已知 $A,B,C$ 是 $\triangle ABC$ 的三个内角,求证:$$\left(\csc\dfrac A2+\csc\dfrac B2+\csc\dfrac C2\right)^2\geqslant 9+\left(\cot\dfrac A2+\cot\dfrac B2+\cot\dfrac C2\right)^2,$$并指明等号取得的条件.
【难度】
【出处】
【标注】
【答案】
【解析】
{\color{cyan}\bf 代数变形\quad} 原不等式即$$\left(\sum_{cyc}\csc\dfrac A2+\sum_{cyc}\cot\dfrac A2\right)\left(\sum_{cyc}\csc\dfrac A2-\sum_{cyc}\cot\dfrac A2\right)\geqslant 9,$$也即$$\sum_{cyc}\dfrac{1+\cos\dfrac A2}{\sin\dfrac A2}\cdot \sum_{cyc}\dfrac{1-\cos\dfrac A2}{\sin\dfrac A2}\geqslant 9,$$由半角正切公式,可得$$LHS=\sum_{cyc}\cot\dfrac{A}{4}\cdot \sum_{cyc} \tan\dfrac{A}{4},$$而由柯西不等式,有$$\sum_{cyc}\cot\dfrac{A}{4}\cdot \sum_{cyc} \tan\dfrac{A}{4}\geqslant 9,$$因此原不等式得证.
{\color{cyan}\bf 内切圆代换\quad} 如图,作 $\triangle ABC$ 的内切圆,切点分别为 $D,E,F$,且 $AE=AF=x$,$BD=BF=y$,$CD=CE=z$,内切圆半径为 $r$,圆心为 $I$.于是欲证不等式即$$\left(\dfrac{IA}{r}+\dfrac{IB}{r}+\dfrac{IC}{r}\right)^2\geqslant 9+\left(\dfrac{x}{r}+\dfrac{y}{r}+\dfrac{z}{r}\right)^2,$$也即$$(IA+IB+IC)^2\geqslant (r+r+r)^2+(x+y+z)^2,$$根据Minkowski不等式,有\begin{eqnarray*}\begin{split} \sqrt{(r+r+r)^2+(x+y+z)^2}&\leqslant \sqrt{r^2+x^2}+\sqrt{r^2+y^2}+\sqrt{r^2+z^2}\\ &=IA+IB+IC,\end{split} \end{eqnarray*}于是原不等式得证.
{\color{cyan}\bf 注\quad}Minkowski不等式(闵可夫斯基不等式)$$\left[\sum_{i=1}^n\left(x_i+y_i\right)^p\right]^{\frac{1}{p}}\leqslant \left(\sum_{i=1}^n{x_i^p}\right)^{\frac 1p}+\left(\sum_{i=1}^n{y_i^p}\right)^{\frac 1p},$$其中 $x_i,y_i>0$,且 $p>1$.
当 $p<1$ 时,上述不等式的结论变为左边不小于右边.
答案 解析 备注
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