a^3b + ab^3 $$
$$ a^4 + b^4 \ge a^3b + ab^3 $$
Solución Paso a Paso
1. Reordenamiento:
Trasladamos todos los términos al lado izquierdo de la desigualdad:
$$ a^4 - a^3b + b^4 - ab^3 \ge 0 $$
2. Factorización por agrupación:
Agrupamos los términos convenientemente:
$$ (a^4 - a^3b) - (ab^3 - b^4) \ge 0 $$
Extraemos el factor común en cada paréntesis:
$$ a^3(a - b) - b^3(a - b) \ge 0 $$
Ahora extraemos el factor común $(a - b)$:
$$ (a - b)(a^3 - b^3) \ge 0 $$
3. Aplicación de la diferencia de cubos:
Recordamos que $a^3 - b^3 = (a - b)(a^2 + ab + b^2)$. Sustituimos:
$$ (a - b)(a - b)(a^2 + ab + b^2) \ge 0 $$
$$ (a - b)^2 (a^2 + ab + b^2) \ge 0 $$
4. Análisis de signos:
Al ser el producto de dos factores no negativos, el resultado es siempre mayor o igual a cero.
$$ \boxed{a^4 + b^4 \ge a^3b + ab^3} $$
Trasladamos todos los términos al lado izquierdo de la desigualdad:
$$ a^4 - a^3b + b^4 - ab^3 \ge 0 $$
2. Factorización por agrupación:
Agrupamos los términos convenientemente:
$$ (a^4 - a^3b) - (ab^3 - b^4) \ge 0 $$
Extraemos el factor común en cada paréntesis:
$$ a^3(a - b) - b^3(a - b) \ge 0 $$
Ahora extraemos el factor común $(a - b)$:
$$ (a - b)(a^3 - b^3) \ge 0 $$
3. Aplicación de la diferencia de cubos:
Recordamos que $a^3 - b^3 = (a - b)(a^2 + ab + b^2)$. Sustituimos:
$$ (a - b)(a - b)(a^2 + ab + b^2) \ge 0 $$
$$ (a - b)^2 (a^2 + ab + b^2) \ge 0 $$
4. Análisis de signos:
- $(a - b)^2 \ge 0$ por ser una potencia par.
- $a^2 + ab + b^2$ es siempre $\ge 0$ (demostrado en el ejercicio 227).
Al ser el producto de dos factores no negativos, el resultado es siempre mayor o igual a cero.
$$ \boxed{a^4 + b^4 \ge a^3b + ab^3} $$