Question Number 115033 by bobhans last updated on 23/Sep/20
$${If}\:{a}\:{and}\:{b}\:{positive}\:{real}\:{number}\:{where} \\ $$$${a}^{\mathrm{505}} \:+\:{b}^{\mathrm{505}} \:=\:\mathrm{1},\:{then}\:{minimum}\:{value} \\ $$$${a}^{\mathrm{2020}} \:+\:{b}^{\mathrm{2020}} \:{is}\:\_\_ \\ $$
Answered by 1549442205PVT last updated on 23/Sep/20
$$\mathrm{Put}\:\mathrm{a}^{\mathrm{505}} =\mathrm{x},\mathrm{b}^{\mathrm{505}} =\mathrm{y}\Rightarrow\mathrm{x}+\mathrm{y}=\mathrm{1}.\mathrm{We}\:\mathrm{need} \\ $$$$\mathrm{find}\:\mathrm{minimum}\:\mathrm{value}\:\mathrm{of}\:\mathrm{P}=\mathrm{x}^{\mathrm{4}} +\mathrm{y}^{\mathrm{4}} \\ $$$$\mathrm{Since}\:\mathrm{x},\mathrm{y}>\mathrm{0},\mathrm{1}=\mathrm{x}+\mathrm{y}=\left(\sqrt{\mathrm{x}}−\sqrt{\mathrm{y}}\right)^{\mathrm{2}} +\mathrm{2}\sqrt{\mathrm{xy}}\geqslant\mathrm{2}\sqrt{\mathrm{xy}} \\ $$$$\Rightarrow\sqrt{\mathrm{xy}}\leqslant\mathrm{1}/\mathrm{2}\Rightarrow\mathrm{xy}\leqslant\mathrm{1}/\mathrm{4}\left(\mathrm{1}\right).\mathrm{Hence}, \\ $$$$\mathrm{x}^{\mathrm{4}} +\mathrm{y}^{\mathrm{4}} =\left(\mathrm{x}+\mathrm{y}\right)^{\mathrm{4}} −\mathrm{4xy}\left(\mathrm{x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{y}^{\mathrm{4}} \right)−\mathrm{6x}^{\mathrm{2}} \mathrm{y}^{\mathrm{2}} \\ $$$$=\mathrm{1}−\mathrm{4xy}\left[\left(\mathrm{x}+\mathrm{y}\right)^{\mathrm{2}} −\mathrm{2xy}\right]−\mathrm{6x}^{\mathrm{2}} \mathrm{y}^{\mathrm{2}} \\ $$$$=\mathrm{1}−\mathrm{4xy}\left(\mathrm{1}−\mathrm{2xy}\right)−\mathrm{6}\left(\mathrm{xy}\right)^{\mathrm{2}} =\mathrm{1}−\mathrm{4xy}+\mathrm{2}\left(\mathrm{xy}\right)^{\mathrm{2}} \\ $$$$=\mathrm{2}\left(\mathrm{xy}−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}\right)^{\mathrm{2}} −\mathrm{3xy}+\frac{\mathrm{7}}{\mathrm{8}}\geqslant\mathrm{0}−\mathrm{3}.\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}+\frac{\mathrm{7}}{\mathrm{8}} \\ $$$$=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{8}}.\mathrm{The}\:\mathrm{equality}\:\mathrm{ocurrs}\:\mathrm{if}\:\mathrm{and}\:\mathrm{only} \\ $$$$\mathrm{if}\:\mathrm{x}=\mathrm{y}=\mathrm{1}/\mathrm{2}\Leftrightarrow\mathrm{a}=\mathrm{b}=\:^{\mathrm{505}} \sqrt{\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}} \\ $$$$\mathrm{Thus}\:\left(\mathrm{a}^{\mathrm{2020}} +\mathrm{b}^{\mathrm{2020}} \right)_{\mathrm{min}} =\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{8}} \\ $$$$\mathrm{when}\:\mathrm{a}=\mathrm{b}=\frac{\mathrm{1}}{\:\:^{\mathrm{505}} \sqrt{\mathrm{2}}} \\ $$
Answered by bemath last updated on 23/Sep/20