Question Number 144951 by loveineq last updated on 30/Jun/21
$$\mathrm{Let}\:{a},{b}\:>\:\mathrm{0}\:\mathrm{and}\:{a}+{b}+\mathrm{1}\:=\:\mathrm{3}{ab}.\:\mathrm{Prove}\:\mathrm{that} \\ $$$$\left(\mathrm{1}\right)\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\frac{{a}^{\mathrm{2}} }{{a}+\mathrm{1}}+\frac{{b}^{\mathrm{2}} }{{b}+\mathrm{1}}\:\geqslant\:\frac{{a}}{{a}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}}+\frac{{b}}{{b}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}} \\ $$$$\left(\mathrm{2}\right)\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\frac{{a}^{\mathrm{2}} }{{b}+\mathrm{1}}+\frac{{b}^{\mathrm{2}} }{{a}+\mathrm{1}}\:\geqslant\:\frac{{a}}{{b}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}}+\frac{{b}}{{a}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}} \\ $$
Commented by justtry last updated on 01/Jul/21
$$\left(\mathrm{1}\right)\:{remember}\:{AM}\geqslant{GM} \\ $$$$\left(\mathrm{1}+{a}^{\mathrm{2}} \right)\geqslant\:\mathrm{2}{a} \\ $$$$\left(\mathrm{1}+{a}^{\mathrm{2}} \right)\geqslant\left(\mathrm{1}+{a}\right)^{\mathrm{2}} −\left(\mathrm{1}+{a}^{\mathrm{2}} \right) \\ $$$$\left(\mathrm{1}+{a}^{\mathrm{2}} \right)+\left(\mathrm{1}+{a}^{\mathrm{2}} \right)\geqslant\left(\mathrm{1}+{a}\right)^{\mathrm{2}} −\left(\mathrm{1}+{a}^{\mathrm{2}} \right)+\left(\mathrm{1}+{a}^{\mathrm{2}} \right) \\ $$$$\mathrm{2}\left({a}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}\right)\geqslant\left(\mathrm{1}+{a}\right)^{\mathrm{2}} \\ $$$$\frac{\mathrm{1}}{\left({a}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }\geqslant\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}\left({a}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}\right)}\:…..\left({i}\right) \\ $$$${multply}\:\left({i}\right)\:{with}\:{a}^{\mathrm{2}} {and}\:\left({a}+\mathrm{1}\right) \\ $$$$\frac{{a}^{\mathrm{2}} }{\left({a}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }\geqslant\frac{{a}^{\mathrm{2}} }{\mathrm{2}\left({a}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}\right)}\geqslant\frac{{a}}{\mathrm{2}\left({a}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}\right)} \\ $$$$\frac{{a}^{\mathrm{2}} \left({a}+\mathrm{1}\right)}{\left({a}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }\geqslant\frac{{a}\left({a}+\mathrm{1}\right)}{\mathrm{2}\left({a}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}\right)} \\ $$$$\frac{{a}^{\mathrm{2}} }{\left({a}+\mathrm{1}\right)}\geqslant\frac{{a}^{\mathrm{2}} +{a}}{\mathrm{2}\left({a}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}\right)}\geqslant\frac{{a}\sqrt{{a}}}{\left({a}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}\right)}\geqslant\frac{{a}}{\left({a}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}\right)}\:\rightarrow{AM}\geqslant{GM}\:\:\frac{{a}^{\mathrm{2}} +{a}}{\mathrm{2}}\geqslant{a}\sqrt{{a}} \\ $$$$\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\rightarrow{a}+{b}+\mathrm{1}=\mathrm{3}{ab},\:{choose}\:{a}=\mathrm{1}\:\Rightarrow \\ $$$$\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:{a}\sqrt{{a}}\geqslant{a} \\ $$$${so} \\ $$$$\frac{{a}^{\mathrm{2}} }{{a}+\mathrm{1}}\geqslant\frac{{a}}{{a}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}}\:…\left({ii}\right) \\ $$$${similary}\:{for}\:{b}\: \\ $$$$\frac{{b}^{\mathrm{2}} }{{b}+\mathrm{1}}\geqslant\frac{{b}}{{b}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}}\:…\left({iii}\right) \\ $$$${from}\:\left({ii}\right)\:\&\left({iii}\right) \\ $$$$\frac{{a}^{\mathrm{2}} }{{a}+\mathrm{1}}\:+\:\frac{{b}^{\mathrm{2}} }{{b}+\mathrm{1}}\:\geqslant\:\frac{{a}}{{a}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}}\:+\:\frac{{b}}{{b}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}} \\ $$