设 $a_1,a_2,\cdots,a_n$($n\geqslant2$)是实数,证明:可以选取 $\varepsilon_1,\varepsilon_2,\cdots,\varepsilon_n\in\{1,-1\}$,使得$$\left(\sum\limits_{i=1}^{n}{a_i}\right)^2+\left(\sum\limits_{i=1}^{n}{\varepsilon_ia_i}\right)^2\leqslant(n+1)\left(\sum\limits_{i=1}^{n}{a_i^2}\right)^2.$$
【难度】
【出处】
无
【标注】
【答案】
略
【解析】
事实上,$\text{ ① }$ 的左边为\[\begin{split}&\left(\sum\limits_{i=1}^{\left[\frac{n}{2}\right]}{a_i}+\sum\limits_{j=\left[\frac{n}{2}\right]+1}^{n}{a_j}\right)^2+\left(\sum\limits_{i=1}^{\left[\frac{n}{2}\right]}{a_i}-\sum\limits_{j=\left[\frac{n}{2}\right]+1}^{n}{a_j}\right)^2\\=&2\left(\sum\limits_{i=1}^{\left[\frac{n}{2}\right]}{a_i}\right)^2+2\left(\sum\limits_{j=\left[\frac{n}{2}\right]+1}^{n}{a_j}\right)^2\\ \leqslant&2\left[\dfrac{n}{2}\right]\left(\sum\limits_{i=1}^{\left[\frac{n}{2}\right]}{a_i^2}\right)+2\left(n-\left[\dfrac{n}{2}\right]\right)\left(\sum\limits_{j=\left[\frac{n}{2}\right]+1}^{n}{a_j^2}\right)\\=&2\left[\dfrac{n}{2}\right]\left(\sum\limits_{i=1}^{\left[\frac{n}{2}\right]}{a_i^2}\right)+2\left(\left[\dfrac{n+1}{2}\right]\right)\left(\sum\limits_{j=\left[\frac{n}{2}\right]+1}^{n}{a_j^2}\right)\\ \leqslant&n\left(\sum\limits_{i=1}^{\left[\frac{n}{2}\right]}{a_i^2}\right)+(n+1)\left(\sum\limits_{j=\left[\frac{n}{2}\right]+1}^{n}{a_j^2}\right)\\ \leqslant&(n+1)\left(\sum\limits_{i=1}^{n}{a_i^2}\right).\end{split}\]所以 $\text{ ① }$ 得证,从而本题得证.
【引理】设 $a_1\geqslant a_2\geqslant \cdots\geqslant a_n\geqslant0$,则 $\displaystyle 0\leqslant\sum\limits_{i=1}^{n}{(-1)^{i-1}a_i}\leqslant a_1$.
事实上,由于 $a_i\geqslant a_{i+1}$,故当 $n$ 时偶数时,\[\begin{split}&\sum\limits_{i=1}^{n}{(-1)^{i-1}a_i}=(a_1-a_2)+(a_3-a_4)+\cdots+(a_{n-1}+a_n)\geqslant0,\\ &\sum\limits_{i=1}^{n}{(-1)^{i-1}a_i}=a_1-(a_2-a_3)-\cdots-(a_{n-2}+a_{n-1})-a_n\geqslant a_1,\end{split}\]当 $n$ 为奇数时,\[\begin{split}&\sum\limits_{i=1}^{n}{(-1)^{i-1}a_i}=(a_1-a_2)+(a_3-a_4)+\cdots+(a_{n-2}+a_{n-1})+a_n\geqslant0,\\ &\sum\limits_{i=1}^{n}{(-1)^{i-1}a_i}=a_1-(a_2-a_3)-\cdots-(a_{n-1}+a_n)\geqslant a_1,\end{split}\]引理得证.
回到原命题,由柯西不等式及上面引理可知$$\left(\sum\limits_{i=1}^{n}{a_i}\right)^2+\left(\sum\limits_{i=1}^{n}{(-1)^{i-1}a_i}\right)^2\leqslant n\left(\sum\limits_{i=1}^{n}{a_i^2}\right)+a_1^2\\ \leqslant(n+1)\sum\limits_{i=1}^{n}{a_i^2}.$$这就证明了结论.
答案
解析
备注