IMO 1959 · Problem 2
For what real values of \(x\) is \[ \sqrt{(x+\sqrt{2x-1})}+\sqrt{(x-\sqrt{2x-1})}=A, \] given (a) \(A=\sqrt{2}\), (b) \(A=1\), (c) \(A=2\), where only non-negative real numbers are admitted for square roots?
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Answer
- (a) \(x\in\left[\frac12,1\right]\).
- (b) No real solutions.
- (c) \(x=\frac32\).
Solution
The inner square root requires \(x\ge\frac12\). Conversely, for every such \(x\), we have \(x\ge0\) and \[ x^2-(2x-1)=(x-1)^2\ge0, \] so \(x\ge\sqrt{2x-1}\). Thus both outer radicands are non-negative, and the domain is exactly \(x\ge\frac12\).
Let \[ F(x)=\sqrt{x+\sqrt{2x-1}}+\sqrt{x-\sqrt{2x-1}}. \] On this domain, \[ \begin{aligned} F(x)^2 &=2x+2\sqrt{\bigl(x+\sqrt{2x-1}\bigr) \bigl(x-\sqrt{2x-1}\bigr)}\\ &=2x+2\sqrt{x^2-2x+1}\\ &=2x+2|x-1|. \end{aligned} \] Since \(F(x)\ge0\), it follows that \[ F(x)= \begin{cases} \sqrt2,&\frac12\le x\le1,\\[2mm] \sqrt{4x-2},&x>1. \end{cases} \]
For (a), the first branch equals \(\sqrt2\) throughout, while the second is strictly greater than \(\sqrt2\). Hence precisely \(\frac12\le x\le1\) satisfies the equation.
For (b), \(F(x)\ge\sqrt2>1\) everywhere on its domain, so there are no solutions.
For (c), the first branch cannot equal \(2\). On the second branch, \[ \sqrt{4x-2}=2 \quad\Longleftrightarrow\quad 4x-2=4 \quad\Longleftrightarrow\quad x=\frac32. \] This value lies in \(x>1\) and therefore is a solution.
The solution was checked against John Scholes' IMO solution archive (Kalva).
IMO 1959 · Aufgabe 2
Für welche reellen Werte von \(x\) gilt \[ \sqrt{(x+\sqrt{2x-1})}+\sqrt{(x-\sqrt{2x-1})}=A, \] wenn (a) \(A=\sqrt{2}\), (b) \(A=1\), (c) \(A=2\) gegeben ist und für Quadratwurzeln nur nichtnegative reelle Zahlen zugelassen sind?
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Antwort
- (a) \(x\in\left[\frac12,1\right]\).
- (b) Keine reellen Lösungen.
- (c) \(x=\frac32\).
Lösung
Die innere Quadratwurzel erfordert \(x\ge\frac12\). Umgekehrt gilt für jedes solche \(x\), dass \(x\ge0\) und \[ x^2-(2x-1)=(x-1)^2\ge0, \] also \(x\ge\sqrt{2x-1}\). Somit sind beide äußeren Radikanden nichtnegativ, und der Definitionsbereich ist genau \(x\ge\frac12\).
Sei \[ F(x)=\sqrt{x+\sqrt{2x-1}}+\sqrt{x-\sqrt{2x-1}}. \] Auf diesem Definitionsbereich gilt \[ \begin{aligned} F(x)^2 &=2x+2\sqrt{\bigl(x+\sqrt{2x-1}\bigr) \bigl(x-\sqrt{2x-1}\bigr)}\\ &=2x+2\sqrt{x^2-2x+1}\\ &=2x+2|x-1|. \end{aligned} \] Wegen \(F(x)\ge0\) folgt daraus \[ F(x)= \begin{cases} \sqrt2,&\frac12\le x\le1,\\[2mm] \sqrt{4x-2},&x>1. \end{cases} \]
Im Fall (a) hat der erste Zweig durchgehend den Wert \(\sqrt2\), während der zweite stets größer als \(\sqrt2\) ist. Somit erfüllen genau die Werte \(\frac12\le x\le1\) die Gleichung.
Im Fall (b) gilt auf dem gesamten Definitionsbereich \(F(x)\ge\sqrt2>1\), sodass es keine Lösungen gibt.
Im Fall (c) kann der erste Zweig nicht den Wert \(2\) annehmen. Auf dem zweiten Zweig gilt \[ \sqrt{4x-2}=2 \quad\Longleftrightarrow\quad 4x-2=4 \quad\Longleftrightarrow\quad x=\frac32. \] Dieser Wert liegt im Bereich \(x>1\) und ist daher eine Lösung.
Die Lösung wurde mit dem IMO-Lösungsarchiv von John Scholes (Kalva) abgeglichen.
IMO 1959 · Soru 2
Karekökler için yalnızca negatif olmayan gerçek sayılar kabul edildiğine göre, (a) \(A=\sqrt{2}\), (b) \(A=1\), (c) \(A=2\) durumlarında \[ \sqrt{(x+\sqrt{2x-1})}+\sqrt{(x-\sqrt{2x-1})}=A, \] eşitliği hangi gerçek \(x\) değerleri için sağlanır?
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Cevap
- (a) \(x\in\left[\frac12,1\right]\).
- (b) Gerçek çözüm yoktur.
- (c) \(x=\frac32\).
Çözüm
İçteki karekök \(x\ge\frac12\) olmasını gerektirir. Tersine, bu koşulu sağlayan her \(x\) için \(x\ge0\) ve \[ x^2-(2x-1)=(x-1)^2\ge0, \] olduğundan \(x\ge\sqrt{2x-1}\) elde edilir. Böylece dıştaki her iki karekökün içi de negatif değildir ve tanım kümesi tam olarak \(x\ge\frac12\) ile verilir.
\[ F(x)=\sqrt{x+\sqrt{2x-1}}+\sqrt{x-\sqrt{2x-1}} \] olsun. Bu tanım kümesi üzerinde \[ \begin{aligned} F(x)^2 &=2x+2\sqrt{\bigl(x+\sqrt{2x-1}\bigr) \bigl(x-\sqrt{2x-1}\bigr)}\\ &=2x+2\sqrt{x^2-2x+1}\\ &=2x+2|x-1| \end{aligned} \] olur. \(F(x)\ge0\) olduğundan \[ F(x)= \begin{cases} \sqrt2,&\frac12\le x\le1,\\[2mm] \sqrt{4x-2},&x>1 \end{cases} \] elde edilir.
(a) için birinci parça boyunca değer \(\sqrt2\)'ye eşittir; ikinci parçadaki değer ise \(\sqrt2\)'den kesin olarak büyüktür. Dolayısıyla denklemi sağlayan değerler tam olarak \(\frac12\le x\le1\) değerleridir.
(b) için tanım kümesinin tamamında \(F(x)\ge\sqrt2>1\) olduğundan çözüm yoktur.
(c) için birinci parçadaki değer \(2\)'ye eşit olamaz. İkinci parçada \[ \sqrt{4x-2}=2 \quad\Longleftrightarrow\quad 4x-2=4 \quad\Longleftrightarrow\quad x=\frac32 \] olur. Bu değer \(x>1\) koşulunu sağladığından bir çözümdür.
Çözüm, John Scholes'un IMO çözüm arşiviyle (Kalva) karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 1959 · Problema 2
¿Para qué valores reales de \(x\) se cumple \[ \sqrt{(x+\sqrt{2x-1})}+\sqrt{(x-\sqrt{2x-1})}=A, \] si (a) \(A=\sqrt{2}\), (b) \(A=1\), (c) \(A=2\), admitiendo únicamente valores reales no negativos para las raíces cuadradas?
Enunciado traducido del texto oficial en inglés. Enunciado oficial (PDF)
Respuesta
- (a) \(x\in\left[\frac12,1\right]\).
- (b) No hay soluciones reales.
- (c) \(x=\frac32\).
Solución
La raíz cuadrada interior exige que \(x\ge\frac12\). Recíprocamente, para todo \(x\) que cumpla esta condición, tenemos \(x\ge0\) y \[ x^2-(2x-1)=(x-1)^2\ge0, \] por lo que \(x\ge\sqrt{2x-1}\). Así, ambos radicandos exteriores son no negativos, y el dominio es exactamente \(x\ge\frac12\).
Sea \[ F(x)=\sqrt{x+\sqrt{2x-1}}+\sqrt{x-\sqrt{2x-1}}. \] En este dominio, \[ \begin{aligned} F(x)^2 &=2x+2\sqrt{\bigl(x+\sqrt{2x-1}\bigr) \bigl(x-\sqrt{2x-1}\bigr)}\\ &=2x+2\sqrt{x^2-2x+1}\\ &=2x+2|x-1|. \end{aligned} \] Como \(F(x)\ge0\), se deduce que \[ F(x)= \begin{cases} \sqrt2,&\frac12\le x\le1,\\[2mm] \sqrt{4x-2},&x>1. \end{cases} \]
En (a), la primera rama vale \(\sqrt2\) en todo su intervalo, mientras que la segunda es estrictamente mayor que \(\sqrt2\). Por tanto, la ecuación se satisface precisamente para \(\frac12\le x\le1\).
En (b), \(F(x)\ge\sqrt2>1\) en todo su dominio, por lo que no hay soluciones.
En (c), la primera rama no puede valer \(2\). En la segunda rama, \[ \sqrt{4x-2}=2 \quad\Longleftrightarrow\quad 4x-2=4 \quad\Longleftrightarrow\quad x=\frac32. \] Este valor pertenece a \(x>1\) y, por tanto, es una solución.
La solución se comprobó con el archivo de soluciones de la IMO de John Scholes (Kalva).
IMO 1959 · 问题 2
分别给定 (a) \(A=\sqrt{2}\),(b) \(A=1\),(c) \(A=2\),求满足 \[ \sqrt{(x+\sqrt{2x-1})}+\sqrt{(x-\sqrt{2x-1})}=A, \] 的所有实数 \(x\),其中平方根只取非负实数值。
题目译自官方英文原文。 官方试卷 (PDF)
答案
- (a) \(x\in\left[\frac12,1\right]\)。
- (b) 无实数解。
- (c) \(x=\frac32\)。
解答
内层平方根要求 \(x\ge\frac12\)。反过来,对每个满足此条件的 \(x\),都有 \(x\ge0\),且 \[ x^2-(2x-1)=(x-1)^2\ge0, \] 所以 \(x\ge\sqrt{2x-1}\)。因此两个外层根号内的式子都非负,定义域恰为 \(x\ge\frac12\)。
令 \[ F(x)=\sqrt{x+\sqrt{2x-1}}+\sqrt{x-\sqrt{2x-1}}. \] 在此定义域内, \[ \begin{aligned} F(x)^2 &=2x+2\sqrt{\bigl(x+\sqrt{2x-1}\bigr) \bigl(x-\sqrt{2x-1}\bigr)}\\ &=2x+2\sqrt{x^2-2x+1}\\ &=2x+2|x-1|. \end{aligned} \] 由于 \(F(x)\ge0\),可得 \[ F(x)= \begin{cases} \sqrt2,&\frac12\le x\le1,\\[2mm] \sqrt{4x-2},&x>1. \end{cases} \]
对于 (a),第一段恒等于 \(\sqrt2\),而第二段严格大于 \(\sqrt2\)。因此,满足方程的恰为 \(\frac12\le x\le1\)。
对于 (b),在整个定义域上都有 \(F(x)\ge\sqrt2>1\),所以无解。
对于 (c),第一段不可能等于 \(2\)。在第二段上, \[ \sqrt{4x-2}=2 \quad\Longleftrightarrow\quad 4x-2=4 \quad\Longleftrightarrow\quad x=\frac32. \] 此值满足 \(x>1\),因而是方程的解。
解答已与 John Scholes 的 IMO 解答档案(Kalva)核对。
IMO 1959 · Задача 2
При каких действительных значениях \(x\) выполняется равенство \[ \sqrt{(x+\sqrt{2x-1})}+\sqrt{(x-\sqrt{2x-1})}=A, \] если (a) \(A=\sqrt{2}\), (b) \(A=1\), (c) \(A=2\), причём для квадратных корней допускаются только неотрицательные действительные значения?
Условие переведено с официального английского текста. Официальный текст задач (PDF)
Ответ
- (a) \(x\in\left[\frac12,1\right]\).
- (b) Действительных решений нет.
- (c) \(x=\frac32\).
Решение
Для существования внутреннего квадратного корня необходимо \(x\ge\frac12\). Обратно, при любом таком \(x\) имеем \(x\ge0\) и \[ x^2-(2x-1)=(x-1)^2\ge0, \] поэтому \(x\ge\sqrt{2x-1}\). Таким образом, оба подкоренных выражения внешних корней неотрицательны, и область определения задаётся в точности условием \(x\ge\frac12\).
Пусть \[ F(x)=\sqrt{x+\sqrt{2x-1}}+\sqrt{x-\sqrt{2x-1}}. \] На этой области определения \[ \begin{aligned} F(x)^2 &=2x+2\sqrt{\bigl(x+\sqrt{2x-1}\bigr) \bigl(x-\sqrt{2x-1}\bigr)}\\ &=2x+2\sqrt{x^2-2x+1}\\ &=2x+2|x-1|. \end{aligned} \] Поскольку \(F(x)\ge0\), отсюда следует, что \[ F(x)= \begin{cases} \sqrt2,&\frac12\le x\le1,\\[2mm] \sqrt{4x-2},&x>1. \end{cases} \]
В случае (a) первая ветвь всюду равна \(\sqrt2\), а вторая строго больше \(\sqrt2\). Поэтому уравнению удовлетворяют в точности значения \(\frac12\le x\le1\).
В случае (b) имеем \(F(x)\ge\sqrt2>1\) всюду на области определения, поэтому решений нет.
В случае (c) первая ветвь не может равняться \(2\). На второй ветви \[ \sqrt{4x-2}=2 \quad\Longleftrightarrow\quad 4x-2=4 \quad\Longleftrightarrow\quad x=\frac32. \] Это значение удовлетворяет условию \(x>1\) и потому является решением.
Решение проверено по архиву решений IMO Джона Скоулза (Kalva).
IMO 1959 · المسألة 2
لأي قيم حقيقية لـ \(x\) تتحقق المعادلة \[ \sqrt{(x+\sqrt{2x-1})}+\sqrt{(x-\sqrt{2x-1})}=A, \] إذا كان (a) \(A=\sqrt{2}\)، و(b) \(A=1\)، و(c) \(A=2\)، حيث لا تُقبل للجذور التربيعية إلا القيم الحقيقية غير السالبة؟
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الإجابة
- (a) \(x\in\left[\frac12,1\right]\).
- (b) لا توجد حلول حقيقية.
- (c) \(x=\frac32\).
الحل
يشترط الجذر التربيعي الداخلي أن يكون \(x\ge\frac12\). وبالعكس، لكل \(x\) يحقق هذا الشرط، لدينا \(x\ge0\) و \[ x^2-(2x-1)=(x-1)^2\ge0, \] ومن ثم \(x\ge\sqrt{2x-1}\). وعليه فإن المقدارين تحت الجذرين الخارجيين غير سالبين، ومجال التعريف هو بالضبط \(x\ge\frac12\).
لنضع \[ F(x)=\sqrt{x+\sqrt{2x-1}}+\sqrt{x-\sqrt{2x-1}}. \] على هذا المجال، \[ \begin{aligned} F(x)^2 &=2x+2\sqrt{\bigl(x+\sqrt{2x-1}\bigr) \bigl(x-\sqrt{2x-1}\bigr)}\\ &=2x+2\sqrt{x^2-2x+1}\\ &=2x+2|x-1|. \end{aligned} \] وبما أن \(F(x)\ge0\)، ينتج أن \[ F(x)= \begin{cases} \sqrt2,&\frac12\le x\le1,\\[2mm] \sqrt{4x-2},&x>1. \end{cases} \]
في الحالة (a)، يساوي الفرع الأول \(\sqrt2\) على امتداده، بينما يكون الفرع الثاني أكبر قطعًا من \(\sqrt2\). ومن ثم فإن القيم التي تحقق المعادلة هي بالضبط \(\frac12\le x\le1\).
في الحالة (b)، لدينا \(F(x)\ge\sqrt2>1\) في كل نقطة من مجال تعريفها، ولذلك لا توجد حلول.
في الحالة (c)، لا يمكن أن يساوي الفرع الأول \(2\). وعلى الفرع الثاني، \[ \sqrt{4x-2}=2 \quad\Longleftrightarrow\quad 4x-2=4 \quad\Longleftrightarrow\quad x=\frac32. \] تقع هذه القيمة في المجال \(x>1\)، ولذلك فهي حل.
تمت مراجعة الحل بمقارنته بأرشيف حلول IMO لجون سكولز (Kalva).