IMO 1959 · Problem 3
Let \(a, b, c\) be real numbers. Consider the quadratic equation in \(\cos x\) : \[ a\cos^2 x+b\cos x+c=0. \] Using the numbers \(a, b, c\), form a quadratic equation in \(\cos 2x\), whose roots are the same as those of the original equation. Compare the equations in \(\cos x\) and \(\cos 2x\) for \(a=4, b=2, c=-1\).
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Answer
The usual double-angle construction gives \[ \boxed{a^2\cos^2 2x+2(a^2+2ac-b^2)\cos 2x+(a+2c)^2-2b^2=0.} \]
There is a qualification to the statement: this equation generally has additional real solutions \(x\). An equation solely in \(\cos 2x\) cannot always have exactly the original \(x\)-solutions.
For \(a=4,\ b=2,\ c=-1\), the constructed equation is \[ \boxed{4\cos^2 2x+2\cos 2x-1=0.} \] The respective solution sets are \[ \boxed{ \begin{aligned} \text{Original:}\quad &x=\frac{2k\pi}{5}, &&k\in\mathbb Z,\quad 5\nmid k,\\ \text{Constructed:}\quad &x=\frac{k\pi}{5}, &&k\in\mathbb Z,\quad 5\nmid k. \end{aligned}} \]
Solution
Put \(P(t)=at^2+bt+c\). Using \(2\cos^2x=1+\cos 2x\), the original equation gives \[ a\cos 2x+a+2c=-2b\cos x. \] Squaring yields \[ (a\cos 2x+a+2c)^2=2b^2(1+\cos 2x). \] Expansion gives the displayed equation in the Answer. Its leading coefficient is \(a^2\), so it is genuinely quadratic whenever the original equation is quadratic, namely when \(a\ne0\).
To determine precisely whether squaring introduces solutions, define \[ Q(y)=a^2y^2+2(a^2+2ac-b^2)y+(a+2c)^2-2b^2. \] The identity \[ \begin{aligned} Q(\cos 2x) &=4\bigl((a\cos^2x+c)^2-b^2\cos^2x\bigr)\\ &=4P(\cos x)P(-\cos x) \end{aligned} \] shows that \[ Q(\cos 2x)=0 \quad\Longleftrightarrow\quad P(\cos x)=0\ \text{or}\ P(\cos(x+\pi))=0. \] Thus the constructed equation has exactly the original solutions together with their translates by \(\pi\).
This also identifies the wording issue. Every equation solely in \(\cos 2x\) is unchanged by replacing \(x\) with \(x+\pi\). The original equation need not have this property. Indeed, if \(P(t)=0\), then \[ P(-t)=P(t)-2bt=-2bt. \] Consequently, when \(b\ne0\), any original solution with \(\cos x\ne0\) has a translate by \(\pi\) which is not an original solution. In that situation, no equation solely in \(\cos 2x\) can have exactly the original solution set.
For completeness, the construction is equivalent to the original equation precisely when \(b=0\), or when \(P\) has no nonzero root in \([-1,1]\). The factorization proves this even for repeated roots, endpoint roots, and empty solution sets.
Although “quadratic” presumes \(a\ne0\), the identity also handles the degenerate coefficients. If \(a=0\) and \(b\ne0\), the constructed equation becomes \[ 4c^2-2b^2(1+\cos 2x)=0, \] equivalently \(\cos^2x=c^2/b^2\), whereas the original requires \(\cos x=-c/b\). If \(a=b=0\), both equations hold for every real \(x\) when \(c=0\), and neither has a solution when \(c\ne0\).
Now take \(a=4,\ b=2,\ c=-1\). Substitution gives \[ Q(y)=16y^2+8y-4=4(4y^2+2y-1), \] so the constructed equation is \[ 4\cos^2 2x+2\cos 2x-1=0. \] The two equations therefore have identical coefficients in their respective cosine variables. Their algebraic roots are \[ \frac{-1+\sqrt5}{4},\qquad \frac{-1-\sqrt5}{4}. \]
To find and compare all their real \(x\)-solutions, the sine addition formulas give \[ \begin{aligned} (4\cos^2t+2\cos t-1)\sin\frac t2 &=(1+2\cos t+2\cos 2t)\sin\frac t2\\ &=\sin\frac{5t}{2}. \end{aligned} \] If \(t\in2\pi\mathbb Z\), the quadratic expression equals \(5\), so it is nonzero. Otherwise, division by \(\sin(t/2)\) is valid, and \[ 4\cos^2t+2\cos t-1=0 \quad\Longleftrightarrow\quad t=\frac{2k\pi}{5},\qquad 5\nmid k. \] Taking \(t=x\) and then \(t=2x\) gives exactly the two solution sets stated above.
In particular, \(2\pi/5\) is an original solution but \(7\pi/5\) is not. Since these arguments differ by \(\pi\), even the specified example rules out a literal interpretation requiring identical real \(x\)-solutions.
The solution was checked against John Scholes' IMO solution archive (Kalva).
IMO 1959 · Aufgabe 3
Seien \(a, b, c\) reelle Zahlen. Betrachte die quadratische Gleichung in \(\cos x\): \[ a\cos^2 x+b\cos x+c=0. \] Bilde mithilfe der Zahlen \(a, b, c\) eine quadratische Gleichung in \(\cos 2x\), deren Lösungen dieselben sind wie die der ursprünglichen Gleichung. Vergleiche die Gleichungen in \(\cos x\) und \(\cos 2x\) für \(a=4, b=2, c=-1\).
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Antwort
Die übliche Herleitung mithilfe der Doppelwinkelformel ergibt \[ \boxed{a^2\cos^2 2x+2(a^2+2ac-b^2)\cos 2x+(a+2c)^2-2b^2=0.} \]
Die Aufgabenstellung bedarf einer Einschränkung: Diese Gleichung hat im Allgemeinen zusätzliche reelle Lösungen \(x\). Eine Gleichung allein in \(\cos 2x\) kann nicht immer genau die ursprünglichen \(x\)-Lösungen haben.
Für \(a=4,\ b=2,\ c=-1\) lautet die hergeleitete Gleichung \[ \boxed{4\cos^2 2x+2\cos 2x-1=0.} \] Die jeweiligen Lösungsmengen sind \[ \boxed{ \begin{aligned} \text{Ursprünglich:}\quad &x=\frac{2k\pi}{5}, &&k\in\mathbb Z,\quad 5\nmid k,\\ \text{Hergeleitet:}\quad &x=\frac{k\pi}{5}, &&k\in\mathbb Z,\quad 5\nmid k. \end{aligned}} \]
Lösung
Setze \(P(t)=at^2+bt+c\). Mit \(2\cos^2x=1+\cos 2x\) ergibt die ursprüngliche Gleichung \[ a\cos 2x+a+2c=-2b\cos x. \] Quadrieren liefert \[ (a\cos 2x+a+2c)^2=2b^2(1+\cos 2x). \] Ausmultiplizieren ergibt die in der Antwort angegebene Gleichung. Ihr Leitkoeffizient ist \(a^2\), sodass sie genau dann tatsächlich quadratisch ist, wenn die ursprüngliche Gleichung quadratisch ist, nämlich für \(a\ne0\).
Um genau festzustellen, ob durch das Quadrieren Lösungen hinzukommen, definieren wir \[ Q(y)=a^2y^2+2(a^2+2ac-b^2)y+(a+2c)^2-2b^2. \] Die Identität \[ \begin{aligned} Q(\cos 2x) &=4\bigl((a\cos^2x+c)^2-b^2\cos^2x\bigr)\\ &=4P(\cos x)P(-\cos x) \end{aligned} \] zeigt, dass \[ Q(\cos 2x)=0 \quad\Longleftrightarrow\quad P(\cos x)=0\ \text{oder}\ P(\cos(x+\pi))=0. \] Die hergeleitete Gleichung hat also genau die ursprünglichen Lösungen zusammen mit ihren Verschiebungen um \(\pi\).
Dies macht auch das Problem in der Formulierung deutlich. Jede Gleichung allein in \(\cos 2x\) bleibt unverändert, wenn man \(x\) durch \(x+\pi\) ersetzt. Die ursprüngliche Gleichung muss diese Eigenschaft nicht besitzen. Ist nämlich \(P(t)=0\), so gilt \[ P(-t)=P(t)-2bt=-2bt. \] Folglich ist für \(b\ne0\) die Verschiebung jeder ursprünglichen Lösung mit \(\cos x\ne0\) um \(\pi\) keine ursprüngliche Lösung. In dieser Situation kann keine Gleichung allein in \(\cos 2x\) genau die ursprüngliche Lösungsmenge haben.
Der Vollständigkeit halber ist die hergeleitete Gleichung genau dann zur ursprünglichen Gleichung äquivalent, wenn \(b=0\) ist oder wenn \(P\) keine von null verschiedene Nullstelle in \([-1,1]\) hat. Die Faktorisierung beweist dies auch für mehrfache Nullstellen, Nullstellen an den Intervallenden und leere Lösungsmengen.
Obwohl „quadratisch“ die Bedingung \(a\ne0\) voraussetzt, erfasst die Identität auch die entarteten Fälle der Koeffizienten. Für \(a=0\) und \(b\ne0\) wird die hergeleitete Gleichung zu \[ 4c^2-2b^2(1+\cos 2x)=0, \] äquivalent zu \(\cos^2x=c^2/b^2\), während die ursprüngliche Gleichung \(\cos x=-c/b\) verlangt. Für \(a=b=0\) gelten beide Gleichungen für jedes reelle \(x\), wenn \(c=0\) ist, und keine von beiden hat eine Lösung, wenn \(c\ne0\) ist.
Betrachten wir nun \(a=4,\ b=2,\ c=-1\). Einsetzen ergibt \[ Q(y)=16y^2+8y-4=4(4y^2+2y-1), \] sodass die hergeleitete Gleichung lautet: \[ 4\cos^2 2x+2\cos 2x-1=0. \] Die beiden Gleichungen haben somit in ihren jeweiligen Kosinusvariablen dieselben Koeffizienten. Ihre algebraischen Lösungen sind \[ \frac{-1+\sqrt5}{4},\qquad \frac{-1-\sqrt5}{4}. \]
Um alle ihre reellen \(x\)-Lösungen zu bestimmen und zu vergleichen, verwenden wir die Additionstheoreme für den Sinus, die Folgendes ergeben: \[ \begin{aligned} (4\cos^2t+2\cos t-1)\sin\frac t2 &=(1+2\cos t+2\cos 2t)\sin\frac t2\\ &=\sin\frac{5t}{2}. \end{aligned} \] Für \(t\in2\pi\mathbb Z\) hat der quadratische Ausdruck den Wert \(5\), ist also ungleich null. Andernfalls darf durch \(\sin(t/2)\) dividiert werden, und es gilt \[ 4\cos^2t+2\cos t-1=0 \quad\Longleftrightarrow\quad t=\frac{2k\pi}{5},\qquad 5\nmid k. \] Setzt man zunächst \(t=x\) und dann \(t=2x\), so erhält man genau die beiden oben angegebenen Lösungsmengen.
Insbesondere ist \(2\pi/5\) eine ursprüngliche Lösung, \(7\pi/5\) hingegen nicht. Da sich diese Argumente um \(\pi\) unterscheiden, schließt bereits das angegebene Beispiel eine wörtliche Auslegung aus, die identische reelle \(x\)-Lösungen verlangt.
Die Lösung wurde mit dem IMO-Lösungsarchiv von John Scholes (Kalva) abgeglichen.
IMO 1959 · Soru 3
\(a, b, c\) gerçek sayılar olsun. \(\cos x\)'e göre ikinci dereceden \[ a\cos^2 x+b\cos x+c=0 \] denklemini ele alalım. \(a, b, c\) sayılarını kullanarak \(\cos 2x\)'e göre ikinci dereceden, kökleri başlangıçtaki denklemin kökleriyle aynı olan bir denklem oluşturunuz. \(a=4, b=2, c=-1\) için \(\cos x\) ve \(\cos 2x\)'e göre olan denklemleri karşılaştırınız.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Cevap
Alışılmış çift açı yöntemiyle \[ \boxed{a^2\cos^2 2x+2(a^2+2ac-b^2)\cos 2x+(a+2c)^2-2b^2=0} \] elde edilir.
Soru metniyle ilgili bir açıklama gereklidir: bu denklemin genel olarak ek gerçek \(x\) çözümleri vardır. Yalnızca \(\cos 2x\) içeren bir denklem her zaman başlangıçtaki denklemin \(x\) çözümlerinin tam olarak aynısına sahip olamaz.
\(a=4,\ b=2,\ c=-1\) için oluşturulan denklem \[ \boxed{4\cos^2 2x+2\cos 2x-1=0} \] olur. Sırasıyla çözüm kümeleri \[ \boxed{ \begin{aligned} \text{Başlangıçtaki:}\quad &x=\frac{2k\pi}{5}, &&k\in\mathbb Z,\quad 5\nmid k,\\ \text{Oluşturulan:}\quad &x=\frac{k\pi}{5}, &&k\in\mathbb Z,\quad 5\nmid k. \end{aligned}} \] şeklindedir.
Çözüm
\(P(t)=at^2+bt+c\) olsun. \(2\cos^2x=1+\cos 2x\) kullanıldığında başlangıçtaki denklemden \[ a\cos 2x+a+2c=-2b\cos x \] elde edilir. Kare alınırsa \[ (a\cos 2x+a+2c)^2=2b^2(1+\cos 2x) \] bulunur. Açılım yapıldığında Cevap bölümünde verilen denklem elde edilir. Başkatsayısı \(a^2\) olduğundan başlangıçtaki denklem ikinci dereceden olduğunda, yani \(a\ne0\) iken, bu denklem de gerçekten ikinci derecedendir.
Kare almanın yeni çözümler getirip getirmediğini tam olarak belirlemek için \[ Q(y)=a^2y^2+2(a^2+2ac-b^2)y+(a+2c)^2-2b^2 \] olarak tanımlayalım. \[ \begin{aligned} Q(\cos 2x) &=4\bigl((a\cos^2x+c)^2-b^2\cos^2x\bigr)\\ &=4P(\cos x)P(-\cos x) \end{aligned} \] özdeşliği \[ Q(\cos 2x)=0 \quad\Longleftrightarrow\quad P(\cos x)=0\ \text{veya}\ P(\cos(x+\pi))=0 \] olduğunu gösterir. Böylece oluşturulan denklemin çözümleri tam olarak başlangıçtaki çözümler ile bunların \(\pi\) kadar ötelenmiş hâllerinden oluşur.
Bu durum, soru metnindeki ifade sorununu da ortaya koyar. Yalnızca \(\cos 2x\) içeren her denklem, \(x\) yerine \(x+\pi\) yazıldığında değişmez. Başlangıçtaki denklemin bu özelliğe sahip olması gerekmez. Gerçekten, \(P(t)=0\) ise \[ P(-t)=P(t)-2bt=-2bt \] olur. Dolayısıyla \(b\ne0\) iken, başlangıçtaki denklemin \(\cos x\ne0\) koşulunu sağlayan herhangi bir çözümünün \(\pi\) kadar ötelenmiş hâli, başlangıçtaki denklemin bir çözümü değildir. Bu durumda yalnızca \(\cos 2x\) içeren hiçbir denklem başlangıçtaki çözüm kümesinin tam olarak aynısına sahip olamaz.
Eksiksiz olması için belirtelim: oluşturulan denklem, ancak ve ancak \(b=0\) olduğunda veya \(P\)'nin \([-1,1]\) aralığında sıfırdan farklı bir kökü bulunmadığında başlangıçtaki denkleme denktir. Çarpanlara ayırma, katlı kökler, uç noktalardaki kökler ve boş çözüm kümeleri için bile bunu kanıtlar.
“İkinci dereceden” ifadesi \(a\ne0\) olmasını gerektirse de özdeşlik, katsayıların sıfır olduğu yozlaşmış durumları da kapsar. \(a=0\) ve \(b\ne0\) ise oluşturulan denklem \[ 4c^2-2b^2(1+\cos 2x)=0, \] hâlini alır; bu, \(\cos^2x=c^2/b^2\) ile denktir, oysa başlangıçtaki denklem \(\cos x=-c/b\) olmasını gerektirir. \(a=b=0\) ise \(c=0\) olduğunda her iki denklem de her gerçek \(x\) için sağlanır; \(c\ne0\) olduğunda ise hiçbirinin çözümü yoktur.
Şimdi \(a=4,\ b=2,\ c=-1\) alalım. Yerine koyunca \[ Q(y)=16y^2+8y-4=4(4y^2+2y-1), \] elde edilir; dolayısıyla oluşturulan denklem \[ 4\cos^2 2x+2\cos 2x-1=0 \] olur. Böylece iki denklemin kendi kosinüs değişkenlerine göre katsayıları aynıdır. Cebirsel kökleri \[ \frac{-1+\sqrt5}{4},\qquad \frac{-1-\sqrt5}{4} \] şeklindedir.
Bu denklemlerin tüm gerçek \(x\) çözümlerini bulup karşılaştırmak için sinüsün toplam formüllerinden \[ \begin{aligned} (4\cos^2t+2\cos t-1)\sin\frac t2 &=(1+2\cos t+2\cos 2t)\sin\frac t2\\ &=\sin\frac{5t}{2} \end{aligned} \] elde edilir. \(t\in2\pi\mathbb Z\) ise ikinci dereceden ifadenin değeri \(5\)'tir, dolayısıyla sıfırdan farklıdır. Aksi hâlde \(\sin(t/2)\)'ye bölmek mümkündür ve \[ 4\cos^2t+2\cos t-1=0 \quad\Longleftrightarrow\quad t=\frac{2k\pi}{5},\qquad 5\nmid k \] olur. Önce \(t=x\), ardından \(t=2x\) alınarak yukarıda belirtilen iki çözüm kümesi tam olarak elde edilir.
Özellikle, \(2\pi/5\) başlangıçtaki denklemin bir çözümüdür, ancak \(7\pi/5\) değildir. Bu açıların farkı \(\pi\) olduğundan, verilen örnek bile gerçek \(x\) çözümlerinin aynı olmasını gerektiren harfi harfine bir yorumu olanaksız kılar.
Çözüm, John Scholes'un IMO çözüm arşiviyle (Kalva) karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 1959 · Problema 3
Sean \(a, b, c\) números reales. Considere la ecuación cuadrática en \(\cos x\): \[ a\cos^2 x+b\cos x+c=0. \] Utilizando los números \(a, b, c\), forme una ecuación cuadrática en \(\cos 2x\) cuyas raíces sean las mismas que las de la ecuación original. Compare las ecuaciones en \(\cos x\) y \(\cos 2x\) para \(a=4, b=2, c=-1\).
Enunciado traducido del texto oficial en inglés. Enunciado oficial (PDF)
Respuesta
La construcción habitual mediante la fórmula del ángulo doble da \[ \boxed{a^2\cos^2 2x+2(a^2+2ac-b^2)\cos 2x+(a+2c)^2-2b^2=0.} \]
Es necesario hacer una salvedad al enunciado: esta ecuación tiene, en general, soluciones reales \(x\) adicionales. Una ecuación que dependa únicamente de \(\cos 2x\) no siempre puede tener exactamente las soluciones en \(x\) de la ecuación original.
Para \(a=4,\ b=2,\ c=-1\), la ecuación construida es \[ \boxed{4\cos^2 2x+2\cos 2x-1=0.} \] Los respectivos conjuntos de soluciones son \[ \boxed{ \begin{aligned} \text{Original:}\quad &x=\frac{2k\pi}{5}, &&k\in\mathbb Z,\quad 5\nmid k,\\ \text{Construida:}\quad &x=\frac{k\pi}{5}, &&k\in\mathbb Z,\quad 5\nmid k. \end{aligned}} \]
Solución
Sea \(P(t)=at^2+bt+c\). Utilizando \(2\cos^2x=1+\cos 2x\), la ecuación original da \[ a\cos 2x+a+2c=-2b\cos x. \] Al elevar al cuadrado se obtiene \[ (a\cos 2x+a+2c)^2=2b^2(1+\cos 2x). \] Al desarrollar se obtiene la ecuación mostrada en la Respuesta. Su coeficiente principal es \(a^2\), por lo que es efectivamente cuadrática siempre que la ecuación original lo sea, es decir, cuando \(a\ne0\).
Para determinar con precisión si al elevar al cuadrado se introducen soluciones, definamos \[ Q(y)=a^2y^2+2(a^2+2ac-b^2)y+(a+2c)^2-2b^2. \] La identidad \[ \begin{aligned} Q(\cos 2x) &=4\bigl((a\cos^2x+c)^2-b^2\cos^2x\bigr)\\ &=4P(\cos x)P(-\cos x) \end{aligned} \] muestra que \[ Q(\cos 2x)=0 \quad\Longleftrightarrow\quad P(\cos x)=0\ \text{o}\ P(\cos(x+\pi))=0. \] Así, la ecuación construida tiene exactamente las soluciones originales junto con sus trasladadas en \(\pi\).
Esto también pone de manifiesto el problema de la redacción del enunciado. Toda ecuación que dependa únicamente de \(\cos 2x\) permanece inalterada al sustituir \(x\) por \(x+\pi\). La ecuación original no tiene por qué poseer esta propiedad. En efecto, si \(P(t)=0\), entonces \[ P(-t)=P(t)-2bt=-2bt. \] En consecuencia, cuando \(b\ne0\), cualquier solución original con \(\cos x\ne0\) tiene una trasladada en \(\pi\) que no es solución de la ecuación original. En tal situación, ninguna ecuación que dependa únicamente de \(\cos 2x\) puede tener exactamente el conjunto de soluciones original.
Para completar el análisis, la construcción es equivalente a la ecuación original precisamente cuando \(b=0\), o cuando \(P\) no tiene ninguna raíz no nula en \([-1,1]\). La factorización lo demuestra incluso en el caso de raíces múltiples, raíces en los extremos y conjuntos de soluciones vacíos.
Aunque «cuadrática» presupone \(a\ne0\), la identidad también abarca los casos de coeficientes degenerados. Si \(a=0\) y \(b\ne0\), la ecuación construida se convierte en \[ 4c^2-2b^2(1+\cos 2x)=0, \] equivalente a \(\cos^2x=c^2/b^2\), mientras que la original exige \(\cos x=-c/b\). Si \(a=b=0\), ambas ecuaciones se cumplen para todo \(x\) real cuando \(c=0\), y ninguna tiene solución cuando \(c\ne0\).
Tomemos ahora \(a=4,\ b=2,\ c=-1\). Al sustituir se obtiene \[ Q(y)=16y^2+8y-4=4(4y^2+2y-1), \] por lo que la ecuación construida es \[ 4\cos^2 2x+2\cos 2x-1=0. \] Las dos ecuaciones tienen, por tanto, coeficientes idénticos en sus respectivas variables coseno. Sus raíces algebraicas son \[ \frac{-1+\sqrt5}{4},\qquad \frac{-1-\sqrt5}{4}. \]
Para hallar y comparar todas sus soluciones reales en \(x\), las fórmulas de adición del seno dan \[ \begin{aligned} (4\cos^2t+2\cos t-1)\sin\frac t2 &=(1+2\cos t+2\cos 2t)\sin\frac t2\\ &=\sin\frac{5t}{2}. \end{aligned} \] Si \(t\in2\pi\mathbb Z\), la expresión cuadrática vale \(5\), por lo que no es nula. En caso contrario, se puede dividir por \(\sin(t/2)\), y \[ 4\cos^2t+2\cos t-1=0 \quad\Longleftrightarrow\quad t=\frac{2k\pi}{5},\qquad 5\nmid k. \] Tomando \(t=x\) y después \(t=2x\), se obtienen exactamente los dos conjuntos de soluciones indicados anteriormente.
En particular, \(2\pi/5\) es una solución original, pero \(7\pi/5\) no lo es. Como estos argumentos difieren en \(\pi\), incluso el ejemplo especificado descarta una interpretación literal que exija soluciones reales en \(x\) idénticas.
La solución se comprobó con el archivo de soluciones de la IMO de John Scholes (Kalva).
IMO 1959 · 问题 3
设 \(a, b, c\) 为实数。考虑关于 \(\cos x\) 的二次方程: \[ a\cos^2 x+b\cos x+c=0. \] 利用数 \(a, b, c\),构造一个关于 \(\cos 2x\) 的二次方程,使其根与原方程的根相同。当 \(a=4, b=2, c=-1\) 时,比较关于 \(\cos x\) 和 \(\cos 2x\) 的这两个方程。
题目译自官方英文原文。 官方试卷 (PDF)
答案
通常的倍角构造给出 \[ \boxed{a^2\cos^2 2x+2(a^2+2ac-b^2)\cos 2x+(a+2c)^2-2b^2=0.} \]
题目的表述需要加以限定:这个方程一般会有额外的实数解 \(x\)。仅含 \(\cos 2x\) 的方程不一定能与原方程具有完全相同的 \(x\) 的解。
当 \(a=4,\ b=2,\ c=-1\) 时,所构造的方程为 \[ \boxed{4\cos^2 2x+2\cos 2x-1=0.} \] 各自的解集为 \[ \boxed{ \begin{aligned} \text{原方程:}\quad &x=\frac{2k\pi}{5}, &&k\in\mathbb Z,\quad 5\nmid k,\\ \text{所构造的方程:}\quad &x=\frac{k\pi}{5}, &&k\in\mathbb Z,\quad 5\nmid k. \end{aligned}} \]
解答
令 \(P(t)=at^2+bt+c\)。利用 \(2\cos^2x=1+\cos 2x\),由原方程得 \[ a\cos 2x+a+2c=-2b\cos x. \] 两边平方,得 \[ (a\cos 2x+a+2c)^2=2b^2(1+\cos 2x). \] 展开即得答案中列出的方程。其二次项系数为 \(a^2\),因此,只要原方程是二次方程,即 \(a\ne0\),所构造的方程就确实是二次方程。
为了准确判断平方是否引入了增根,定义 \[ Q(y)=a^2y^2+2(a^2+2ac-b^2)y+(a+2c)^2-2b^2. \] 恒等式 \[ \begin{aligned} Q(\cos 2x) &=4\bigl((a\cos^2x+c)^2-b^2\cos^2x\bigr)\\ &=4P(\cos x)P(-\cos x) \end{aligned} \] 表明 \[ Q(\cos 2x)=0 \quad\Longleftrightarrow\quad P(\cos x)=0\ \text{或}\ P(\cos(x+\pi))=0. \] 因此,所构造方程的解恰好由原方程的解以及将这些解平移 \(\pi\) 后所得的值组成。
这也指出了题目措辞中的问题。任何仅含 \(\cos 2x\) 的方程在将 \(x\) 替换为 \(x+\pi\) 后都保持不变。原方程则未必具有这一性质。事实上,若 \(P(t)=0\),则 \[ P(-t)=P(t)-2bt=-2bt. \] 所以,当 \(b\ne0\) 时,原方程的任何满足 \(\cos x\ne0\) 的解平移 \(\pi\) 后,都不再是原方程的解。在这种情况下,不存在仅含 \(\cos 2x\) 的方程能与原方程具有完全相同的解集。
为使论述完整,所构造的方程与原方程等价,当且仅当 \(b=0\),或 \(P\) 在 \([-1,1]\) 内没有非零根。上述因式分解也证明了这一结论对重根、端点处的根以及空解集的情形均成立。
尽管“二次”意味着 \(a\ne0\),上述恒等式也适用于系数退化的情形。若 \(a=0\) 且 \(b\ne0\),所构造的方程变为 \[ 4c^2-2b^2(1+\cos 2x)=0, \] 等价于 \(\cos^2x=c^2/b^2\),而原方程要求 \(\cos x=-c/b\)。若 \(a=b=0\),则当 \(c=0\) 时,两个方程对每个实数 \(x\) 都成立;当 \(c\ne0\) 时,两个方程都无解。
现在取 \(a=4,\ b=2,\ c=-1\)。代入得 \[ Q(y)=16y^2+8y-4=4(4y^2+2y-1), \] 所以所构造的方程为 \[ 4\cos^2 2x+2\cos 2x-1=0. \] 因此,这两个方程以各自的余弦式为变量时,具有完全相同的系数。它们的代数根为 \[ \frac{-1+\sqrt5}{4},\qquad \frac{-1-\sqrt5}{4}. \]
为了求出并比较它们所有的实数解 \(x\),利用正弦加法公式得 \[ \begin{aligned} (4\cos^2t+2\cos t-1)\sin\frac t2 &=(1+2\cos t+2\cos 2t)\sin\frac t2\\ &=\sin\frac{5t}{2}. \end{aligned} \] 若 \(t\in2\pi\mathbb Z\),则该二次式的值为 \(5\),因而不为零。否则,可以除以 \(\sin(t/2)\),并有 \[ 4\cos^2t+2\cos t-1=0 \quad\Longleftrightarrow\quad t=\frac{2k\pi}{5},\qquad 5\nmid k. \] 依次取 \(t=x\) 和 \(t=2x\),恰好得到上面给出的两个解集。
特别地,\(2\pi/5\) 是原方程的解,而 \(7\pi/5\) 不是。由于这两个角相差 \(\pi\),即使是题目指定的这个例子,也排除了将题意按字面理解为要求实数解 \(x\) 完全相同的可能。
解答已与 John Scholes 的 IMO 解答档案(Kalva)核对。
IMO 1959 · Задача 3
Пусть \(a, b, c\) — действительные числа. Рассмотрим квадратное уравнение относительно \(\cos x\): \[ a\cos^2 x+b\cos x+c=0. \] Используя числа \(a, b, c\), составьте квадратное уравнение относительно \(\cos 2x\), корни которого совпадают с корнями исходного уравнения. Сравните уравнения относительно \(\cos x\) и \(\cos 2x\) при \(a=4, b=2, c=-1\).
Условие переведено с официального английского текста. Официальный текст задач (PDF)
Ответ
Обычное преобразование с помощью формулы двойного угла даёт \[ \boxed{a^2\cos^2 2x+2(a^2+2ac-b^2)\cos 2x+(a+2c)^2-2b^2=0.} \]
Формулировка требует оговорки: это уравнение, вообще говоря, имеет дополнительные действительные решения \(x\). Уравнение, содержащее только \(\cos 2x\), не всегда может иметь в точности те же решения относительно \(x\), что и исходное.
При \(a=4,\ b=2,\ c=-1\) полученное уравнение имеет вид \[ \boxed{4\cos^2 2x+2\cos 2x-1=0.} \] Соответствующие множества решений таковы: \[ \boxed{ \begin{aligned} \text{Исходное:}\quad &x=\frac{2k\pi}{5}, &&k\in\mathbb Z,\quad 5\nmid k,\\ \text{Полученное:}\quad &x=\frac{k\pi}{5}, &&k\in\mathbb Z,\quad 5\nmid k. \end{aligned}} \]
Решение
Положим \(P(t)=at^2+bt+c\). Используя \(2\cos^2x=1+\cos 2x\), из исходного уравнения получаем \[ a\cos 2x+a+2c=-2b\cos x. \] Возведение в квадрат даёт \[ (a\cos 2x+a+2c)^2=2b^2(1+\cos 2x). \] Раскрывая скобки, получаем уравнение, приведённое в разделе «Ответ». Его старший коэффициент равен \(a^2\), поэтому оно действительно является квадратным всякий раз, когда исходное уравнение квадратное, то есть при \(a\ne0\).
Чтобы точно установить, появляются ли при возведении в квадрат посторонние решения, определим \[ Q(y)=a^2y^2+2(a^2+2ac-b^2)y+(a+2c)^2-2b^2. \] Тождество \[ \begin{aligned} Q(\cos 2x) &=4\bigl((a\cos^2x+c)^2-b^2\cos^2x\bigr)\\ &=4P(\cos x)P(-\cos x) \end{aligned} \] показывает, что \[ Q(\cos 2x)=0 \quad\Longleftrightarrow\quad P(\cos x)=0\ \text{или}\ P(\cos(x+\pi))=0. \] Таким образом, решения полученного уравнения — это в точности решения исходного уравнения вместе с их сдвигами на \(\pi\).
Это также выявляет неточность формулировки. Любое уравнение, содержащее только \(\cos 2x\), не меняется при замене \(x\) на \(x+\pi\). Исходное уравнение не обязано обладать этим свойством. Действительно, если \(P(t)=0\), то \[ P(-t)=P(t)-2bt=-2bt. \] Следовательно, при \(b\ne0\) сдвиг любого исходного решения с \(\cos x\ne0\) на \(\pi\) не является решением исходного уравнения. В такой ситуации никакое уравнение, содержащее только \(\cos 2x\), не может иметь в точности то же множество решений, что и исходное.
Для полноты отметим, что полученное уравнение равносильно исходному в точности тогда, когда \(b=0\) или когда \(P\) не имеет ненулевых корней в \([-1,1]\). Разложение на множители доказывает это и в случае кратных корней, корней на концах отрезка и пустых множеств решений.
Хотя слово «квадратное» предполагает \(a\ne0\), тождество охватывает и вырожденные случаи. Если \(a=0\) и \(b\ne0\), полученное уравнение принимает вид \[ 4c^2-2b^2(1+\cos 2x)=0, \] что равносильно \(\cos^2x=c^2/b^2\), тогда как исходное требует \(\cos x=-c/b\). Если \(a=b=0\), то при \(c=0\) оба уравнения выполняются для любого действительного \(x\), а при \(c\ne0\) ни одно из них не имеет решений.
Теперь возьмём \(a=4,\ b=2,\ c=-1\). Подстановка даёт \[ Q(y)=16y^2+8y-4=4(4y^2+2y-1), \] так что полученное уравнение имеет вид \[ 4\cos^2 2x+2\cos 2x-1=0. \] Таким образом, оба уравнения имеют одинаковые коэффициенты относительно соответствующих косинусов. Их алгебраические корни равны \[ \frac{-1+\sqrt5}{4},\qquad \frac{-1-\sqrt5}{4}. \]
Чтобы найти и сравнить все их действительные решения относительно \(x\), воспользуемся формулами сложения синусов: \[ \begin{aligned} (4\cos^2t+2\cos t-1)\sin\frac t2 &=(1+2\cos t+2\cos 2t)\sin\frac t2\\ &=\sin\frac{5t}{2}. \end{aligned} \] Если \(t\in2\pi\mathbb Z\), квадратный трёхчлен равен \(5\), то есть отличен от нуля. В противном случае можно разделить на \(\sin(t/2)\), и \[ 4\cos^2t+2\cos t-1=0 \quad\Longleftrightarrow\quad t=\frac{2k\pi}{5},\qquad 5\nmid k. \] Полагая сначала \(t=x\), а затем \(t=2x\), получаем в точности два множества решений, указанные выше.
В частности, \(2\pi/5\) является решением исходного уравнения, а \(7\pi/5\) — нет. Поскольку эти аргументы отличаются на \(\pi\), даже приведённый в условии пример исключает буквальное толкование, требующее совпадения действительных решений относительно \(x\).
Решение проверено по архиву решений IMO Джона Скоулза (Kalva).
IMO 1959 · المسألة 3
لتكن \(a, b, c\) أعدادًا حقيقية. اعتبر المعادلة التربيعية في \(\cos x\): \[ a\cos^2 x+b\cos x+c=0. \] باستخدام الأعداد \(a, b, c\)، كوِّن معادلة تربيعية في \(\cos 2x\)، تكون جذورها هي نفسها جذور المعادلة الأصلية. قارن بين المعادلتين في \(\cos x\) و\(\cos 2x\) عندما \(a=4, b=2, c=-1\).
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الإجابة
تعطي الطريقة المعتادة باستخدام صيغة الزاوية المضاعفة \[ \boxed{a^2\cos^2 2x+2(a^2+2ac-b^2)\cos 2x+(a+2c)^2-2b^2=0.} \]
يلزم التنبيه إلى قيد في صياغة المسألة: لهذه المعادلة عمومًا حلول حقيقية إضافية لـ \(x\). فلا يمكن دائمًا لمعادلة بدلالة \(\cos 2x\) وحده أن تكون حلولها في \(x\) هي بالضبط حلول المعادلة الأصلية.
عندما \(a=4,\ b=2,\ c=-1\)، تكون المعادلة الناتجة \[ \boxed{4\cos^2 2x+2\cos 2x-1=0.} \] ومجموعتا الحلول، على الترتيب، هما \[ \boxed{ \begin{aligned} \text{الأصلية:}\quad &x=\frac{2k\pi}{5}, &&k\in\mathbb Z,\quad 5\nmid k,\\ \text{الناتجة:}\quad &x=\frac{k\pi}{5}, &&k\in\mathbb Z,\quad 5\nmid k. \end{aligned}} \]
الحل
لنضع \(P(t)=at^2+bt+c\). باستخدام \(2\cos^2x=1+\cos 2x\)، تعطي المعادلة الأصلية \[ a\cos 2x+a+2c=-2b\cos x. \] وبالتربيع نحصل على \[ (a\cos 2x+a+2c)^2=2b^2(1+\cos 2x). \] وبالنشر نحصل على المعادلة المعروضة في الإجابة. معامل حدها الأعلى هو \(a^2\)، لذا فهي تربيعية فعلًا متى كانت المعادلة الأصلية تربيعية، أي عندما \(a\ne0\).
لتحديد ما إذا كان التربيع يُدخل حلولًا إضافية بدقة، نعرِّف \[ Q(y)=a^2y^2+2(a^2+2ac-b^2)y+(a+2c)^2-2b^2. \] تُبيِّن المتطابقة \[ \begin{aligned} Q(\cos 2x) &=4\bigl((a\cos^2x+c)^2-b^2\cos^2x\bigr)\\ &=4P(\cos x)P(-\cos x) \end{aligned} \] أن \[ Q(\cos 2x)=0 \quad\Longleftrightarrow\quad P(\cos x)=0\ \text{أو}\ P(\cos(x+\pi))=0. \] إذن حلول المعادلة الناتجة هي بالضبط الحلول الأصلية مع إزاحاتها بمقدار \(\pi\).
وهذا يحدد أيضًا الإشكال في الصياغة. فكل معادلة بدلالة \(\cos 2x\) وحده لا تتغير عند استبدال \(x\) بـ \(x+\pi\). وليس من الضروري أن تتمتع المعادلة الأصلية بهذه الخاصية. وبالفعل، إذا كان \(P(t)=0\)، فإن \[ P(-t)=P(t)-2bt=-2bt. \] وبالتالي، عندما \(b\ne0\)، فإن إزاحة أي حل أصلي يحقق \(\cos x\ne0\) بمقدار \(\pi\) لا تكون حلًا أصليًا. وفي هذه الحالة، لا توجد معادلة بدلالة \(\cos 2x\) وحده تكون مجموعة حلولها هي بالضبط مجموعة الحلول الأصلية.
واستكمالًا للبحث، تكون المعادلة الناتجة مكافئة للمعادلة الأصلية إذا وفقط إذا كان \(b=0\)، أو لم يكن لـ \(P\) أي جذر غير صفري في \([-1,1]\). ويثبت التحليل إلى عوامل ذلك حتى في حالات الجذور المكررة، والجذور الواقعة عند طرفي المجال، ومجموعات الحلول الخالية.
مع أن وصف «تربيعية» يفترض \(a\ne0\)، فإن المتطابقة تعالج أيضًا حالات انحلال المعادلة بسبب انعدام بعض المعاملات. إذا كان \(a=0\) و\(b\ne0\)، تصبح المعادلة الناتجة \[ 4c^2-2b^2(1+\cos 2x)=0, \] وهي تكافئ \(\cos^2x=c^2/b^2\)، بينما تشترط المعادلة الأصلية \(\cos x=-c/b\). وإذا كان \(a=b=0\)، فإن كلتا المعادلتين تتحققان لكل \(x\) حقيقي عندما \(c=0\)، ولا يكون لأي منهما حل عندما \(c\ne0\).
لنأخذ الآن \(a=4,\ b=2,\ c=-1\). بالتعويض نحصل على \[ Q(y)=16y^2+8y-4=4(4y^2+2y-1), \] ومن ثم تكون المعادلة الناتجة \[ 4\cos^2 2x+2\cos 2x-1=0. \] إذن للمعادلتين معاملات متطابقة عند اعتبار مقدار جيب التمام في كل منهما متغيرًا. وجذراهما الجبريان هما \[ \frac{-1+\sqrt5}{4},\qquad \frac{-1-\sqrt5}{4}. \]
لإيجاد جميع حلولهما الحقيقية في \(x\) والمقارنة بينها، تعطي صيغ جمع الجيب \[ \begin{aligned} (4\cos^2t+2\cos t-1)\sin\frac t2 &=(1+2\cos t+2\cos 2t)\sin\frac t2\\ &=\sin\frac{5t}{2}. \end{aligned} \] إذا كان \(t\in2\pi\mathbb Z\)، فإن قيمة المقدار التربيعي تساوي \(5\)، ومن ثم فهو غير صفري. وفي غير ذلك، تجوز القسمة على \(\sin(t/2)\)، ونحصل على \[ 4\cos^2t+2\cos t-1=0 \quad\Longleftrightarrow\quad t=\frac{2k\pi}{5},\qquad 5\nmid k. \] بوضع \(t=x\) ثم \(t=2x\)، نحصل بالضبط على مجموعتي الحلول المذكورتين أعلاه.
وعلى وجه الخصوص، فإن \(2\pi/5\) حل أصلي، بينما \(7\pi/5\) ليس كذلك. وبما أن هاتين الزاويتين تختلفان بمقدار \(\pi\)، فإن المثال المحدد نفسه يستبعد التفسير الحرفي الذي يشترط تطابق الحلول الحقيقية في \(x\).
تمت مراجعة الحل بمقارنته بأرشيف حلول IMO لجون سكولز (Kalva).