Mostre que o determinante abaixo apresenta valor menor ou igual a 16 para todos os valores de a, b e c, pertencentes ao conjunto dos números reais, que satisfazem a equação a^2+b^2+c^2=4.
\left| \begin{matrix} a+b & b+c & c+a \\ c+a & a+b & b+c \\b+c & c+a & a+b \end{matrix} \right|
RESOLUÇÃO:
No determinante \Delta = \left| \begin{matrix} a+b & b+c & c+a \\ c+a & a+b & b+c \\b+c & c+a & a+b \end{matrix} \right|, vamos somar as 2ª e 3ª colunas à 1ª coluna.
\Delta = \left| \begin{matrix} 2\cdot(a+b+c) & b+c & c+a \\ 2\cdot(a+b+c) & a+b & b+c \\2 \cdot(a+b+c) & c+a & a+b \end{matrix} \right|
Agora, vamos colocar 2\cdot(a+b+c) em evidência na 1ª coluna.
\Delta = 2\cdot(a+b+c)\cdot \left| \begin{matrix} 1 & b+c & c+a \\ 1 & a+b & b+c \\1 & c+a & a+b \end{matrix} \right|
Vamos subtrair a 2ª linha da 3ª linha e, depois, a 1ª linha da 2ª linha.
\Delta = 2\cdot(a+b+c)\cdot \left| \begin{matrix} 1 & b+c & c+a \\ 0 & a-c & b-a \\0 & c-b & a-c \end{matrix} \right|
Aplicando o teorema de Laplace com base na 1ª coluna, temos:
\Delta = 2\cdot(a+b+c)\cdot 1 \cdot (-1)^{1+1} \left| \begin{matrix} a-c & b-a \\ c-b & a-c \end{matrix} \right| = 2 \cdot (a+b+c) \cdot \left[ (a-c)^2 - (b-a)(c-b) \right]
\quad= 2 \cdot (a+b+c) \cdot (a^2+b^2+c^2-ac-bc-ab)
Fazendo a+b+c=x, temos:
x^2=(a+b+c)^2=a^2+b^2+c^2+2ab+2ac+2bc=4+2(ab+ac+bc) \Leftrightarrow ab+ac+bc=\cfrac{x^2-4}{2}
Assim, o determinante será dado por: \Delta = 2 \cdot x \cdot \left( 4-\left( \cfrac{x^2-4}{2} \right) \right) = -x^3+12x
Seja P(x) = -x^3+12x, então a sua primeira derivada é P'(x) =-3x^2+12, que se anula para x=\pm2, e a sua segunda derivada é P"(x) = -6x. Como P"(-2) = 12 > 0, então P(-2)=-16 é um ponto de mínimo local e, como P"(2) = -12 < 0, então P(2)=16 é um ponto de máximo local.
Observe que, se x pudesse variar em todo o conjunto dos reais, a imagem de P(x) seria ]-\infty,+\infty[ e o ponto P(2)=16 não seria um máximo absoluto.
Entretanto, x=a+b+c, com a^2+b^2+c^2=4 e a, b e c reais, o que limita os valores de x. Vamos estudar, então, em que intervalo x pode variar. Para isso vamos aplicar a desigualdade de Cauchy-Schwarz com os vetores u=(1,1,1) e v=(a,b,c). Assim, temos:
|u\cdot v|\le|u||v| \Rightarrow |1\cdot a +1\cdot b + 1\cdot c|\le \sqrt{1^2+1^2+1^2} \sqrt{a^2+b^2+c^2}=\sqrt{3} \sqrt{4}=2\sqrt{3}
\Leftrightarrow |x|=|a+b+c| \le 2 \sqrt{3} \Leftrightarrow -2\sqrt{3} \le x \le 2\sqrt{3}
Portanto, o domínio de x é [-2\sqrt{3},2\sqrt{3}]. Como P(-2\sqrt{3})=P(2\sqrt{3})=0<16, então P(2)=16 é um máximo absoluto, e podemos afirmar que o determinante é menor ou igual a 16.
Se o seu browser não reconhece Latex, segue uma imagem desse problema.
Abraço e bom gagá!!!
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