Question Number 110704 by Aina Samuel Temidayo last updated on 30/Aug/20
$$\mathrm{Find}\:\mathrm{the}\:\mathrm{minimum}\:\mathrm{value}\:\mathrm{of} \\ $$$$\frac{\mathrm{n}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}}{\mathrm{n}}+\frac{\mathrm{n}}{\mathrm{n}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}},\mathrm{n}>\mathrm{0} \\ $$
Answered by mr W last updated on 30/Aug/20
$$\frac{{n}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}}{{n}}+\frac{{n}}{{n}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}} \\ $$$$=\left({n}+\frac{\mathrm{1}}{{n}}\right)+\frac{\mathrm{1}}{\left({n}+\frac{\mathrm{1}}{{n}}\right)} \\ $$$${n}+\frac{\mathrm{1}}{{n}}\geqslant\mathrm{2}\sqrt{{n}×\frac{\mathrm{1}}{{n}}}=\mathrm{2} \\ $$$${so}\:{the}\:{question}\:{is}\:{to}\:{find}\:{the}\:{minimum} \\ $$$${of}\:{function}\:{f}\left({x}\right)={x}+\frac{\mathrm{1}}{{x}}\:{for}\:{x}\geqslant\mathrm{2}. \\ $$$${f}'\left({x}\right)=\mathrm{1}−\frac{\mathrm{1}}{{x}^{\mathrm{2}} }>\mathrm{0}\:{for}\:{x}>\mathrm{1} \\ $$$${that}\:{means}\:{f}\left({x}\right)\:{is}\:{strictly}\:{increasing} \\ $$$${for}\:{x}>\mathrm{1},\:{so}\:{for}\:{x}\geqslant\mathrm{2}\:{we}\:{have} \\ $$$${f}\left({x}\right)_{{min}} ={f}\left(\mathrm{2}\right)=\mathrm{2}+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}=\frac{\mathrm{5}}{\mathrm{2}}. \\ $$
Answered by floor(10²Eta[1]) last updated on 30/Aug/20
$$\mathrm{with}\:\mathrm{AM}−\mathrm{GM}\:\mathrm{inequality}: \\ $$$$\frac{\frac{\mathrm{n}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}}{\mathrm{n}}+\frac{\mathrm{n}}{\mathrm{n}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}}}{\mathrm{2}}\geqslant\sqrt{\left(\frac{\mathrm{n}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}}{\mathrm{n}}\right)\left(\frac{\mathrm{n}}{\mathrm{n}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}}\right)}=\mathrm{1} \\ $$$$\Rightarrow\frac{\mathrm{n}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}}{\mathrm{n}}+\frac{\mathrm{n}}{\mathrm{n}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}}\geqslant\mathrm{2} \\ $$$$\mathrm{the}\:\mathrm{minimum}\:\mathrm{value}\:\mathrm{is}\:\mathrm{2}. \\ $$
Commented by Aina Samuel Temidayo last updated on 30/Aug/20
$$\mathrm{Thanks}\:\mathrm{but}\:\mathrm{the}\:\mathrm{answer}\:\mathrm{is}\:\mathrm{5}/\mathrm{2}.\:\mathrm{I}\:\mathrm{was} \\ $$$$\mathrm{also}\:\mathrm{surprised}\:\mathrm{when}\:\mathrm{I}\:\mathrm{found}\:\mathrm{out}\:\mathrm{it}\:\mathrm{was} \\ $$$$\mathrm{5}/\mathrm{2}. \\ $$
Commented by Aina Samuel Temidayo last updated on 30/Aug/20
$$\mathrm{I}\:\mathrm{don}'\mathrm{t}\:\mathrm{know}\:\mathrm{why}\:\mathrm{AM}−\mathrm{GM}\:\mathrm{doesn}'\mathrm{t} \\ $$$$\mathrm{work}\:\mathrm{here}. \\ $$
Commented by mnjuly1970 last updated on 30/Aug/20
$${if}\:\left({min}\:=\mathrm{2}\right)\:{then}\:: \\ $$$$ \\ $$$$\frac{{n}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}}{{n}}\:=\frac{{n}}{{n}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}}\Rightarrow{n}^{\mathrm{4}} +\mathrm{2}{n}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}={n}^{\mathrm{2}} \\ $$$${n}^{\mathrm{4}} +{n}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}=\mathrm{0}\Rightarrow{n}\notin\mathbb{R} \\ $$$$ \\ $$$${solution}:\:\mathrm{F}\left({n}\right)=\left({n}\overset{\left.\left[{min}\right]\right]} {+}\frac{\mathrm{1}}{{n}}\right)\:+\left(\frac{\overset{\left[{max}\right]} {\mathrm{1}}}{{n}\:+\frac{\mathrm{1}}{{n}}}\right)\:\:\:\:\: \\ $$$$\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:{min}\left(\mathrm{F}\left({n}\right)\right)=\mathrm{2}+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\:=\frac{\mathrm{5}}{\mathrm{2}} \\ $$$$\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:…\mathscr{M}.\mathscr{N}.{july}\:\mathrm{1970}# \\ $$
Commented by Aina Samuel Temidayo last updated on 30/Aug/20
$$\mathrm{Thanks}. \\ $$
Answered by $@y@m last updated on 30/Aug/20
$${Let}\:{y}=\frac{\mathrm{n}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}}{\mathrm{n}}+\frac{\mathrm{n}}{\mathrm{n}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}},\mathrm{n}>\mathrm{0} \\ $$$$\Rightarrow{y}=\frac{\left({n}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} +{n}^{\mathrm{2}} }{{n}\left({n}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}\right)} \\ $$$$\Rightarrow{y}=\frac{{n}^{\mathrm{4}} +\mathrm{3}{n}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}}{{n}^{\mathrm{3}} +{n}} \\ $$$$\frac{{dy}}{{dn}}=\frac{\left({n}^{\mathrm{3}} +{n}\right)\left(\mathrm{4}{n}^{\mathrm{3}} +\mathrm{6}{n}\right)−\left({n}^{\mathrm{4}} +\mathrm{3}{n}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}\right)\left(\mathrm{3}{n}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}\right)}{\left({n}^{\mathrm{3}} +{n}\right)^{\mathrm{2}} } \\ $$$$\frac{{dy}}{{dn}}=\frac{\mathrm{4}{n}^{\mathrm{6}} +\mathrm{10}{n}^{\mathrm{4}} +\mathrm{6}{n}^{\mathrm{2}} −\left(\mathrm{3}{n}^{\mathrm{6}} +\mathrm{10}{n}^{\mathrm{4}} +\mathrm{6}{n}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}\right)}{\left({n}^{\mathrm{3}} +{n}\right)^{\mathrm{2}} } \\ $$$$\frac{{dy}}{{dn}}=\frac{{n}^{\mathrm{6}} −\mathrm{1}}{\left({n}^{\mathrm{3}} +{n}\right)^{\mathrm{2}} }\:\:\:….\left(\mathrm{1}\right) \\ $$$${For}\:{maxima}\:{or}\:{minima}, \\ $$$$\frac{{dy}}{{dn}}=\mathrm{0} \\ $$$$\Rightarrow{n}^{\mathrm{6}} −\mathrm{1}=\mathrm{0} \\ $$$$\Rightarrow{n}=\mathrm{1} \\ $$$${Now},\:\frac{{d}^{\mathrm{2}} {y}}{{dn}^{\mathrm{2}} }=\frac{\left({n}^{\mathrm{3}} +{n}\right)^{\mathrm{2}} \mathrm{6}{n}^{\mathrm{5}} −\left({n}^{\mathrm{6}} −\mathrm{1}\right).\mathrm{2}\left({n}^{\mathrm{3}} +{n}\right)\left(\mathrm{3}{n}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}\right)}{\left({n}^{\mathrm{3}} +{n}\right)^{\mathrm{4}} } \\ $$$$\:\left[\frac{{d}^{\mathrm{2}} {y}}{{dn}_{\:\:} ^{\mathrm{2}} }\right]_{{at}\:{n}=\mathrm{1}} =\frac{\mathrm{4}.\mathrm{6}.\mathrm{1}−\mathrm{0}}{\mathrm{2}^{\mathrm{4}} }=\frac{\mathrm{3}}{\mathrm{2}}>\mathrm{0} \\ $$$$\therefore\:{y}\:{is}\:{minimum}\:{at}\:{n}=\mathrm{1} \\ $$$$\Rightarrow{y}_{{min}} =\frac{\mathrm{1}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}}{\mathrm{1}}+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{1}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}}=\mathrm{2}+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}=\frac{\mathrm{5}}{\mathrm{2}} \\ $$$$ \\ $$
Commented by Aina Samuel Temidayo last updated on 03/Sep/20
$$\mathrm{Thanks}. \\ $$