IMO 1963 · Problem 4
Find all solutions \(x_1,x_2,x_3,x_4,x_5\) of the system \[ \begin{aligned} x_5+x_2&=yx_1\\ x_1+x_3&=yx_2\\ x_2+x_4&=yx_3\\ x_3+x_5&=yx_4\\ x_4+x_1&=yx_5, \end{aligned} \] where \(y\) is a parameter.
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Answer
All solutions are \[ (x_1,x_2,x_3,x_4,x_5)= \begin{cases} (t,t,t,t,t),&y=2,\\[2mm] \bigl(a,b,yb-a,-y(a+b),ya-b\bigr), &y=\dfrac{-1+\sqrt5}{2}\ \text{or}\ \dfrac{-1-\sqrt5}{2},\\[2mm] (0,0,0,0,0),&\text{otherwise}, \end{cases} \] where \(a,b,t\) are arbitrary real numbers.
Solution
Read indices cyclically, so that \(x_{i+5}=x_i\). The equations become \[ x_{i-1}+x_{i+1}=yx_i. \] Let \(S=x_1+x_2+x_3+x_4+x_5\). Adding all five equations gives \[ (y-2)S=0. \] Also, for every \(i\), \[ y^2x_i =y(x_{i-1}+x_{i+1}) =x_{i-2}+2x_i+x_{i+2}. \] The five cyclic indices \(i-2,i-1,i,i+1,i+2\) represent all five variables. Therefore \[ \begin{aligned} S &=x_i+(x_{i-1}+x_{i+1})+(x_{i-2}+x_{i+2})\\ &=x_i+yx_i+(y^2-2)x_i\\ &=(y^2+y-1)x_i. \end{aligned} \]
If \(y=2\), this identity gives \(S=5x_i\) for every \(i\), so all five variables are equal. Conversely, every tuple \((t,t,t,t,t)\) satisfies the system when \(y=2\).
Suppose now that \(y\ne2\). Then \(S=0\), hence \[ (y^2+y-1)x_i=0 \] for every \(i\). Unless \(y^2+y-1=0\), all five variables must vanish, and this tuple indeed satisfies the system.
It remains to consider \[ y^2+y=1, \qquad\text{that is,}\qquad y=\frac{-1\pm\sqrt5}{2}. \] Set \(x_1=a\) and \(x_2=b\). The second, third, and fourth equations successively force \[ \begin{aligned} x_3&=yb-a,\\ x_4&=yx_3-b =(y^2-1)b-ya =-y(a+b),\\ x_5&=yx_4-x_3 =(1-y^2)a-(y^2+y)b =ya-b. \end{aligned} \] Thus every solution has the stated form.
Conversely, for arbitrary \(a,b\), these definitions satisfy the second, third, and fourth equations by construction. The remaining two equations hold because \[ x_5+x_2=(ya-b)+b=ya=yx_1 \] and \[ x_4+x_1 =(1-y)a-yb =y^2a-yb =y(ya-b) =yx_5. \] This proves both the completeness and the validity of all the listed solutions.
The solution was checked against John Scholes' IMO solution archive (Kalva).
IMO 1963 · Aufgabe 4
Bestimme alle Lösungen \(x_1,x_2,x_3,x_4,x_5\) des Gleichungssystems \[ \begin{aligned} x_5+x_2&=yx_1\\ x_1+x_3&=yx_2\\ x_2+x_4&=yx_3\\ x_3+x_5&=yx_4\\ x_4+x_1&=yx_5, \end{aligned} \] wobei \(y\) ein Parameter ist.
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Antwort
Alle Lösungen sind \[ (x_1,x_2,x_3,x_4,x_5)= \begin{cases} (t,t,t,t,t),&y=2,\\[2mm] \bigl(a,b,yb-a,-y(a+b),ya-b\bigr), &y=\dfrac{-1+\sqrt5}{2}\ \text{oder}\ \dfrac{-1-\sqrt5}{2},\\[2mm] (0,0,0,0,0),&\text{sonst}, \end{cases} \] wobei \(a,b,t\) beliebige reelle Zahlen sind.
Lösung
Die Indizes werden zyklisch gelesen, sodass \(x_{i+5}=x_i\) gilt. Die Gleichungen lauten dann \[ x_{i-1}+x_{i+1}=yx_i. \] Sei \(S=x_1+x_2+x_3+x_4+x_5\). Die Addition aller fünf Gleichungen ergibt \[ (y-2)S=0. \] Außerdem gilt für jedes \(i\) \[ y^2x_i =y(x_{i-1}+x_{i+1}) =x_{i-2}+2x_i+x_{i+2}. \] Die fünf zyklischen Indizes \(i-2,i-1,i,i+1,i+2\) erfassen alle fünf Variablen. Daher gilt \[ \begin{aligned} S &=x_i+(x_{i-1}+x_{i+1})+(x_{i-2}+x_{i+2})\\ &=x_i+yx_i+(y^2-2)x_i\\ &=(y^2+y-1)x_i. \end{aligned} \]
Für \(y=2\) ergibt diese Identität \(S=5x_i\) für jedes \(i\), also sind alle fünf Variablen gleich. Umgekehrt erfüllt jedes Tupel \((t,t,t,t,t)\) das Gleichungssystem für \(y=2\).
Sei nun \(y\ne2\). Dann ist \(S=0\), also gilt \[ (y^2+y-1)x_i=0 \] für jedes \(i\). Falls \(y^2+y-1=0\) nicht gilt, müssen alle fünf Variablen verschwinden, und dieses Tupel erfüllt tatsächlich das Gleichungssystem.
Es bleibt folgender Fall zu betrachten: \[ y^2+y=1, \qquad\text{das heißt,}\qquad y=\frac{-1\pm\sqrt5}{2}. \] Setze \(x_1=a\) und \(x_2=b\). Aus der zweiten, dritten und vierten Gleichung folgt der Reihe nach zwingend \[ \begin{aligned} x_3&=yb-a,\\ x_4&=yx_3-b =(y^2-1)b-ya =-y(a+b),\\ x_5&=yx_4-x_3 =(1-y^2)a-(y^2+y)b =ya-b. \end{aligned} \] Somit hat jede Lösung die angegebene Form.
Umgekehrt erfüllen diese Definitionen für beliebige \(a,b\) nach Konstruktion die zweite, dritte und vierte Gleichung. Die übrigen beiden Gleichungen gelten, denn \[ x_5+x_2=(ya-b)+b=ya=yx_1 \] und \[ x_4+x_1 =(1-y)a-yb =y^2a-yb =y(ya-b) =yx_5. \] Damit sind sowohl die Vollständigkeit als auch die Gültigkeit aller aufgeführten Lösungen bewiesen.
Die Lösung wurde mit dem IMO-Lösungsarchiv von John Scholes (Kalva) abgeglichen.
IMO 1963 · Soru 4
\(y\) bir parametre olmak üzere, \[ \begin{aligned} x_5+x_2&=yx_1\\ x_1+x_3&=yx_2\\ x_2+x_4&=yx_3\\ x_3+x_5&=yx_4\\ x_4+x_1&=yx_5 \end{aligned} \] denklem sisteminin tüm \(x_1,x_2,x_3,x_4,x_5\) çözümlerini bulunuz.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Cevap
Tüm çözümler \[ (x_1,x_2,x_3,x_4,x_5)= \begin{cases} (t,t,t,t,t),&y=2,\\[2mm] \bigl(a,b,yb-a,-y(a+b),ya-b\bigr), &y=\dfrac{-1+\sqrt5}{2}\ \text{veya}\ \dfrac{-1-\sqrt5}{2},\\[2mm] (0,0,0,0,0),&\text{diğer durumlarda}, \end{cases} \] biçimindedir; burada \(a,b,t\) keyfî gerçek sayılardır.
Çözüm
İndisleri döngüsel olarak yorumlayalım; yani \(x_{i+5}=x_i\) olsun. Denklemler \[ x_{i-1}+x_{i+1}=yx_i \] biçimini alır. \(S=x_1+x_2+x_3+x_4+x_5\) olsun. Beş denklemin tamamını toplayarak \[ (y-2)S=0 \] elde ederiz. Ayrıca, her \(i\) için \[ y^2x_i =y(x_{i-1}+x_{i+1}) =x_{i-2}+2x_i+x_{i+2}. \] Beş döngüsel indis \(i-2,i-1,i,i+1,i+2\), beş değişkenin tamamını temsil eder. Dolayısıyla \[ \begin{aligned} S &=x_i+(x_{i-1}+x_{i+1})+(x_{i-2}+x_{i+2})\\ &=x_i+yx_i+(y^2-2)x_i\\ &=(y^2+y-1)x_i. \end{aligned} \]
\(y=2\) ise bu özdeşlik her \(i\) için \(S=5x_i\) verir; dolayısıyla beş değişkenin tamamı eşittir. Tersine, \(y=2\) olduğunda her \((t,t,t,t,t)\) beşlisi sistemi sağlar.
Şimdi \(y\ne2\) olduğunu varsayalım. Bu durumda \(S=0\) olduğundan her \(i\) için \[ (y^2+y-1)x_i=0 \] olur. \(y^2+y-1=0\) olmadıkça beş değişkenin tamamı sıfır olmalıdır ve bu beşli gerçekten de sistemi sağlar.
Geriye \[ y^2+y=1, \qquad\text{yani,}\qquad y=\frac{-1\pm\sqrt5}{2} \] durumunu incelemek kalır. \(x_1=a\) ve \(x_2=b\) alalım. İkinci, üçüncü ve dördüncü denklemler sırasıyla \[ \begin{aligned} x_3&=yb-a,\\ x_4&=yx_3-b =(y^2-1)b-ya =-y(a+b),\\ x_5&=yx_4-x_3 =(1-y^2)a-(y^2+y)b =ya-b \end{aligned} \] olmasını gerektirir. Böylece her çözüm belirtilen biçimdedir.
Tersine, keyfî \(a,b\) için bu tanımlar, kuruluşları gereği ikinci, üçüncü ve dördüncü denklemleri sağlar. Kalan iki denklem de sağlanır, çünkü \[ x_5+x_2=(ya-b)+b=ya=yx_1 \] ve \[ x_4+x_1 =(1-y)a-yb =y^2a-yb =y(ya-b) =yx_5. \] Bu, listelenen çözümlerin hem tüm çözümleri kapsadığını hem de her birinin geçerli olduğunu kanıtlar.
Çözüm, John Scholes'un IMO çözüm arşiviyle (Kalva) karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 1963 · Problema 4
Hallar todas las soluciones \(x_1,x_2,x_3,x_4,x_5\) del sistema \[ \begin{aligned} x_5+x_2&=yx_1\\ x_1+x_3&=yx_2\\ x_2+x_4&=yx_3\\ x_3+x_5&=yx_4\\ x_4+x_1&=yx_5, \end{aligned} \] donde \(y\) es un parámetro.
Enunciado traducido del texto oficial en inglés. Enunciado oficial (PDF)
Respuesta
Todas las soluciones son \[ (x_1,x_2,x_3,x_4,x_5)= \begin{cases} (t,t,t,t,t),&y=2,\\[2mm] \bigl(a,b,yb-a,-y(a+b),ya-b\bigr), &y=\dfrac{-1+\sqrt5}{2}\ \text{o}\ \dfrac{-1-\sqrt5}{2},\\[2mm] (0,0,0,0,0),&\text{en los demás casos}, \end{cases} \] donde \(a,b,t\) son números reales arbitrarios.
Solución
Interpretamos los índices cíclicamente, de modo que \(x_{i+5}=x_i\). Las ecuaciones se convierten en \[ x_{i-1}+x_{i+1}=yx_i. \] Sea \(S=x_1+x_2+x_3+x_4+x_5\). Al sumar las cinco ecuaciones se obtiene \[ (y-2)S=0. \] Además, para todo \(i\), \[ y^2x_i =y(x_{i-1}+x_{i+1}) =x_{i-2}+2x_i+x_{i+2}. \] Los cinco índices cíclicos \(i-2,i-1,i,i+1,i+2\) representan las cinco variables. Por tanto, \[ \begin{aligned} S &=x_i+(x_{i-1}+x_{i+1})+(x_{i-2}+x_{i+2})\\ &=x_i+yx_i+(y^2-2)x_i\\ &=(y^2+y-1)x_i. \end{aligned} \]
Si \(y=2\), esta identidad da \(S=5x_i\) para todo \(i\), por lo que las cinco variables son iguales. Recíprocamente, toda quíntupla \((t,t,t,t,t)\) satisface el sistema cuando \(y=2\).
Supongamos ahora que \(y\ne2\). Entonces \(S=0\), de donde \[ (y^2+y-1)x_i=0 \] para todo \(i\). A menos que \(y^2+y-1=0\), las cinco variables deben anularse, y esta quíntupla satisface efectivamente el sistema.
Queda por considerar \[ y^2+y=1, \qquad\text{es decir,}\qquad y=\frac{-1\pm\sqrt5}{2}. \] Sean \(x_1=a\) y \(x_2=b\). Las ecuaciones segunda, tercera y cuarta imponen sucesivamente \[ \begin{aligned} x_3&=yb-a,\\ x_4&=yx_3-b =(y^2-1)b-ya =-y(a+b),\\ x_5&=yx_4-x_3 =(1-y^2)a-(y^2+y)b =ya-b. \end{aligned} \] Por tanto, toda solución tiene la forma indicada.
Recíprocamente, para \(a,b\) arbitrarios, estas definiciones satisfacen las ecuaciones segunda, tercera y cuarta por construcción. Las otras dos ecuaciones se cumplen porque \[ x_5+x_2=(ya-b)+b=ya=yx_1 \] y \[ x_4+x_1 =(1-y)a-yb =y^2a-yb =y(ya-b) =yx_5. \] Esto demuestra tanto que la lista de soluciones es completa como que todas las soluciones indicadas son válidas.
La solución se comprobó con el archivo de soluciones de la IMO de John Scholes (Kalva).
IMO 1963 · 问题 4
求方程组 \[ \begin{aligned} x_5+x_2&=yx_1\\ x_1+x_3&=yx_2\\ x_2+x_4&=yx_3\\ x_3+x_5&=yx_4\\ x_4+x_1&=yx_5, \end{aligned} \] 的所有解 \(x_1,x_2,x_3,x_4,x_5\),其中 \(y\) 为参数。
题目译自官方英文原文。 官方试卷 (PDF)
答案
所有解为 \[ (x_1,x_2,x_3,x_4,x_5)= \begin{cases} (t,t,t,t,t),&y=2,\\[2mm] \bigl(a,b,yb-a,-y(a+b),ya-b\bigr), &y=\dfrac{-1+\sqrt5}{2}\ \text{或}\ \dfrac{-1-\sqrt5}{2},\\[2mm] (0,0,0,0,0),&\text{其他情形}, \end{cases} \] 其中 \(a,b,t\) 为任意实数。
解答
下标按循环方式理解,即 \(x_{i+5}=x_i\)。方程可写为 \[ x_{i-1}+x_{i+1}=yx_i. \] 令 \(S=x_1+x_2+x_3+x_4+x_5\)。将五个方程相加,得 \[ (y-2)S=0. \] 此外,对于每个 \(i\), \[ y^2x_i =y(x_{i-1}+x_{i+1}) =x_{i-2}+2x_i+x_{i+2}. \] 五个循环下标 \(i-2,i-1,i,i+1,i+2\) 对应全部五个变量。因此 \[ \begin{aligned} S &=x_i+(x_{i-1}+x_{i+1})+(x_{i-2}+x_{i+2})\\ &=x_i+yx_i+(y^2-2)x_i\\ &=(y^2+y-1)x_i. \end{aligned} \]
若 \(y=2\),则由此恒等式得,对每个 \(i\) 都有 \(S=5x_i\),所以五个变量都相等。反过来,当 \(y=2\) 时,每个五元组 \((t,t,t,t,t)\) 都满足原方程组。
现在设 \(y\ne2\)。则 \(S=0\),从而对每个 \(i\),都有 \[ (y^2+y-1)x_i=0 \] 成立。除非 \(y^2+y-1=0\),否则五个变量都必须为零,而这个五元组确实满足原方程组。
只需再考虑 \[ y^2+y=1, \qquad\text{即}\qquad y=\frac{-1\pm\sqrt5}{2}. \] 令 \(x_1=a\),\(x_2=b\)。由第二、第三和第四个方程依次得到 \[ \begin{aligned} x_3&=yb-a,\\ x_4&=yx_3-b =(y^2-1)b-ya =-y(a+b),\\ x_5&=yx_4-x_3 =(1-y^2)a-(y^2+y)b =ya-b. \end{aligned} \] 因此,每个解都具有所述形式。
反过来,对于任意 \(a,b\),由构造可知,这些定义满足第二、第三和第四个方程。其余两个方程也成立,因为 \[ x_5+x_2=(ya-b)+b=ya=yx_1 \] 且 \[ x_4+x_1 =(1-y)a-yb =y^2a-yb =y(ya-b) =yx_5. \] 这就证明了所列出的解既无遗漏,也都成立。
解答已与 John Scholes 的 IMO 解答档案(Kalva)核对。
IMO 1963 · Задача 4
Найдите все решения \(x_1,x_2,x_3,x_4,x_5\) системы \[ \begin{aligned} x_5+x_2&=yx_1\\ x_1+x_3&=yx_2\\ x_2+x_4&=yx_3\\ x_3+x_5&=yx_4\\ x_4+x_1&=yx_5, \end{aligned} \] где \(y\) — параметр.
Условие переведено с официального английского текста. Официальный текст задач (PDF)
Ответ
Все решения имеют вид \[ (x_1,x_2,x_3,x_4,x_5)= \begin{cases} (t,t,t,t,t),&y=2,\\[2mm] \bigl(a,b,yb-a,-y(a+b),ya-b\bigr), &y=\dfrac{-1+\sqrt5}{2}\ \text{или}\ \dfrac{-1-\sqrt5}{2},\\[2mm] (0,0,0,0,0),&\text{в остальных случаях}, \end{cases} \] где \(a,b,t\) — произвольные действительные числа.
Решение
Будем понимать индексы циклически, так что \(x_{i+5}=x_i\). Уравнения принимают вид \[ x_{i-1}+x_{i+1}=yx_i. \] Пусть \(S=x_1+x_2+x_3+x_4+x_5\). Складывая все пять уравнений, получаем \[ (y-2)S=0. \] Кроме того, для каждого \(i\) \[ y^2x_i =y(x_{i-1}+x_{i+1}) =x_{i-2}+2x_i+x_{i+2}. \] Пять циклических индексов \(i-2,i-1,i,i+1,i+2\) соответствуют всем пяти переменным. Поэтому \[ \begin{aligned} S &=x_i+(x_{i-1}+x_{i+1})+(x_{i-2}+x_{i+2})\\ &=x_i+yx_i+(y^2-2)x_i\\ &=(y^2+y-1)x_i. \end{aligned} \]
Если \(y=2\), это тождество даёт \(S=5x_i\) для каждого \(i\), так что все пять переменных равны. Обратно, любой набор \((t,t,t,t,t)\) удовлетворяет системе при \(y=2\).
Пусть теперь \(y\ne2\). Тогда \(S=0\), следовательно, \[ (y^2+y-1)x_i=0 \] для каждого \(i\). Если \(y^2+y-1=0\) не выполнено, то все пять переменных должны равняться нулю, и этот набор действительно удовлетворяет системе.
Остаётся рассмотреть случай \[ y^2+y=1, \qquad\text{то есть}\qquad y=\frac{-1\pm\sqrt5}{2}. \] Положим \(x_1=a\) и \(x_2=b\). Из второго, третьего и четвёртого уравнений последовательно получаем \[ \begin{aligned} x_3&=yb-a,\\ x_4&=yx_3-b =(y^2-1)b-ya =-y(a+b),\\ x_5&=yx_4-x_3 =(1-y^2)a-(y^2+y)b =ya-b. \end{aligned} \] Таким образом, каждое решение имеет указанный вид.
Обратно, при произвольных \(a,b\) определённые таким образом значения удовлетворяют второму, третьему и четвёртому уравнениям по построению. Оставшиеся два уравнения выполнены, поскольку \[ x_5+x_2=(ya-b)+b=ya=yx_1 \] и \[ x_4+x_1 =(1-y)a-yb =y^2a-yb =y(ya-b) =yx_5. \] Тем самым доказано, что все перечисленные наборы являются решениями и других решений нет.
Решение проверено по архиву решений IMO Джона Скоулза (Kalva).
IMO 1963 · المسألة 4
أوجد جميع الحلول \(x_1,x_2,x_3,x_4,x_5\) لنظام المعادلات \[ \begin{aligned} x_5+x_2&=yx_1\\ x_1+x_3&=yx_2\\ x_2+x_4&=yx_3\\ x_3+x_5&=yx_4\\ x_4+x_1&=yx_5, \end{aligned} \] حيث \(y\) وسيط.
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الإجابة
جميع الحلول هي \[ (x_1,x_2,x_3,x_4,x_5)= \begin{cases} (t,t,t,t,t),&y=2,\\[2mm] \bigl(a,b,yb-a,-y(a+b),ya-b\bigr), &y=\dfrac{-1+\sqrt5}{2}\ \text{أو}\ \dfrac{-1-\sqrt5}{2},\\[2mm] (0,0,0,0,0),&\text{في غير ذلك}, \end{cases} \] حيث \(a,b,t\) أعداد حقيقية اختيارية.
الحل
نقرأ المؤشرات دوريًا، بحيث \(x_{i+5}=x_i\). تصبح المعادلات \[ x_{i-1}+x_{i+1}=yx_i. \] لتكن \(S=x_1+x_2+x_3+x_4+x_5\). بجمع المعادلات الخمس كلها نحصل على \[ (y-2)S=0. \] كذلك، لكل \(i\)، \[ y^2x_i =y(x_{i-1}+x_{i+1}) =x_{i-2}+2x_i+x_{i+2}. \] تمثّل المؤشرات الدورية الخمسة \(i-2,i-1,i,i+1,i+2\) المتغيرات الخمسة كلها. ولذلك \[ \begin{aligned} S &=x_i+(x_{i-1}+x_{i+1})+(x_{i-2}+x_{i+2})\\ &=x_i+yx_i+(y^2-2)x_i\\ &=(y^2+y-1)x_i. \end{aligned} \]
إذا كان \(y=2\)، فإن هذه المتطابقة تعطي \(S=5x_i\) لكل \(i\)، ومن ثم تتساوى المتغيرات الخمسة كلها. وعكسًا، تحقق كل خماسية \((t,t,t,t,t)\) النظام عندما \(y=2\).
افترض الآن أن \(y\ne2\). عندئذ \(S=0\)، ومن ثم \[ (y^2+y-1)x_i=0 \] لكل \(i\). ما لم يكن \(y^2+y-1=0\)، يجب أن تكون المتغيرات الخمسة كلها صفرًا، وهذه الخماسية تحقق النظام بالفعل.
يبقى أن ننظر في الحالة \[ y^2+y=1, \qquad\text{أي،}\qquad y=\frac{-1\pm\sqrt5}{2}. \] ضع \(x_1=a\) و\(x_2=b\). تقتضي المعادلات الثانية والثالثة والرابعة تباعًا أن \[ \begin{aligned} x_3&=yb-a,\\ x_4&=yx_3-b =(y^2-1)b-ya =-y(a+b),\\ x_5&=yx_4-x_3 =(1-y^2)a-(y^2+y)b =ya-b. \end{aligned} \] إذن كل حل له الصورة المذكورة.
وعكسًا، لأي قيمتين اختياريتين \(a,b\)، تحقق هذه التعريفات المعادلات الثانية والثالثة والرابعة بحكم إنشائها. وتتحقق المعادلتان المتبقيتان لأن \[ x_5+x_2=(ya-b)+b=ya=yx_1 \] و \[ x_4+x_1 =(1-y)a-yb =y^2a-yb =y(ya-b) =yx_5. \] وهذا يثبت أن القائمة تشمل جميع الحلول، وأن جميع الحلول المذكورة صحيحة.
تمت مراجعة الحل بمقارنته بأرشيف حلول IMO لجون سكولز (Kalva).