IMO 1961 · Problem 1
Solve the system of equations: \[ \begin{aligned} x+y+z&=a\\ x^2+y^2+z^2&=b^2\\ xy&=z^2 \end{aligned} \] where \(a\) and \(b\) are constants. Give the conditions that \(a\) and \(b\) must satisfy so that \(x,y,z\) (the solutions of the system) are distinct positive numbers.
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Answer
For real constants \(a,b\), all real solutions are as follows:
- If \(a=b=0\), the unique solution is \((x,y,z)=(0,0,0)\).
- If \(a\ne0\) and \[ \frac{a^2}{3}\le b^2\le3a^2, \] put \(R=(3a^2-b^2)(3b^2-a^2)\). The solutions are \[ \boxed{ (x,y,z)= \left( \frac{a^2+b^2\pm\sqrt R}{4a}, \frac{a^2+b^2\mp\sqrt R}{4a}, \frac{a^2-b^2}{2a} \right). } \] The two choices coincide when \(R=0\).
- Otherwise there are no real solutions.
The necessary and sufficient conditions for \(x,y,z\) to be pairwise distinct and positive are \[ \boxed{a>0,\qquad \frac{a^2}{3}<b^2<a^2,} \] equivalently, \[ \boxed{|b|<a<\sqrt3\,|b|.} \]
Solution
Using \(xy=z^2\) and \(x+y=a-z\), we obtain \[ b^2=x^2+y^2+z^2 =(x+y)^2-2xy+z^2 =(a-z)^2-z^2 =a^2-2az. \]
If \(a=0\), this identity forces \(b=0\). Then the second equation gives \[ x^2+y^2+z^2=0, \] so \(x=y=z=0\). Thus the case \(a=0\) is completely settled.
Suppose now that \(a\ne0\). The identity above gives \[ z=\frac{a^2-b^2}{2a}, \qquad x+y=a-z=\frac{a^2+b^2}{2a}, \qquad xy=z^2=\frac{(a^2-b^2)^2}{4a^2}. \] Consequently, \(x,y\) must be the two roots, counted with multiplicity, of \[ t^2-\frac{a^2+b^2}{2a}\,t +\frac{(a^2-b^2)^2}{4a^2}=0. \] Its discriminant is \[ \begin{aligned} \Delta &=\frac{(a^2+b^2)^2-4(a^2-b^2)^2}{4a^2}\\ &=\frac{(3a^2-b^2)(3b^2-a^2)}{4a^2}. \end{aligned} \] Writing \(r=b^2/a^2\), the condition \(\Delta\ge0\) becomes \[ (3-r)(3r-1)\ge0, \] which holds exactly when \(1/3\le r\le3\). The quadratic formula therefore gives precisely the solutions stated in the Answer.
Conversely, every listed pair of roots satisfies \(x+y=a-z\) and \(xy=z^2\). Hence \[ x+y+z=a, \qquad x^2+y^2+z^2=(a-z)^2-z^2=a^2-2az=b^2. \] Thus every listed triple satisfies the original system, and no solutions have been omitted. At the discriminant endpoints, the solutions are respectively \[ b^2=\frac{a^2}{3}:\quad (x,y,z)=\left(\frac a3,\frac a3,\frac a3\right), \] and \[ b^2=3a^2:\quad (x,y,z)=(a,a,-a). \]
It remains to determine when the entries are distinct and positive.
Necessarily, positivity gives \(a=x+y+z>0\). Since \[ z=\frac{a^2-b^2}{2a}>0, \] we have \(b^2<a^2\). Also, distinctness gives \(x\ne y\), so \(\Delta>0\). Because \(3a^2-b^2>0\), this forces \(3b^2-a^2>0\). Therefore \[ a>0,\qquad \frac{a^2}{3}<b^2<a^2 \] is necessary.
Conversely, suppose these inequalities hold. Then \(\Delta>0\), so \(x,y\) are real and unequal, while \[ z>0,\qquad xy=z^2>0,\qquad x+y=\frac{a^2+b^2}{2a}>0. \] The positive product and positive sum imply \(x,y>0\). Finally, if \(x=z\), then \(xy=z^2\) and \(z>0\) imply \(y=z\), contradicting \(x\ne y\). The same argument excludes \(y=z\). Thus all three entries are pairwise distinct and positive, proving sufficiency.
The solution was checked against John Scholes' IMO solution archive (Kalva).
IMO 1961 · Aufgabe 1
Löse das Gleichungssystem: \[ \begin{aligned} x+y+z&=a\\ x^2+y^2+z^2&=b^2\\ xy&=z^2 \end{aligned} \] wobei \(a\) und \(b\) Konstanten sind. Gib die Bedingungen an, die \(a\) und \(b\) erfüllen müssen, damit \(x,y,z\) (die Lösungen des Systems) verschiedene positive Zahlen sind.
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Antwort
Für reelle Konstanten \(a,b\) sind sämtliche reellen Lösungen wie folgt gegeben:
- Ist \(a=b=0\), so ist die einzige Lösung \((x,y,z)=(0,0,0)\).
- Ist \(a\ne0\) und gilt \[ \frac{a^2}{3}\le b^2\le3a^2, \] so setze \(R=(3a^2-b^2)(3b^2-a^2)\). Die Lösungen sind \[ \boxed{ (x,y,z)= \left( \frac{a^2+b^2\pm\sqrt R}{4a}, \frac{a^2+b^2\mp\sqrt R}{4a}, \frac{a^2-b^2}{2a} \right). } \] Die beiden Möglichkeiten fallen zusammen, wenn \(R=0\).
- Andernfalls gibt es keine reellen Lösungen.
Die notwendigen und hinreichenden Bedingungen dafür, dass \(x,y,z\) paarweise verschieden und positiv sind, lauten \[ \boxed{a>0,\qquad \frac{a^2}{3}<b^2<a^2,} \] oder gleichwertig \[ \boxed{|b|<a<\sqrt3\,|b|.} \]
Lösung
Aus \(xy=z^2\) und \(x+y=a-z\) erhalten wir \[ b^2=x^2+y^2+z^2 =(x+y)^2-2xy+z^2 =(a-z)^2-z^2 =a^2-2az. \]
Ist \(a=0\), so folgt aus dieser Identität zwingend \(b=0\). Dann ergibt die zweite Gleichung \[ x^2+y^2+z^2=0, \] also \(x=y=z=0\). Damit ist der Fall \(a=0\) vollständig behandelt.
Sei nun \(a\ne0\). Die obige Identität ergibt \[ z=\frac{a^2-b^2}{2a}, \qquad x+y=a-z=\frac{a^2+b^2}{2a}, \qquad xy=z^2=\frac{(a^2-b^2)^2}{4a^2}. \] Folglich müssen \(x,y\) die beiden mit ihrer Vielfachheit gezählten Wurzeln der Gleichung \[ t^2-\frac{a^2+b^2}{2a}\,t +\frac{(a^2-b^2)^2}{4a^2}=0 \] sein. Ihre Diskriminante ist \[ \begin{aligned} \Delta &=\frac{(a^2+b^2)^2-4(a^2-b^2)^2}{4a^2}\\ &=\frac{(3a^2-b^2)(3b^2-a^2)}{4a^2}. \end{aligned} \] Setzen wir \(r=b^2/a^2\), so wird die Bedingung \(\Delta\ge0\) zu \[ (3-r)(3r-1)\ge0, \] was genau dann gilt, wenn \(1/3\le r\le3\). Die Lösungsformel für quadratische Gleichungen liefert daher genau die in der Antwort angegebenen Lösungen.
Umgekehrt erfüllt jedes aufgeführte Wurzelpaar die Gleichungen \(x+y=a-z\) und \(xy=z^2\). Somit gilt \[ x+y+z=a, \qquad x^2+y^2+z^2=(a-z)^2-z^2=a^2-2az=b^2. \] Damit erfüllt jedes aufgeführte Tripel das ursprüngliche System, und es wurden keine Lösungen ausgelassen. An den durch das Verschwinden der Diskriminante bestimmten Randpunkten lauten die Lösungen \[ b^2=\frac{a^2}{3}:\quad (x,y,z)=\left(\frac a3,\frac a3,\frac a3\right), \] beziehungsweise \[ b^2=3a^2:\quad (x,y,z)=(a,a,-a). \]
Es bleibt zu bestimmen, wann die Komponenten verschieden und positiv sind.
Aus der Positivität folgt notwendig \(a=x+y+z>0\). Wegen \[ z=\frac{a^2-b^2}{2a}>0, \] gilt \(b^2<a^2\). Außerdem folgt aus der Verschiedenheit \(x\ne y\), also \(\Delta>0\). Da \(3a^2-b^2>0\), muss somit \(3b^2-a^2>0\) gelten. Daher ist \[ a>0,\qquad \frac{a^2}{3}<b^2<a^2 \] notwendig.
Nehmen wir umgekehrt an, dass diese Ungleichungen gelten. Dann ist \(\Delta>0\), also sind \(x,y\) reell und verschieden, und es gilt \[ z>0,\qquad xy=z^2>0,\qquad x+y=\frac{a^2+b^2}{2a}>0. \] Aus dem positiven Produkt und der positiven Summe folgt \(x,y>0\). Wäre schließlich \(x=z\), so folgte aus \(xy=z^2\) und \(z>0\), dass \(y=z\), im Widerspruch zu \(x\ne y\). Dasselbe Argument schließt \(y=z\) aus. Somit sind alle drei Komponenten paarweise verschieden und positiv, womit die Hinlänglichkeit bewiesen ist.
Die Lösung wurde mit dem IMO-Lösungsarchiv von John Scholes (Kalva) abgeglichen.
IMO 1961 · Soru 1
Aşağıdaki denklem sistemini çözünüz: \[ \begin{aligned} x+y+z&=a\\ x^2+y^2+z^2&=b^2\\ xy&=z^2 \end{aligned} \] Burada \(a\) ve \(b\) sabitlerdir. \(x,y,z\) (sistemin çözümleri) birbirinden farklı pozitif sayılar olacak şekilde \(a\) ve \(b\)'nin sağlaması gereken koşulları belirtiniz.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Cevap
Gerçek \(a,b\) sabitleri için tüm gerçek çözümler aşağıdaki gibidir:
- \(a=b=0\) ise tek çözüm \((x,y,z)=(0,0,0)\)'dır.
- \(a\ne0\) ve \[ \frac{a^2}{3}\le b^2\le3a^2, \] ise \(R=(3a^2-b^2)(3b^2-a^2)\) olsun. Çözümler \[ \boxed{ (x,y,z)= \left( \frac{a^2+b^2\pm\sqrt R}{4a}, \frac{a^2+b^2\mp\sqrt R}{4a}, \frac{a^2-b^2}{2a} \right). } \] biçimindedir. \(R=0\) olduğunda iki seçim aynı çözümü verir.
- Diğer durumlarda gerçek çözüm yoktur.
\(x,y,z\)'nin ikişer ikişer farklı ve pozitif olması için gerek ve yeter koşullar \[ \boxed{a>0,\qquad \frac{a^2}{3}<b^2<a^2,} \] ya da eş değer olarak, \[ \boxed{|b|<a<\sqrt3\,|b|} \] şeklindedir.
Çözüm
\(xy=z^2\) ve \(x+y=a-z\) eşitliklerini kullanarak \[ b^2=x^2+y^2+z^2 =(x+y)^2-2xy+z^2 =(a-z)^2-z^2 =a^2-2az \] elde ederiz.
\(a=0\) ise bu özdeşlik \(b=0\) olmasını gerektirir. Bu durumda ikinci denklemden \[ x^2+y^2+z^2=0, \] elde edilir; dolayısıyla \(x=y=z=0\) olur. Böylece \(a=0\) durumu tamamen çözümlenmiştir.
Şimdi \(a\ne0\) olduğunu varsayalım. Yukarıdaki özdeşlikten \[ z=\frac{a^2-b^2}{2a}, \qquad x+y=a-z=\frac{a^2+b^2}{2a}, \qquad xy=z^2=\frac{(a^2-b^2)^2}{4a^2} \] elde edilir. Buna göre \(x,y\), katlarıyla sayıldığında, \[ t^2-\frac{a^2+b^2}{2a}\,t +\frac{(a^2-b^2)^2}{4a^2}=0 \] denkleminin iki kökü olmalıdır. Bu denklemin diskriminantı \[ \begin{aligned} \Delta &=\frac{(a^2+b^2)^2-4(a^2-b^2)^2}{4a^2}\\ &=\frac{(3a^2-b^2)(3b^2-a^2)}{4a^2} \end{aligned} \] şeklindedir. \(r=b^2/a^2\) yazıldığında \(\Delta\ge0\) koşulu \[ (3-r)(3r-1)\ge0, \] haline gelir; bu eşitsizlik ancak ve ancak \(1/3\le r\le3\) olduğunda sağlanır. Dolayısıyla ikinci derece denklemin kök formülü tam olarak Cevap bölümünde belirtilen çözümleri verir.
Tersine, listelenen her kök çifti \(x+y=a-z\) ve \(xy=z^2\) eşitliklerini sağlar. Bu nedenle \[ x+y+z=a, \qquad x^2+y^2+z^2=(a-z)^2-z^2=a^2-2az=b^2 \] olur. Böylece listelenen her üçlü başlangıçtaki sistemi sağlar ve hiçbir çözüm dışarıda bırakılmamıştır. Diskriminantın sıfır olduğu sınır değerlerde çözümler sırasıyla \[ b^2=\frac{a^2}{3}:\quad (x,y,z)=\left(\frac a3,\frac a3,\frac a3\right), \] ve \[ b^2=3a^2:\quad (x,y,z)=(a,a,-a) \] şeklindedir.
Geriye bileşenlerin hangi koşullarda birbirinden farklı ve pozitif olduğunu belirlemek kalır.
Pozitiflik gereği \(a=x+y+z>0\) olmalıdır. \[ z=\frac{a^2-b^2}{2a}>0, \] olduğundan \(b^2<a^2\) elde edilir. Ayrıca birbirinden farklı olmaları \(x\ne y\) olmasını, dolayısıyla \(\Delta>0\) olmasını gerektirir. \(3a^2-b^2>0\) olduğundan bu, \(3b^2-a^2>0\) olmasını zorunlu kılar. O halde \[ a>0,\qquad \frac{a^2}{3}<b^2<a^2 \] koşulları gereklidir.
Tersine, bu eşitsizliklerin sağlandığını varsayalım. Bu durumda \(\Delta>0\) olduğundan \(x,y\) gerçek ve birbirinden farklıdır; ayrıca \[ z>0,\qquad xy=z^2>0,\qquad x+y=\frac{a^2+b^2}{2a}>0 \] olur. Çarpımlarının ve toplamlarının pozitif olması \(x,y>0\) sonucunu verir. Son olarak, \(x=z\) olsaydı \(xy=z^2\) ve \(z>0\) eşitlik ve eşitsizliğinden \(y=z\) elde edilirdi; bu ise \(x\ne y\) ile çelişir. Aynı akıl yürütme \(y=z\) olasılığını da dışlar. Böylece üç bileşenin tümü ikişer ikişer farklı ve pozitiftir; bu da koşulların yeterli olduğunu kanıtlar.
Çözüm, John Scholes'un IMO çözüm arşiviyle (Kalva) karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 1961 · Problema 1
Resolver el sistema de ecuaciones: \[ \begin{aligned} x+y+z&=a\\ x^2+y^2+z^2&=b^2\\ xy&=z^2 \end{aligned} \] donde \(a\) y \(b\) son constantes. Determinar las condiciones que deben satisfacer \(a\) y \(b\) para que \(x,y,z\) (las soluciones del sistema) sean números positivos distintos entre sí.
Enunciado traducido del texto oficial en inglés. Enunciado oficial (PDF)
Respuesta
Para constantes reales \(a,b\), todas las soluciones reales son las siguientes:
- Si \(a=b=0\), la única solución es \((x,y,z)=(0,0,0)\).
- Si \(a\ne0\) y \[ \frac{a^2}{3}\le b^2\le3a^2, \] sea \(R=(3a^2-b^2)(3b^2-a^2)\). Las soluciones son \[ \boxed{ (x,y,z)= \left( \frac{a^2+b^2\pm\sqrt R}{4a}, \frac{a^2+b^2\mp\sqrt R}{4a}, \frac{a^2-b^2}{2a} \right). } \] Las dos elecciones coinciden cuando \(R=0\).
- En cualquier otro caso, no hay soluciones reales.
Las condiciones necesarias y suficientes para que \(x,y,z\) sean positivos y distintos dos a dos son \[ \boxed{a>0,\qquad \frac{a^2}{3}<b^2<a^2,} \] o, equivalentemente, \[ \boxed{|b|<a<\sqrt3\,|b|.} \]
Solución
Usando \(xy=z^2\) y \(x+y=a-z\), obtenemos \[ b^2=x^2+y^2+z^2 =(x+y)^2-2xy+z^2 =(a-z)^2-z^2 =a^2-2az. \]
Si \(a=0\), esta identidad obliga a que \(b=0\). Entonces la segunda ecuación da \[ x^2+y^2+z^2=0, \] por lo que \(x=y=z=0\). Así, el caso \(a=0\) queda completamente resuelto.
Supongamos ahora que \(a\ne0\). La identidad anterior da \[ z=\frac{a^2-b^2}{2a}, \qquad x+y=a-z=\frac{a^2+b^2}{2a}, \qquad xy=z^2=\frac{(a^2-b^2)^2}{4a^2}. \] Por consiguiente, \(x,y\) deben ser las dos raíces, contadas con multiplicidad, de \[ t^2-\frac{a^2+b^2}{2a}\,t +\frac{(a^2-b^2)^2}{4a^2}=0. \] Su discriminante es \[ \begin{aligned} \Delta &=\frac{(a^2+b^2)^2-4(a^2-b^2)^2}{4a^2}\\ &=\frac{(3a^2-b^2)(3b^2-a^2)}{4a^2}. \end{aligned} \] Escribiendo \(r=b^2/a^2\), la condición \(\Delta\ge0\) se convierte en \[ (3-r)(3r-1)\ge0, \] que se cumple exactamente cuando \(1/3\le r\le3\). Por tanto, la fórmula de las raíces de una ecuación cuadrática da precisamente las soluciones indicadas en la Respuesta.
Recíprocamente, cada par de raíces de la lista satisface \(x+y=a-z\) y \(xy=z^2\). Por tanto, \[ x+y+z=a, \qquad x^2+y^2+z^2=(a-z)^2-z^2=a^2-2az=b^2. \] Así, cada terna de la lista satisface el sistema original, y no se ha omitido ninguna solución. En los extremos del intervalo en que el discriminante es no negativo, las soluciones son, respectivamente, \[ b^2=\frac{a^2}{3}:\quad (x,y,z)=\left(\frac a3,\frac a3,\frac a3\right), \] y \[ b^2=3a^2:\quad (x,y,z)=(a,a,-a). \]
Queda por determinar cuándo las componentes son positivas y distintas entre sí.
Necesariamente, la positividad da \(a=x+y+z>0\). Como \[ z=\frac{a^2-b^2}{2a}>0, \] tenemos \(b^2<a^2\). Además, el hecho de que sean distintas da \(x\ne y\), de modo que \(\Delta>0\). Como \(3a^2-b^2>0\), esto obliga a que \(3b^2-a^2>0\). Por tanto, la condición \[ a>0,\qquad \frac{a^2}{3}<b^2<a^2 \] es necesaria.
Recíprocamente, supongamos que se cumplen estas desigualdades. Entonces \(\Delta>0\), por lo que \(x,y\) son reales y distintos, mientras que \[ z>0,\qquad xy=z^2>0,\qquad x+y=\frac{a^2+b^2}{2a}>0. \] El producto positivo y la suma positiva implican \(x,y>0\). Por último, si \(x=z\), entonces \(xy=z^2\) y \(z>0\) implican \(y=z\), lo que contradice \(x\ne y\). El mismo argumento excluye \(y=z\). Así, las tres componentes son positivas y distintas dos a dos, lo que demuestra la suficiencia.
La solución se comprobó con el archivo de soluciones de la IMO de John Scholes (Kalva).
IMO 1961 · 问题 1
解方程组: \[ \begin{aligned} x+y+z&=a\\ x^2+y^2+z^2&=b^2\\ xy&=z^2 \end{aligned} \] 其中 \(a\) 和 \(b\) 为常数。求 \(a\) 和 \(b\) 应满足的条件,使得 \(x,y,z\)(方程组的解)是互不相同的正数。
题目译自官方英文原文。 官方试卷 (PDF)
答案
对于实常数 \(a,b\),所有实数解如下:
- 若 \(a=b=0\),则唯一的解为 \((x,y,z)=(0,0,0)\)。
- 若 \(a\ne0\) 且 \[ \frac{a^2}{3}\le b^2\le3a^2, \] 令 \(R=(3a^2-b^2)(3b^2-a^2)\)。则解为 \[ \boxed{ (x,y,z)= \left( \frac{a^2+b^2\pm\sqrt R}{4a}, \frac{a^2+b^2\mp\sqrt R}{4a}, \frac{a^2-b^2}{2a} \right). } \] 当 \(R=0\) 时,两种符号选择给出的解相同。
- 其他情况下无实数解。
\(x,y,z\) 两两不同且均为正数的充要条件为 \[ \boxed{a>0,\qquad \frac{a^2}{3}<b^2<a^2,} \] 等价地, \[ \boxed{|b|<a<\sqrt3\,|b|.} \]
解答
利用 \(xy=z^2\) 和 \(x+y=a-z\),得 \[ b^2=x^2+y^2+z^2 =(x+y)^2-2xy+z^2 =(a-z)^2-z^2 =a^2-2az. \]
若 \(a=0\),则由此等式必有 \(b=0\)。于是第二个方程给出 \[ x^2+y^2+z^2=0, \] 所以 \(x=y=z=0\)。至此,\(a=0\) 的情形已完全解决。
现在设 \(a\ne0\)。由上述等式得 \[ z=\frac{a^2-b^2}{2a}, \qquad x+y=a-z=\frac{a^2+b^2}{2a}, \qquad xy=z^2=\frac{(a^2-b^2)^2}{4a^2}. \] 因此,\(x,y\) 必须是下列方程的两个根(重根按重数计): \[ t^2-\frac{a^2+b^2}{2a}\,t +\frac{(a^2-b^2)^2}{4a^2}=0. \] 其判别式为 \[ \begin{aligned} \Delta &=\frac{(a^2+b^2)^2-4(a^2-b^2)^2}{4a^2}\\ &=\frac{(3a^2-b^2)(3b^2-a^2)}{4a^2}. \end{aligned} \] 记 \(r=b^2/a^2\),则条件 \(\Delta\ge0\) 化为 \[ (3-r)(3r-1)\ge0, \] 它成立当且仅当 \(1/3\le r\le3\)。因此,由求根公式恰好得到答案中所列的解。
反过来,所列的每一对根都满足 \(x+y=a-z\) 和 \(xy=z^2\)。因此 \[ x+y+z=a, \qquad x^2+y^2+z^2=(a-z)^2-z^2=a^2-2az=b^2. \] 所以,所列的每个三元组都满足原方程组,且没有遗漏任何解。在判别式为零的两个端点处,解分别为 \[ b^2=\frac{a^2}{3}:\quad (x,y,z)=\left(\frac a3,\frac a3,\frac a3\right), \] 以及 \[ b^2=3a^2:\quad (x,y,z)=(a,a,-a). \]
下面确定这三个数何时互不相同且均为正数。
先证必要性。由三个数均为正数,得 \(a=x+y+z>0\)。由于 \[ z=\frac{a^2-b^2}{2a}>0, \] 故 \(b^2<a^2\)。又由三个数互不相同,得 \(x\ne y\),所以 \(\Delta>0\)。由于 \(3a^2-b^2>0\),必有 \(3b^2-a^2>0\)。因此 \[ a>0,\qquad \frac{a^2}{3}<b^2<a^2 \] 是必要条件。
反过来,设这些不等式成立。则 \(\Delta>0\),所以 \(x,y\) 是不相等的实数,同时 \[ z>0,\qquad xy=z^2>0,\qquad x+y=\frac{a^2+b^2}{2a}>0. \] 由积为正、和为正,得 \(x,y>0\)。最后,若 \(x=z\),则由 \(xy=z^2\) 和 \(z>0\) 得 \(y=z\),这与 \(x\ne y\) 矛盾。同理可排除 \(y=z\) 的情形。因此,三个数两两不同且均为正数,充分性得证。
解答已与 John Scholes 的 IMO 解答档案(Kalva)核对。
IMO 1961 · Задача 1
Решите систему уравнений: \[ \begin{aligned} x+y+z&=a\\ x^2+y^2+z^2&=b^2\\ xy&=z^2 \end{aligned} \] где \(a\) и \(b\) — постоянные. Найдите условия на \(a\) и \(b\), при которых \(x,y,z\) (решения системы) являются попарно различными положительными числами.
Условие переведено с официального английского текста. Официальный текст задач (PDF)
Ответ
Для действительных постоянных \(a,b\) все действительные решения имеют следующий вид:
- Если \(a=b=0\), то единственное решение — \((x,y,z)=(0,0,0)\).
- Если \(a\ne0\) и \[ \frac{a^2}{3}\le b^2\le3a^2, \] положим \(R=(3a^2-b^2)(3b^2-a^2)\). Решения имеют вид \[ \boxed{ (x,y,z)= \left( \frac{a^2+b^2\pm\sqrt R}{4a}, \frac{a^2+b^2\mp\sqrt R}{4a}, \frac{a^2-b^2}{2a} \right). } \] При \(R=0\) оба варианта совпадают.
- В остальных случаях действительных решений нет.
Необходимые и достаточные условия того, что \(x,y,z\) попарно различны и положительны, имеют вид \[ \boxed{a>0,\qquad \frac{a^2}{3}<b^2<a^2,} \] или, что равносильно, \[ \boxed{|b|<a<\sqrt3\,|b|.} \]
Решение
Используя \(xy=z^2\) и \(x+y=a-z\), получаем \[ b^2=x^2+y^2+z^2 =(x+y)^2-2xy+z^2 =(a-z)^2-z^2 =a^2-2az. \]
Если \(a=0\), то из этого тождества следует \(b=0\). Тогда второе уравнение даёт \[ x^2+y^2+z^2=0, \] откуда \(x=y=z=0\). Таким образом, случай \(a=0\) полностью разобран.
Пусть теперь \(a\ne0\). Из полученного выше тождества следует \[ z=\frac{a^2-b^2}{2a}, \qquad x+y=a-z=\frac{a^2+b^2}{2a}, \qquad xy=z^2=\frac{(a^2-b^2)^2}{4a^2}. \] Следовательно, \(x,y\) должны быть двумя корнями, с учётом кратности, уравнения \[ t^2-\frac{a^2+b^2}{2a}\,t +\frac{(a^2-b^2)^2}{4a^2}=0. \] Его дискриминант равен \[ \begin{aligned} \Delta &=\frac{(a^2+b^2)^2-4(a^2-b^2)^2}{4a^2}\\ &=\frac{(3a^2-b^2)(3b^2-a^2)}{4a^2}. \end{aligned} \] Обозначив \(r=b^2/a^2\), запишем условие \(\Delta\ge0\) в виде \[ (3-r)(3r-1)\ge0, \] которое выполняется в точности при \(1/3\le r\le3\). Поэтому формула корней квадратного уравнения даёт в точности решения, приведённые в ответе.
Обратно, каждая из указанных пар корней удовлетворяет равенствам \(x+y=a-z\) и \(xy=z^2\). Поэтому \[ x+y+z=a, \qquad x^2+y^2+z^2=(a-z)^2-z^2=a^2-2az=b^2. \] Таким образом, каждая из указанных троек удовлетворяет исходной системе, и других решений нет. На границах промежутка, где дискриминант неотрицателен, решения имеют соответственно вид \[ b^2=\frac{a^2}{3}:\quad (x,y,z)=\left(\frac a3,\frac a3,\frac a3\right), \] и \[ b^2=3a^2:\quad (x,y,z)=(a,a,-a). \]
Остаётся определить, когда числа в тройке различны и положительны.
Из положительности необходимо следует \(a=x+y+z>0\). Поскольку \[ z=\frac{a^2-b^2}{2a}>0, \] имеем \(b^2<a^2\). Кроме того, из попарной различности следует \(x\ne y\), поэтому \(\Delta>0\). Так как \(3a^2-b^2>0\), отсюда следует \(3b^2-a^2>0\). Следовательно, условия \[ a>0,\qquad \frac{a^2}{3}<b^2<a^2 \] необходимы.
Обратно, пусть эти неравенства выполнены. Тогда \(\Delta>0\), так что \(x,y\) действительны и различны, причём \[ z>0,\qquad xy=z^2>0,\qquad x+y=\frac{a^2+b^2}{2a}>0. \] Из положительности произведения и суммы следует \(x,y>0\). Наконец, если \(x=z\), то из \(xy=z^2\) и \(z>0\) следует \(y=z\), что противоречит \(x\ne y\). Аналогично исключается равенство \(y=z\). Таким образом, все три числа попарно различны и положительны, что доказывает достаточность.
Решение проверено по архиву решений IMO Джона Скоулза (Kalva).
IMO 1961 · المسألة 1
حل نظام المعادلات: \[ \begin{aligned} x+y+z&=a\\ x^2+y^2+z^2&=b^2\\ xy&=z^2 \end{aligned} \] حيث \(a\) و\(b\) ثابتان. أوجد الشروط التي يجب أن يحققها \(a\) و\(b\) لكي تكون \(x,y,z\) (حلول النظام) أعدادًا موجبة متمايزة.
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الإجابة
للثابتين الحقيقيين \(a,b\)، جميع الحلول الحقيقية هي كما يأتي:
- إذا كان \(a=b=0\)، فالحل الوحيد هو \((x,y,z)=(0,0,0)\).
- إذا كان \(a\ne0\) وكان \[ \frac{a^2}{3}\le b^2\le3a^2, \] فضع \(R=(3a^2-b^2)(3b^2-a^2)\). الحلول هي \[ \boxed{ (x,y,z)= \left( \frac{a^2+b^2\pm\sqrt R}{4a}, \frac{a^2+b^2\mp\sqrt R}{4a}, \frac{a^2-b^2}{2a} \right). } \] يتطابق الخياران عندما يكون \(R=0\).
- فيما عدا ذلك، لا توجد حلول حقيقية.
الشروط اللازمة والكافية لكي تكون \(x,y,z\) موجبة ومتمايزة مثنى مثنى هي \[ \boxed{a>0,\qquad \frac{a^2}{3}<b^2<a^2,} \] أو، بصورة مكافئة، \[ \boxed{|b|<a<\sqrt3\,|b|.} \]
الحل
باستخدام \(xy=z^2\) و\(x+y=a-z\)، نحصل على \[ b^2=x^2+y^2+z^2 =(x+y)^2-2xy+z^2 =(a-z)^2-z^2 =a^2-2az. \]
إذا كان \(a=0\)، فإن هذه المتطابقة تقتضي أن يكون \(b=0\). وعندئذ تعطي المعادلة الثانية \[ x^2+y^2+z^2=0, \] ومن ثم \(x=y=z=0\). وبذلك تكون الحالة \(a=0\) قد عولجت بالكامل.
لنفترض الآن أن \(a\ne0\). تعطينا المتطابقة السابقة \[ z=\frac{a^2-b^2}{2a}, \qquad x+y=a-z=\frac{a^2+b^2}{2a}, \qquad xy=z^2=\frac{(a^2-b^2)^2}{4a^2}. \] وبالتالي، يجب أن يكون \(x,y\) جذري المعادلة الآتية، مع احتساب التعدد: \[ t^2-\frac{a^2+b^2}{2a}\,t +\frac{(a^2-b^2)^2}{4a^2}=0. \] مميز هذه المعادلة هو \[ \begin{aligned} \Delta &=\frac{(a^2+b^2)^2-4(a^2-b^2)^2}{4a^2}\\ &=\frac{(3a^2-b^2)(3b^2-a^2)}{4a^2}. \end{aligned} \] بوضع \(r=b^2/a^2\)، يصبح الشرط \(\Delta\ge0\) هو \[ (3-r)(3r-1)\ge0, \] وهو يتحقق إذا وفقط إذا كان \(1/3\le r\le3\). ومن ثم تعطي صيغة حل المعادلة التربيعية بالضبط الحلول المذكورة في الإجابة.
وعكسًا، يحقق كل زوج من الجذور المذكورة \(x+y=a-z\) و\(xy=z^2\). لذا \[ x+y+z=a, \qquad x^2+y^2+z^2=(a-z)^2-z^2=a^2-2az=b^2. \] إذن كل ثلاثية مذكورة تحقق النظام الأصلي، ولم يُغفل أي حل. وعند القيمتين الطرفيتين اللتين ينعدم عندهما المميز، تكون الحلول، على الترتيب، \[ b^2=\frac{a^2}{3}:\quad (x,y,z)=\left(\frac a3,\frac a3,\frac a3\right), \] و \[ b^2=3a^2:\quad (x,y,z)=(a,a,-a). \]
يبقى تحديد متى تكون الأعداد متمايزة وموجبة.
بالضرورة، تستلزم الإيجابية أن يكون \(a=x+y+z>0\). وبما أن \[ z=\frac{a^2-b^2}{2a}>0, \] فإن \(b^2<a^2\). كذلك، يستلزم التمايز أن يكون \(x\ne y\)، ومن ثم \(\Delta>0\). وبما أن \(3a^2-b^2>0\)، فإن هذا يقتضي \(3b^2-a^2>0\). وبالتالي فإن الشروط \[ a>0,\qquad \frac{a^2}{3}<b^2<a^2 \] لازمة.
وعكسًا، لنفترض تحقق هذه المتباينات. عندئذ \(\Delta>0\)، فيكون \(x,y\) حقيقيين وغير متساويين، كما أن \[ z>0,\qquad xy=z^2>0,\qquad x+y=\frac{a^2+b^2}{2a}>0. \] تستلزم إيجابية حاصل الضرب وإيجابية المجموع أن يكون \(x,y>0\). وأخيرًا، إذا كان \(x=z\)، فإن \(xy=z^2\) و\(z>0\) يستلزمان \(y=z\)، وهذا يناقض \(x\ne y\). وتستبعد الحجة نفسها أن يكون \(y=z\). إذن الأعداد الثلاثة جميعها موجبة ومتمايزة مثنى مثنى، وهذا يثبت الكفاية.
تمت مراجعة الحل بمقارنته بأرشيف حلول IMO لجون سكولز (Kalva).