IMO 1961 · Problem 3
Solve the equation \(\cos^n x-\sin^n x=1\), where \(n\) is a natural number.
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Answer
For positive integers \(n\), all real solutions are \[ \boxed{ \begin{cases} x=k\pi, & n\text{ even},\\[2mm] x=2k\pi\quad\text{or}\quad x=2k\pi-\dfrac{\pi}{2}, & n\text{ odd}, \end{cases} \qquad k\in\mathbb Z. } \] If \(0\) is included among the natural numbers, \(n=0\) has no solutions wherever the expression is defined.
Solution
Suppose first that \(n\) is positive and even. Since \[ \cos^n x\le 1,\qquad \sin^n x\ge 0, \] the equation holds if and only if \(\cos^n x=1\) and \(\sin^n x=0\). These conditions are equivalent to \(x=k\pi\), and every such value satisfies the equation.
Now suppose that \(n\) is odd. The equation gives \[ \cos^n x=1+\sin^n x\ge 0, \qquad \sin^n x=\cos^n x-1\le 0. \] Because \(n\) is odd, we obtain \(\cos x\ge0\) and \(\sin x\le0\). Set \[ u=\cos x,\qquad v=-\sin x. \] Then \(u,v\ge0\), and \[ u^2+v^2=1,\qquad u^n+v^n=1. \]
If \(n=1\), then \(u+v=1\), so \[ 1=(u+v)^2=u^2+v^2+2uv=1+2uv. \] Thus \(uv=0\).
If \(n\ge3\) and both \(u,v\) were positive, the identity \(u^2+v^2=1\) would imply \(0<u,v<1\). Hence \[ u^n+v^n<u^2+v^2=1, \] a contradiction. Thus again \(uv=0\).
Consequently, in every odd case, \[ (u,v)=(1,0)\quad\text{or}\quad(u,v)=(0,1). \] These correspond respectively to \[ x=2k\pi\quad\text{or}\quad x=2k\pi-\frac{\pi}{2}, \qquad k\in\mathbb Z. \] Direct substitution verifies both families for every positive odd \(n\).
Finally, if \(n=0\) is admitted, the left-hand side equals \(1-1=0\) wherever both powers are defined, so there are no solutions.
The solution was checked against John Scholes' IMO solution archive (Kalva).
IMO 1961 · Aufgabe 3
Löse die Gleichung \(\cos^n x-\sin^n x=1\), wobei \(n\) eine natürliche Zahl ist.
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Antwort
Für positive ganze Zahlen \(n\) sind sämtliche reellen Lösungen \[ \boxed{ \begin{cases} x=k\pi, & n\text{ gerade},\\[2mm] x=2k\pi\quad\text{oder}\quad x=2k\pi-\dfrac{\pi}{2}, & n\text{ ungerade}, \end{cases} \qquad k\in\mathbb Z. } \] Zählt man \(0\) zu den natürlichen Zahlen, so gibt es für \(n=0\) keine Lösungen an den Stellen, an denen der Ausdruck definiert ist.
Lösung
Sei zunächst \(n\) positiv und gerade. Wegen \[ \cos^n x\le 1,\qquad \sin^n x\ge 0, \] gilt die Gleichung genau dann, wenn \(\cos^n x=1\) und \(\sin^n x=0\). Diese Bedingungen sind äquivalent zu \(x=k\pi\), und jeder solche Wert erfüllt die Gleichung.
Sei nun \(n\) ungerade. Aus der Gleichung folgt \[ \cos^n x=1+\sin^n x\ge 0, \qquad \sin^n x=\cos^n x-1\le 0. \] Da \(n\) ungerade ist, erhalten wir \(\cos x\ge0\) und \(\sin x\le0\). Setze \[ u=\cos x,\qquad v=-\sin x. \] Dann gilt \(u,v\ge0\) und \[ u^2+v^2=1,\qquad u^n+v^n=1. \]
Ist \(n=1\), so ist \(u+v=1\), also \[ 1=(u+v)^2=u^2+v^2+2uv=1+2uv. \] Somit ist \(uv=0\).
Wäre \(n\ge3\) und wären sowohl \(u\) als auch \(v\) positiv, so würde aus der Identität \(u^2+v^2=1\) folgen, dass \(0<u,v<1\). Daher wäre \[ u^n+v^n<u^2+v^2=1, \] ein Widerspruch. Also gilt wiederum \(uv=0\).
Folglich gilt in jedem ungeraden Fall \[ (u,v)=(1,0)\quad\text{oder}\quad(u,v)=(0,1). \] Dies entspricht \[ x=2k\pi\quad\text{oder}\quad x=2k\pi-\frac{\pi}{2}, \qquad k\in\mathbb Z. \] Durch direktes Einsetzen bestätigt man beide Lösungsfamilien für jedes positive ungerade \(n\).
Lässt man schließlich \(n=0\) zu, so ist die linke Seite überall dort gleich \(1-1=0\), wo beide Potenzen definiert sind; daher gibt es keine Lösungen.
Die Lösung wurde mit dem IMO-Lösungsarchiv von John Scholes (Kalva) abgeglichen.
IMO 1961 · Soru 3
\(n\) bir doğal sayı olmak üzere \(\cos^n x-\sin^n x=1\) denklemini çözünüz.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Cevap
Pozitif tam sayı \(n\) değerleri için tüm gerçek çözümler \[ \boxed{ \begin{cases} x=k\pi, & n\text{ çift},\\[2mm] x=2k\pi\quad\text{veya}\quad x=2k\pi-\dfrac{\pi}{2}, & n\text{ tek}, \end{cases} \qquad k\in\mathbb Z. } \] şeklindedir. \(0\) doğal sayılara dahil edilirse, \(n=0\) için ifadenin tanımlı olduğu hiçbir noktada çözüm yoktur.
Çözüm
Önce \(n\)'nin pozitif ve çift olduğunu varsayalım. \[ \cos^n x\le 1,\qquad \sin^n x\ge 0, \] olduğundan denklem ancak ve ancak \(\cos^n x=1\) ve \(\sin^n x=0\) olduğunda sağlanır. Bu koşullar \(x=k\pi\) ile eş değerdir ve bu değerlerin her biri denklemi sağlar.
Şimdi \(n\)'nin tek olduğunu varsayalım. Denklemden \[ \cos^n x=1+\sin^n x\ge 0, \qquad \sin^n x=\cos^n x-1\le 0 \] elde edilir. \(n\) tek olduğundan \(\cos x\ge0\) ve \(\sin x\le0\) buluruz. \[ u=\cos x,\qquad v=-\sin x \] olarak tanımlayalım. Bu durumda \(u,v\ge0\) ve \[ u^2+v^2=1,\qquad u^n+v^n=1 \] olur.
\(n=1\) ise \(u+v=1\) olduğundan \[ 1=(u+v)^2=u^2+v^2+2uv=1+2uv \] elde edilir. Dolayısıyla \(uv=0\) olur.
\(n\ge3\) ve \(u,v\)'nin her ikisi de pozitif olsaydı, \(u^2+v^2=1\) özdeşliğinden \(0<u,v<1\) elde edilirdi. Bu durumda \[ u^n+v^n<u^2+v^2=1, \] olurdu; bu bir çelişkidir. Dolayısıyla yine \(uv=0\) olur.
Sonuç olarak, \(n\)'nin tek olduğu her durumda \[ (u,v)=(1,0)\quad\text{veya}\quad(u,v)=(0,1) \] olur. Bunlar sırasıyla \[ x=2k\pi\quad\text{veya}\quad x=2k\pi-\frac{\pi}{2}, \qquad k\in\mathbb Z \] değerlerine karşılık gelir. Doğrudan yerine koyarak her iki çözüm ailesinin de her pozitif tek \(n\) için denklemi sağladığı doğrulanır.
Son olarak, \(n=0\) kabul edilirse her iki kuvvetin de tanımlı olduğu yerlerde sol taraf \(1-1=0\) olur; dolayısıyla çözüm yoktur.
Çözüm, John Scholes'un IMO çözüm arşiviyle (Kalva) karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 1961 · Problema 3
Resolver la ecuación \(\cos^n x-\sin^n x=1\), donde \(n\) es un número natural.
Enunciado traducido del texto oficial en inglés. Enunciado oficial (PDF)
Respuesta
Para enteros positivos \(n\), todas las soluciones reales son \[ \boxed{ \begin{cases} x=k\pi, & n\text{ par},\\[2mm] x=2k\pi\quad\text{o}\quad x=2k\pi-\dfrac{\pi}{2}, & n\text{ impar}, \end{cases} \qquad k\in\mathbb Z. } \] Si se incluye el \(0\) entre los números naturales, \(n=0\) no tiene soluciones donde la expresión está definida.
Solución
Supongamos primero que \(n\) es positivo y par. Como \[ \cos^n x\le 1,\qquad \sin^n x\ge 0, \] la ecuación se cumple si y solo si \(\cos^n x=1\) y \(\sin^n x=0\). Estas condiciones equivalen a \(x=k\pi\), y cada uno de estos valores satisface la ecuación.
Supongamos ahora que \(n\) es impar. La ecuación da \[ \cos^n x=1+\sin^n x\ge 0, \qquad \sin^n x=\cos^n x-1\le 0. \] Como \(n\) es impar, obtenemos \(\cos x\ge0\) y \(\sin x\le0\). Sean \[ u=\cos x,\qquad v=-\sin x. \] Entonces \(u,v\ge0\), y \[ u^2+v^2=1,\qquad u^n+v^n=1. \]
Si \(n=1\), entonces \(u+v=1\), por lo que \[ 1=(u+v)^2=u^2+v^2+2uv=1+2uv. \] Así, \(uv=0\).
Si \(n\ge3\) y tanto \(u\) como \(v\) fueran positivos, la identidad \(u^2+v^2=1\) implicaría \(0<u,v<1\). Por tanto, \[ u^n+v^n<u^2+v^2=1, \] lo que es una contradicción. Así, de nuevo \(uv=0\).
Por consiguiente, en todos los casos impares, \[ (u,v)=(1,0)\quad\text{o}\quad(u,v)=(0,1). \] Estos corresponden, respectivamente, a \[ x=2k\pi\quad\text{o}\quad x=2k\pi-\frac{\pi}{2}, \qquad k\in\mathbb Z. \] La sustitución directa verifica ambas familias para todo \(n\) positivo impar.
Por último, si se admite \(n=0\), el miembro izquierdo es igual a \(1-1=0\) donde ambas potencias están definidas, por lo que no hay soluciones.
La solución se comprobó con el archivo de soluciones de la IMO de John Scholes (Kalva).
IMO 1961 · 问题 3
解方程 \(\cos^n x-\sin^n x=1\),其中 \(n\) 为自然数。
题目译自官方英文原文。 官方试卷 (PDF)
答案
对于正整数 \(n\),所有实数解为 \[ \boxed{ \begin{cases} x=k\pi, & n\text{ 为偶数},\\[2mm] x=2k\pi\quad\text{或}\quad x=2k\pi-\dfrac{\pi}{2}, & n\text{ 为奇数}, \end{cases} \qquad k\in\mathbb Z. } \] 若自然数包含 \(0\),则当 \(n=0\) 时,在表达式有定义的范围内无解。
解答
先设 \(n\) 为正偶数。由于 \[ \cos^n x\le 1,\qquad \sin^n x\ge 0, \] 原方程成立当且仅当 \(\cos^n x=1\) 且 \(\sin^n x=0\)。这些条件等价于 \(x=k\pi\),且每个这样的值都满足原方程。
现在设 \(n\) 为奇数。由原方程得 \[ \cos^n x=1+\sin^n x\ge 0, \qquad \sin^n x=\cos^n x-1\le 0. \] 由于 \(n\) 为奇数,得 \(\cos x\ge0\) 且 \(\sin x\le0\)。令 \[ u=\cos x,\qquad v=-\sin x. \] 则 \(u,v\ge0\),且 \[ u^2+v^2=1,\qquad u^n+v^n=1. \]
若 \(n=1\),则 \(u+v=1\),所以 \[ 1=(u+v)^2=u^2+v^2+2uv=1+2uv. \] 因此 \(uv=0\)。
若 \(n\ge3\) 且 \(u,v\) 均为正数,则由恒等式 \(u^2+v^2=1\) 得 \(0<u,v<1\)。于是 \[ u^n+v^n<u^2+v^2=1, \] 矛盾。因此仍有 \(uv=0\)。
所以,对于每一种奇数情形,均有 \[ (u,v)=(1,0)\quad\text{或}\quad(u,v)=(0,1). \] 它们分别对应于 \[ x=2k\pi\quad\text{或}\quad x=2k\pi-\frac{\pi}{2}, \qquad k\in\mathbb Z. \] 直接代入可验证,对于每个正奇数 \(n\),这两族值均满足原方程。
最后,若允许 \(n=0\),则在两个幂都有定义的范围内,左端等于 \(1-1=0\),所以无解。
解答已与 John Scholes 的 IMO 解答档案(Kalva)核对。
IMO 1961 · Задача 3
Решите уравнение \(\cos^n x-\sin^n x=1\), где \(n\) — натуральное число.
Условие переведено с официального английского текста. Официальный текст задач (PDF)
Ответ
Для положительных целых \(n\) все действительные решения имеют вид \[ \boxed{ \begin{cases} x=k\pi, & n\text{ чётно},\\[2mm] x=2k\pi\quad\text{или}\quad x=2k\pi-\dfrac{\pi}{2}, & n\text{ нечётно}, \end{cases} \qquad k\in\mathbb Z. } \] Если \(0\) включается в число натуральных чисел, то при \(n=0\) решений нет всюду, где выражение определено.
Решение
Пусть сначала \(n\) положительно и чётно. Поскольку \[ \cos^n x\le 1,\qquad \sin^n x\ge 0, \] уравнение выполняется тогда и только тогда, когда \(\cos^n x=1\) и \(\sin^n x=0\). Эти условия равносильны \(x=k\pi\), и каждое такое значение удовлетворяет уравнению.
Пусть теперь \(n\) нечётно. Из уравнения следует \[ \cos^n x=1+\sin^n x\ge 0, \qquad \sin^n x=\cos^n x-1\le 0. \] Так как \(n\) нечётно, получаем \(\cos x\ge0\) и \(\sin x\le0\). Положим \[ u=\cos x,\qquad v=-\sin x. \] Тогда \(u,v\ge0\) и \[ u^2+v^2=1,\qquad u^n+v^n=1. \]
Если \(n=1\), то \(u+v=1\), поэтому \[ 1=(u+v)^2=u^2+v^2+2uv=1+2uv. \] Следовательно, \(uv=0\).
Если \(n\ge3\) и оба числа \(u,v\) положительны, то из тождества \(u^2+v^2=1\) следовало бы \(0<u,v<1\). Поэтому \[ u^n+v^n<u^2+v^2=1, \] что приводит к противоречию. Значит, и в этом случае \(uv=0\).
Следовательно, во всех случаях нечётного \(n\) \[ (u,v)=(1,0)\quad\text{или}\quad(u,v)=(0,1). \] Этим парам соответствуют соответственно \[ x=2k\pi\quad\text{или}\quad x=2k\pi-\frac{\pi}{2}, \qquad k\in\mathbb Z. \] Непосредственная подстановка подтверждает, что обе серии значений являются решениями при любом положительном нечётном \(n\).
Наконец, если допускается \(n=0\), то левая часть равна \(1-1=0\) всюду, где обе степени определены, поэтому решений нет.
Решение проверено по архиву решений IMO Джона Скоулза (Kalva).
IMO 1961 · المسألة 3
حل المعادلة \(\cos^n x-\sin^n x=1\)، حيث \(n\) عدد طبيعي.
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الإجابة
للأعداد الصحيحة الموجبة \(n\)، جميع الحلول الحقيقية هي \[ \boxed{ \begin{cases} x=k\pi, & n\text{ زوجي},\\[2mm] x=2k\pi\quad\text{أو}\quad x=2k\pi-\dfrac{\pi}{2}, & n\text{ فردي}, \end{cases} \qquad k\in\mathbb Z. } \] إذا عُدَّ \(0\) من الأعداد الطبيعية، فلا توجد حلول عند \(n=0\) حيثما تكون العبارة معرَّفة.
الحل
لنفترض أولًا أن \(n\) موجب وزوجي. بما أن \[ \cos^n x\le 1,\qquad \sin^n x\ge 0, \] فإن المعادلة تتحقق إذا وفقط إذا كان \(\cos^n x=1\) و\(\sin^n x=0\). وهذان الشرطان يكافئان \(x=k\pi\)، وكل قيمة من هذه القيم تحقق المعادلة.
لنفترض الآن أن \(n\) فردي. تعطينا المعادلة \[ \cos^n x=1+\sin^n x\ge 0, \qquad \sin^n x=\cos^n x-1\le 0. \] ولأن \(n\) فردي، نحصل على \(\cos x\ge0\) و\(\sin x\le0\). ضع \[ u=\cos x,\qquad v=-\sin x. \] عندئذ \(u,v\ge0\)، و \[ u^2+v^2=1,\qquad u^n+v^n=1. \]
إذا كان \(n=1\)، فإن \(u+v=1\)، ومن ثم \[ 1=(u+v)^2=u^2+v^2+2uv=1+2uv. \] إذن \(uv=0\).
إذا كان \(n\ge3\) وكان كل من \(u,v\) موجبًا، لاستلزمت المتطابقة \(u^2+v^2=1\) أن يكون \(0<u,v<1\). وعليه \[ u^n+v^n<u^2+v^2=1, \] وهذا تناقض. إذن \(uv=0\) في هذه الحالة أيضًا.
وبالتالي، في كل حالة يكون فيها الأس فرديًا، \[ (u,v)=(1,0)\quad\text{أو}\quad(u,v)=(0,1). \] وتقابل هاتان الحالتان، على الترتيب، \[ x=2k\pi\quad\text{أو}\quad x=2k\pi-\frac{\pi}{2}, \qquad k\in\mathbb Z. \] ويؤكد التعويض المباشر أن كلتا العائلتين تحققان المعادلة لكل \(n\) موجب وفردي.
وأخيرًا، إذا سُمح بأن يكون \(n=0\)، فإن الطرف الأيسر يساوي \(1-1=0\) حيثما تكون القوتان معرَّفتين، ولذلك لا توجد حلول.
تمت مراجعة الحل بمقارنته بأرشيف حلول IMO لجون سكولز (Kalva).