IMO 1965 · Problem 4
Find all sets of four real numbers \(x_1, x_2, x_3, x_4\) such that the sum of any one and the product of the other three is equal to 2.
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Answer
The solutions are \[ (x_1,x_2,x_3,x_4)=(1,1,1,1) \] and all permutations of \[ (3,-1,-1,-1). \]
Solution
Write the four numbers as \(a,b,c,d\). The conditions are \[ a+bcd=b+acd=c+abd=d+abc=2. \]
If all four numbers equal \(t\), then \[ t+t^3=2, \qquad (t-1)(t^2+t+2)=0. \] Since \(t^2+t+2=(t+\tfrac12)^2+\tfrac74>0\), we obtain \(t=1\).
Otherwise, by relabelling, assume \(a\ne b\). Subtracting the equations for \(a\) and \(b\) gives \[ (a-b)(1-cd)=0, \] so \(cd=1\). The equation for \(a\) therefore yields \(a+b=2\). Consequently, \[ 4=(a+b)^2=(a-b)^2+4ab>4ab, \] and hence \(ab<1\).
Subtracting the equations for \(c\) and \(d\), we obtain \[ (c-d)(1-ab)=0. \] Because \(ab<1\), this forces \(c=d\). Together with \(cd=1\), it follows that either \(c=d=1\) or \(c=d=-1\).
If \(c=d=1\), the equation \(c+abd=2\) gives \(1+ab=2\), contradicting \(ab<1\). Thus \(c=d=-1\), and the same equation gives \[ -1-ab=2, \qquad ab=-3. \] Since \(a+b=2\), the numbers \(a,b\) are the roots of \[ u^2-2u-3=(u-3)(u+1)=0. \] Thus they are \(3\) and \(-1\), in either order.
Finally, \((1,1,1,1)\) satisfies every equation. For \((3,-1,-1,-1)\), selecting \(3\) gives \(3+(-1)^3=2\), while selecting any \(-1\) gives \(-1+3(-1)(-1)=2\). Hence all listed solutions work, and the cases above exhaust every possibility.
The solution was checked against John Scholes' IMO solution archive (Kalva).
IMO 1965 · Aufgabe 4
Bestimme alle Zusammenstellungen von vier reellen Zahlen \(x_1, x_2, x_3, x_4\), für die die Summe aus einer beliebigen dieser Zahlen und dem Produkt der übrigen drei gleich 2 ist.
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Antwort
Die Lösungen sind \[ (x_1,x_2,x_3,x_4)=(1,1,1,1) \] und alle Permutationen von \[ (3,-1,-1,-1). \]
Lösung
Bezeichnen wir die vier Zahlen mit \(a,b,c,d\). Die Bedingungen lauten \[ a+bcd=b+acd=c+abd=d+abc=2. \]
Sind alle vier Zahlen gleich \(t\), so gilt \[ t+t^3=2, \qquad (t-1)(t^2+t+2)=0. \] Wegen \(t^2+t+2=(t+\tfrac12)^2+\tfrac74>0\) erhalten wir \(t=1\).
Andernfalls können wir durch Umbenennen \(a\ne b\) annehmen. Subtrahieren der Gleichungen für \(a\) und \(b\) ergibt \[ (a-b)(1-cd)=0, \] also \(cd=1\). Die Gleichung für \(a\) liefert daher \(a+b=2\). Folglich gilt \[ 4=(a+b)^2=(a-b)^2+4ab>4ab, \] und damit \(ab<1\).
Subtrahieren der Gleichungen für \(c\) und \(d\) ergibt \[ (c-d)(1-ab)=0. \] Wegen \(ab<1\) folgt daraus zwingend \(c=d\). Zusammen mit \(cd=1\) folgt, dass entweder \(c=d=1\) oder \(c=d=-1\) gilt.
Falls \(c=d=1\), liefert die Gleichung \(c+abd=2\) die Beziehung \(1+ab=2\), im Widerspruch zu \(ab<1\). Also gilt \(c=d=-1\), und dieselbe Gleichung ergibt \[ -1-ab=2, \qquad ab=-3. \] Wegen \(a+b=2\) sind die Zahlen \(a,b\) die Nullstellen von \[ u^2-2u-3=(u-3)(u+1)=0. \] Somit sind sie \(3\) und \(-1\), in beliebiger Reihenfolge.
Schließlich erfüllt \((1,1,1,1)\) jede Gleichung. Für \((3,-1,-1,-1)\) ergibt die Wahl von \(3\) die Gleichung \(3+(-1)^3=2\), während die Wahl einer beliebigen \(-1\) die Gleichung \(-1+3(-1)(-1)=2\) ergibt. Somit sind alle aufgeführten Lösungen gültig, und die obigen Fälle decken alle Möglichkeiten ab.
Die Lösung wurde mit dem IMO-Lösungsarchiv von John Scholes (Kalva) abgeglichen.
IMO 1965 · Soru 4
Herhangi biri ile diğer üçünün çarpımının toplamı 2'ye eşit olan tüm \(x_1, x_2, x_3, x_4\) gerçek sayı dörtlülerini bulunuz.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Cevap
Çözümler \[ (x_1,x_2,x_3,x_4)=(1,1,1,1) \] ve \[ (3,-1,-1,-1) \] dörtlüsünün tüm permütasyonlarıdır.
Çözüm
Dört sayıyı \(a,b,c,d\) ile gösterelim. Verilen koşullar \[ a+bcd=b+acd=c+abd=d+abc=2 \] biçimindedir.
Dört sayının tümü \(t\)'ye eşitse \[ t+t^3=2, \qquad (t-1)(t^2+t+2)=0 \] olur. \(t^2+t+2=(t+\tfrac12)^2+\tfrac74>0\) olduğundan \(t=1\) elde edilir.
Aksi hâlde, sayıları yeniden adlandırarak \(a\ne b\) olduğunu varsayalım. \(a\) ve \(b\)'ye ait denklemleri birbirinden çıkarınca \[ (a-b)(1-cd)=0, \] elde edilir; dolayısıyla \(cd=1\) olur. Bu nedenle \(a\)'ya ait denklem \(a+b=2\) verir. Bunun sonucunda \[ 4=(a+b)^2=(a-b)^2+4ab>4ab, \] ve dolayısıyla \(ab<1\) olur.
\(c\) ve \(d\)'ye ait denklemleri birbirinden çıkararak \[ (c-d)(1-ab)=0 \] elde ederiz. \(ab<1\) olduğundan \(c=d\) olmak zorundadır. Bu eşitlik \(cd=1\) ile birlikte, ya \(c=d=1\) ya da \(c=d=-1\) olduğunu gösterir.
Eğer \(c=d=1\) ise \(c+abd=2\) denklemi \(1+ab=2\) verir; bu, \(ab<1\) ile çelişir. Dolayısıyla \(c=d=-1\) olur ve aynı denklem \[ -1-ab=2, \qquad ab=-3 \] verir. \(a+b=2\) olduğundan \(a,b\) sayıları \[ u^2-2u-3=(u-3)(u+1)=0 \] denkleminin kökleridir. Dolayısıyla bu sayılar, herhangi bir sırada, \(3\) ve \(-1\)'dir.
Son olarak, \((1,1,1,1)\) her denklemi sağlar. \((3,-1,-1,-1)\) için \(3\)'ü seçmek \(3+(-1)^3=2\) verirken, herhangi bir \(-1\)'i seçmek \(-1+3(-1)(-1)=2\) verir. Böylece listelenen tüm çözümler koşulları sağlar ve yukarıdaki durumlar tüm olasılıkları kapsar.
Çözüm, John Scholes'un IMO çözüm arşiviyle (Kalva) karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 1965 · Problema 4
Hallar todos los conjuntos de cuatro números reales \(x_1, x_2, x_3, x_4\) tales que la suma de cualquiera de ellos y el producto de los otros tres sea igual a 2.
Enunciado traducido del texto oficial en inglés. Enunciado oficial (PDF)
Respuesta
Las soluciones son \[ (x_1,x_2,x_3,x_4)=(1,1,1,1) \] y todas las permutaciones de \[ (3,-1,-1,-1). \]
Solución
Denotemos los cuatro números por \(a,b,c,d\). Las condiciones son \[ a+bcd=b+acd=c+abd=d+abc=2. \]
Si los cuatro números son iguales a \(t\), entonces \[ t+t^3=2, \qquad (t-1)(t^2+t+2)=0. \] Como \(t^2+t+2=(t+\tfrac12)^2+\tfrac74>0\), obtenemos \(t=1\).
En caso contrario, cambiando la denominación de los números, podemos suponer que \(a\ne b\). Restando las ecuaciones correspondientes a \(a\) y \(b\), se obtiene \[ (a-b)(1-cd)=0, \] por lo que \(cd=1\). La ecuación correspondiente a \(a\) da entonces \(a+b=2\). En consecuencia, \[ 4=(a+b)^2=(a-b)^2+4ab>4ab, \] y, por tanto, \(ab<1\).
Restando las ecuaciones correspondientes a \(c\) y \(d\), obtenemos \[ (c-d)(1-ab)=0. \] Como \(ab<1\), esto obliga a que \(c=d\). Junto con \(cd=1\), se deduce que \(c=d=1\) o bien \(c=d=-1\).
Si \(c=d=1\), la ecuación \(c+abd=2\) da \(1+ab=2\), lo que contradice \(ab<1\). Por tanto, \(c=d=-1\), y la misma ecuación da \[ -1-ab=2, \qquad ab=-3. \] Como \(a+b=2\), los números \(a,b\) son las raíces de \[ u^2-2u-3=(u-3)(u+1)=0. \] Así pues, son \(3\) y \(-1\), en cualquiera de los dos órdenes.
Por último, \((1,1,1,1)\) satisface todas las ecuaciones. Para \((3,-1,-1,-1)\), al elegir \(3\) se obtiene \(3+(-1)^3=2\), mientras que al elegir cualquiera de los \(-1\) se obtiene \(-1+3(-1)(-1)=2\). Por tanto, todas las soluciones indicadas son válidas, y los casos anteriores agotan todas las posibilidades.
La solución se comprobó con el archivo de soluciones de la IMO de John Scholes (Kalva).
IMO 1965 · 问题 4
求所有满足下列条件的四个实数 \(x_1, x_2, x_3, x_4\):其中任意一个数与其余三个数之积的和等于 2。
题目译自官方英文原文。 官方试卷 (PDF)
答案
所有解为 \[ (x_1,x_2,x_3,x_4)=(1,1,1,1) \] 以及下列四元组的所有排列: \[ (3,-1,-1,-1). \]
解答
将这四个数记为 \(a,b,c,d\)。题设条件为 \[ a+bcd=b+acd=c+abd=d+abc=2. \]
若四个数都等于 \(t\),则 \[ t+t^3=2, \qquad (t-1)(t^2+t+2)=0. \] 由于 \(t^2+t+2=(t+\tfrac12)^2+\tfrac74>0\),可得 \(t=1\)。
否则,重新标记后可设 \(a\ne b\)。将关于 \(a\) 和 \(b\) 的两个方程相减,得到 \[ (a-b)(1-cd)=0, \] 所以 \(cd=1\)。因此,关于 \(a\) 的方程给出 \(a+b=2\)。于是 \[ 4=(a+b)^2=(a-b)^2+4ab>4ab, \] 从而 \(ab<1\)。
将关于 \(c\) 和 \(d\) 的两个方程相减,得到 \[ (c-d)(1-ab)=0. \] 由于 \(ab<1\),必有 \(c=d\)。结合 \(cd=1\),可知 \(c=d=1\) 或 \(c=d=-1\)。
若 \(c=d=1\),则由方程 \(c+abd=2\) 得 \(1+ab=2\),与 \(ab<1\) 矛盾。因此 \(c=d=-1\),由同一方程得 \[ -1-ab=2, \qquad ab=-3. \] 由于 \(a+b=2\),数 \(a,b\) 是方程 \[ u^2-2u-3=(u-3)(u+1)=0 \] 的两根。因此,它们分别为 \(3\) 和 \(-1\),次序任意。
最后,\((1,1,1,1)\) 满足每个方程。对于 \((3,-1,-1,-1)\),选取 \(3\) 时有 \(3+(-1)^3=2\),而选取任意一个 \(-1\) 时有 \(-1+3(-1)(-1)=2\)。因此,列出的所有解都满足条件,而上述分类已穷尽所有可能。
解答已与 John Scholes 的 IMO 解答档案(Kalva)核对。
IMO 1965 · Задача 4
Найдите все наборы из четырёх действительных чисел \(x_1, x_2, x_3, x_4\), для которых сумма любого одного числа и произведения остальных трёх равна 2.
Условие переведено с официального английского текста. Официальный текст задач (PDF)
Ответ
Решениями являются \[ (x_1,x_2,x_3,x_4)=(1,1,1,1) \] и все перестановки набора \[ (3,-1,-1,-1). \]
Решение
Обозначим четыре числа через \(a,b,c,d\). Условия имеют вид \[ a+bcd=b+acd=c+abd=d+abc=2. \]
Если все четыре числа равны \(t\), то \[ t+t^3=2, \qquad (t-1)(t^2+t+2)=0. \] Поскольку \(t^2+t+2=(t+\tfrac12)^2+\tfrac74>0\), получаем \(t=1\).
В противном случае, меняя обозначения, можно считать, что \(a\ne b\). Вычитая уравнения для \(a\) и \(b\), получаем \[ (a-b)(1-cd)=0, \] откуда \(cd=1\). Поэтому уравнение для \(a\) даёт \(a+b=2\). Следовательно, \[ 4=(a+b)^2=(a-b)^2+4ab>4ab, \] откуда \(ab<1\).
Вычитая уравнения для \(c\) и \(d\), получаем \[ (c-d)(1-ab)=0. \] Поскольку \(ab<1\), отсюда следует \(c=d\). Вместе с \(cd=1\) это даёт либо \(c=d=1\), либо \(c=d=-1\).
Если \(c=d=1\), то уравнение \(c+abd=2\) даёт \(1+ab=2\), что противоречит \(ab<1\). Поэтому \(c=d=-1\), и то же уравнение даёт \[ -1-ab=2, \qquad ab=-3. \] Поскольку \(a+b=2\), числа \(a,b\) являются корнями уравнения \[ u^2-2u-3=(u-3)(u+1)=0. \] Таким образом, это числа \(3\) и \(-1\), взятые в любом порядке.
Наконец, набор \((1,1,1,1)\) удовлетворяет каждому уравнению. Для набора \((3,-1,-1,-1)\) при выборе числа \(3\) получаем \(3+(-1)^3=2\), а при выборе любого из чисел \(-1\) получаем \(-1+3(-1)(-1)=2\). Следовательно, все перечисленные решения подходят, а рассмотренные выше случаи исчерпывают все возможности.
Решение проверено по архиву решений IMO Джона Скоулза (Kalva).
IMO 1965 · المسألة 4
أوجد جميع مجموعات الأعداد الحقيقية الأربعة \(x_1, x_2, x_3, x_4\) التي يكون فيها مجموع أي عدد منها وحاصل ضرب الأعداد الثلاثة الأخرى مساويًا لـ 2.
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الإجابة
الحلول هي \[ (x_1,x_2,x_3,x_4)=(1,1,1,1) \] وجميع تبديلات \[ (3,-1,-1,-1). \]
الحل
لنرمز إلى الأعداد الأربعة بـ \(a,b,c,d\). الشروط هي \[ a+bcd=b+acd=c+abd=d+abc=2. \]
إذا كانت الأعداد الأربعة كلها تساوي \(t\)، فإن \[ t+t^3=2, \qquad (t-1)(t^2+t+2)=0. \] وبما أن \(t^2+t+2=(t+\tfrac12)^2+\tfrac74>0\)، نحصل على \(t=1\).
وفي غير هذه الحالة، يمكننا، بإعادة تسمية الأعداد، أن نفترض أن \(a\ne b\). بطرح المعادلتين الخاصتين بـ \(a\) و\(b\) نحصل على \[ (a-b)(1-cd)=0, \] ومن ثم \(cd=1\). ولذلك تعطي المعادلة الخاصة بـ \(a\) أن \(a+b=2\). وبالتالي، \[ 4=(a+b)^2=(a-b)^2+4ab>4ab, \] ومن ثم \(ab<1\).
بطرح المعادلتين الخاصتين بـ \(c\) و\(d\)، نحصل على \[ (c-d)(1-ab)=0. \] وبما أن \(ab<1\)، فلا بد أن يكون \(c=d\). وبالجمع بين ذلك و\(cd=1\)، ينتج أن إما \(c=d=1\) أو \(c=d=-1\).
إذا كان \(c=d=1\)، فإن المعادلة \(c+abd=2\) تعطي \(1+ab=2\)، وهو ما يناقض \(ab<1\). إذن \(c=d=-1\)، وتعطي المعادلة نفسها \[ -1-ab=2, \qquad ab=-3. \] وبما أن \(a+b=2\)، فإن العددين \(a,b\) هما جذرا المعادلة \[ u^2-2u-3=(u-3)(u+1)=0. \] إذن هما \(3\) و\(-1\)، بأي ترتيب.
أخيرًا، تحقق \((1,1,1,1)\) كل معادلة. أما في حالة \((3,-1,-1,-1)\)، فإن اختيار \(3\) يعطي \(3+(-1)^3=2\)، بينما يعطي اختيار أي من الأعداد \(-1\) أن \(-1+3(-1)(-1)=2\). ومن ثم فإن جميع الحلول المذكورة تحقق الشروط، والحالات السابقة تستنفد جميع الإمكانات.
تمت مراجعة الحل بمقارنته بأرشيف حلول IMO لجون سكولز (Kalva).