IMO 1965 · Problem 1
Determine all values \(x\) in the interval \(0 \leq x \leq 2\pi\) which satisfy the inequality \[ 2\cos x \leq \left|\sqrt{1+\sin 2x}-\sqrt{1-\sin 2x}\right| \leq \sqrt{2}. \]
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Answer
\[ \boxed{x\in\left[\frac{\pi}{4},\frac{7\pi}{4}\right].} \]
Solution
Let \[ D=\left|\sqrt{1+\sin 2x}-\sqrt{1-\sin 2x}\right|. \] Both square roots are defined for every real \(x\). Squaring gives \[ D^2 =2-2\sqrt{(1+\sin 2x)(1-\sin 2x)} =2-2\sqrt{\cos^2 2x} =2-2|\cos 2x|. \] In particular, \(0\leq D\leq\sqrt2\), so the upper inequality always holds.
If the given inequalities hold, then \[ 2\cos x\leq D\leq\sqrt2, \] and hence \(\cos x\leq 1/\sqrt2\). On \(0\leq x\leq2\pi\), this is equivalent to \[ \frac{\pi}{4}\leq x\leq\frac{7\pi}{4}. \]
Conversely, suppose \(x\) lies in this interval. If \(\cos x\leq0\), then \[ 2\cos x\leq0\leq D, \] so the lower inequality holds.
If \(\cos x>0\), then \(0<\cos x\leq1/\sqrt2\), and therefore \[ \cos 2x=2\cos^2x-1\leq0. \] Consequently, \[ D^2=2+2\cos 2x=4\cos^2x. \] Since \(D\geq0\) and \(\cos x>0\), this yields \(D=2\cos x\), so the lower inequality again holds.
Thus every point of the stated closed interval, including both endpoints, satisfies both inequalities.
The solution was checked against John Scholes' IMO solution archive (Kalva).
IMO 1965 · Aufgabe 1
Bestimme alle Werte \(x\) im Intervall \(0 \leq x \leq 2\pi\), welche die Ungleichung \[ 2\cos x \leq \left|\sqrt{1+\sin 2x}-\sqrt{1-\sin 2x}\right| \leq \sqrt{2} \] erfüllen.
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Antwort
\[ \boxed{x\in\left[\frac{\pi}{4},\frac{7\pi}{4}\right].} \]
Lösung
Sei \[ D=\left|\sqrt{1+\sin 2x}-\sqrt{1-\sin 2x}\right|. \] Beide Quadratwurzeln sind für jedes reelle \(x\) definiert. Quadrieren ergibt \[ D^2 =2-2\sqrt{(1+\sin 2x)(1-\sin 2x)} =2-2\sqrt{\cos^2 2x} =2-2|\cos 2x|. \] Insbesondere gilt \(0\leq D\leq\sqrt2\), sodass die obere Ungleichung stets erfüllt ist.
Sind die gegebenen Ungleichungen erfüllt, so gilt \[ 2\cos x\leq D\leq\sqrt2, \] und damit \(\cos x\leq 1/\sqrt2\). Für \(0\leq x\leq2\pi\) ist dies äquivalent zu \[ \frac{\pi}{4}\leq x\leq\frac{7\pi}{4}. \]
Nehmen wir umgekehrt an, dass \(x\) in diesem Intervall liegt. Falls \(\cos x\leq0\), gilt \[ 2\cos x\leq0\leq D, \] sodass die untere Ungleichung erfüllt ist.
Falls \(\cos x>0\), gilt \(0<\cos x\leq1/\sqrt2\), und daher \[ \cos 2x=2\cos^2x-1\leq0. \] Folglich ist \[ D^2=2+2\cos 2x=4\cos^2x. \] Wegen \(D\geq0\) und \(\cos x>0\) ergibt sich daraus \(D=2\cos x\), sodass die untere Ungleichung auch in diesem Fall erfüllt ist.
Somit erfüllt jeder Punkt des angegebenen abgeschlossenen Intervalls, einschließlich beider Endpunkte, beide Ungleichungen.
Die Lösung wurde mit dem IMO-Lösungsarchiv von John Scholes (Kalva) abgeglichen.
IMO 1965 · Soru 1
\(0 \leq x \leq 2\pi\) aralığında \[ 2\cos x \leq \left|\sqrt{1+\sin 2x}-\sqrt{1-\sin 2x}\right| \leq \sqrt{2} \] eşitsizliğini sağlayan tüm \(x\) değerlerini bulunuz.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Cevap
\[ \boxed{x\in\left[\frac{\pi}{4},\frac{7\pi}{4}\right].} \]
Çözüm
\[ D=\left|\sqrt{1+\sin 2x}-\sqrt{1-\sin 2x}\right| \] olsun. Her iki karekök de her gerçek \(x\) için tanımlıdır. Kare alırsak \[ D^2 =2-2\sqrt{(1+\sin 2x)(1-\sin 2x)} =2-2\sqrt{\cos^2 2x} =2-2|\cos 2x| \] elde ederiz. Özellikle, \(0\leq D\leq\sqrt2\) olduğundan üst sınırı veren eşitsizlik her zaman sağlanır.
Verilen eşitsizlikler sağlanıyorsa \[ 2\cos x\leq D\leq\sqrt2, \] ve dolayısıyla \(\cos x\leq 1/\sqrt2\) olur. \(0\leq x\leq2\pi\) aralığında bu koşul \[ \frac{\pi}{4}\leq x\leq\frac{7\pi}{4} \] ile eşdeğerdir.
Tersine, \(x\)'in bu aralıkta olduğunu varsayalım. Eğer \(\cos x\leq0\) ise \[ 2\cos x\leq0\leq D, \] olduğundan alt sınırı veren eşitsizlik sağlanır.
Eğer \(\cos x>0\) ise \(0<\cos x\leq1/\sqrt2\) olur ve dolayısıyla \[ \cos 2x=2\cos^2x-1\leq0. \] Bunun sonucunda \[ D^2=2+2\cos 2x=4\cos^2x. \] \(D\geq0\) ve \(\cos x>0\) olduğundan buradan \(D=2\cos x\) elde edilir; böylece alt sınırı veren eşitsizlik yine sağlanır.
Dolayısıyla belirtilen kapalı aralığın, her iki uç noktası da dahil olmak üzere, her noktası iki eşitsizliği de sağlar.
Çözüm, John Scholes'un IMO çözüm arşiviyle (Kalva) karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 1965 · Problema 1
Determinar todos los valores de \(x\) en el intervalo \(0 \leq x \leq 2\pi\) que satisfacen la desigualdad \[ 2\cos x \leq \left|\sqrt{1+\sin 2x}-\sqrt{1-\sin 2x}\right| \leq \sqrt{2}. \]
Enunciado traducido del texto oficial en inglés. Enunciado oficial (PDF)
Respuesta
\[ \boxed{x\in\left[\frac{\pi}{4},\frac{7\pi}{4}\right].} \]
Solución
Sea \[ D=\left|\sqrt{1+\sin 2x}-\sqrt{1-\sin 2x}\right|. \] Ambas raíces cuadradas están definidas para todo \(x\) real. Al elevar al cuadrado, se obtiene \[ D^2 =2-2\sqrt{(1+\sin 2x)(1-\sin 2x)} =2-2\sqrt{\cos^2 2x} =2-2|\cos 2x|. \] En particular, \(0\leq D\leq\sqrt2\), por lo que la desigualdad de la derecha siempre se cumple.
Si se cumplen las desigualdades dadas, entonces \[ 2\cos x\leq D\leq\sqrt2, \] y, por tanto, \(\cos x\leq 1/\sqrt2\). En \(0\leq x\leq2\pi\), esto equivale a \[ \frac{\pi}{4}\leq x\leq\frac{7\pi}{4}. \]
Recíprocamente, supongamos que \(x\) pertenece a este intervalo. Si \(\cos x\leq0\), entonces \[ 2\cos x\leq0\leq D, \] por lo que se cumple la desigualdad de la izquierda.
Si \(\cos x>0\), entonces \(0<\cos x\leq1/\sqrt2\) y, por tanto, \[ \cos 2x=2\cos^2x-1\leq0. \] En consecuencia, \[ D^2=2+2\cos 2x=4\cos^2x. \] Como \(D\geq0\) y \(\cos x>0\), se deduce que \(D=2\cos x\), de modo que la desigualdad de la izquierda también se cumple en este caso.
Así pues, todos los puntos del intervalo cerrado indicado, incluidos ambos extremos, satisfacen las dos desigualdades.
La solución se comprobó con el archivo de soluciones de la IMO de John Scholes (Kalva).
IMO 1965 · 问题 1
求区间 \(0 \leq x \leq 2\pi\) 内满足下列不等式的所有 \(x\) 的值: \[ 2\cos x \leq \left|\sqrt{1+\sin 2x}-\sqrt{1-\sin 2x}\right| \leq \sqrt{2}. \]
题目译自官方英文原文。 官方试卷 (PDF)
答案
\[ \boxed{x\in\left[\frac{\pi}{4},\frac{7\pi}{4}\right].} \]
解答
设 \[ D=\left|\sqrt{1+\sin 2x}-\sqrt{1-\sin 2x}\right|. \] 对任意实数 \(x\),两个平方根都有定义。平方得 \[ D^2 =2-2\sqrt{(1+\sin 2x)(1-\sin 2x)} =2-2\sqrt{\cos^2 2x} =2-2|\cos 2x|. \] 特别地,\(0\leq D\leq\sqrt2\),所以右侧不等式恒成立。
若题设不等式成立,则 \[ 2\cos x\leq D\leq\sqrt2, \] 从而 \(\cos x\leq 1/\sqrt2\)。在 \(0\leq x\leq2\pi\) 内,这等价于 \[ \frac{\pi}{4}\leq x\leq\frac{7\pi}{4}. \]
反过来,设 \(x\) 属于此区间。若 \(\cos x\leq0\),则 \[ 2\cos x\leq0\leq D, \] 所以左侧不等式成立。
若 \(\cos x>0\),则 \(0<\cos x\leq1/\sqrt2\),因此 \[ \cos 2x=2\cos^2x-1\leq0. \] 于是 \[ D^2=2+2\cos 2x=4\cos^2x. \] 由于 \(D\geq0\) 且 \(\cos x>0\),可得 \(D=2\cos x\),所以左侧不等式仍成立。
因此,上述闭区间中的每一点,包括两个端点,都满足这两个不等式。
解答已与 John Scholes 的 IMO 解答档案(Kalva)核对。
IMO 1965 · Задача 1
Найдите все значения \(x\) из промежутка \(0 \leq x \leq 2\pi\), удовлетворяющие неравенству \[ 2\cos x \leq \left|\sqrt{1+\sin 2x}-\sqrt{1-\sin 2x}\right| \leq \sqrt{2}. \]
Условие переведено с официального английского текста. Официальный текст задач (PDF)
Ответ
\[ \boxed{x\in\left[\frac{\pi}{4},\frac{7\pi}{4}\right].} \]
Решение
Пусть \[ D=\left|\sqrt{1+\sin 2x}-\sqrt{1-\sin 2x}\right|. \] Оба квадратных корня определены при любом действительном \(x\). Возводя в квадрат, получаем \[ D^2 =2-2\sqrt{(1+\sin 2x)(1-\sin 2x)} =2-2\sqrt{\cos^2 2x} =2-2|\cos 2x|. \] В частности, \(0\leq D\leq\sqrt2\), поэтому правое неравенство выполняется всегда.
Если данные неравенства выполняются, то \[ 2\cos x\leq D\leq\sqrt2, \] откуда \(\cos x\leq 1/\sqrt2\). При \(0\leq x\leq2\pi\) это равносильно условию \[ \frac{\pi}{4}\leq x\leq\frac{7\pi}{4}. \]
Обратно, предположим, что \(x\) принадлежит этому промежутку. Если \(\cos x\leq0\), то \[ 2\cos x\leq0\leq D, \] так что левое неравенство выполняется.
Если \(\cos x>0\), то \(0<\cos x\leq1/\sqrt2\), и потому \[ \cos 2x=2\cos^2x-1\leq0. \] Следовательно, \[ D^2=2+2\cos 2x=4\cos^2x. \] Поскольку \(D\geq0\) и \(\cos x>0\), отсюда получаем \(D=2\cos x\), так что левое неравенство снова выполняется.
Таким образом, каждая точка указанного замкнутого промежутка, включая оба его конца, удовлетворяет обоим неравенствам.
Решение проверено по архиву решений IMO Джона Скоулза (Kalva).
IMO 1965 · المسألة 1
أوجد جميع قيم \(x\) في الفترة \(0 \leq x \leq 2\pi\) التي تحقق المتباينة \[ 2\cos x \leq \left|\sqrt{1+\sin 2x}-\sqrt{1-\sin 2x}\right| \leq \sqrt{2}. \]
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الإجابة
\[ \boxed{x\in\left[\frac{\pi}{4},\frac{7\pi}{4}\right].} \]
الحل
لتكن \[ D=\left|\sqrt{1+\sin 2x}-\sqrt{1-\sin 2x}\right|. \] كلا الجذرين التربيعيين معرّف لكل عدد حقيقي \(x\). وبالتربيع نحصل على \[ D^2 =2-2\sqrt{(1+\sin 2x)(1-\sin 2x)} =2-2\sqrt{\cos^2 2x} =2-2|\cos 2x|. \] وعلى وجه الخصوص، \(0\leq D\leq\sqrt2\)، ولذلك تتحقق المتباينة العليا دائمًا.
إذا تحققت المتباينتان المعطاتان، فإن \[ 2\cos x\leq D\leq\sqrt2, \] ومن ثم \(\cos x\leq 1/\sqrt2\). وفي الفترة \(0\leq x\leq2\pi\)، يكافئ ذلك \[ \frac{\pi}{4}\leq x\leq\frac{7\pi}{4}. \]
وعكسًا، لنفترض أن \(x\) تنتمي إلى هذه الفترة. إذا كان \(\cos x\leq0\)، فإن \[ 2\cos x\leq0\leq D, \] فتتحقق المتباينة الدنيا.
وإذا كان \(\cos x>0\)، فإن \(0<\cos x\leq1/\sqrt2\)، وبالتالي \[ \cos 2x=2\cos^2x-1\leq0. \] وعليه، \[ D^2=2+2\cos 2x=4\cos^2x. \] وبما أن \(D\geq0\) و\(\cos x>0\)، ينتج أن \(D=2\cos x\)، فتتحقق المتباينة الدنيا أيضًا.
إذن كل نقطة من الفترة المغلقة المذكورة، بما في ذلك طرفاها، تحقق كلتا المتباينتين.
تمت مراجعة الحل بمقارنته بأرشيف حلول IMO لجون سكولز (Kalva).