IMO 1968 · Problem 3
Consider the system of equations \[ \begin{aligned} ax_1^2+bx_1+c&=x_2\\ ax_2^2+bx_2+c&=x_3\\ &\cdots\\ ax_{n-1}^2+bx_{n-1}+c&=x_n\\ ax_n^2+bx_n+c&=x_1, \end{aligned} \] with unknowns \(x_1,x_2,\ldots,x_n\), where \(a,b,c\) are real and \(a\ne0\). Let \(\Delta=(b-1)^2-4ac\). Prove that for this system
(a) if \(\Delta<0\), there is no solution,
(b) if \(\Delta=0\), there is exactly one solution,
(c) if \(\Delta>0\), there is more than one solution.
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Solution
Set \(x_{n+1}=x_1\). For any real solution, the equations give \[ x_{i+1}-x_i=ax_i^2+(b-1)x_i+c \qquad (1\le i\le n). \] Completing the square yields \[ 4a(x_{i+1}-x_i)=(2ax_i+b-1)^2-\Delta. \] Summing over all \(i\), the left-hand side telescopes to zero. Hence every solution satisfies \[ \boxed{\sum_{i=1}^{n}(2ax_i+b-1)^2=n\Delta.} \]
(a) If \(\Delta<0\), the right-hand side is negative, whereas the left-hand side is a sum of squares of real numbers. Thus no real solution exists.
(b) If \(\Delta=0\), every square in the sum must vanish. Since \(a\ne0\), this forces \[ x_1=x_2=\cdots=x_n=r, \qquad r=\frac{1-b}{2a}. \] This tuple is indeed a solution, because \[ ar^2+(b-1)r+c =c-\frac{(b-1)^2}{4a} =-\frac{\Delta}{4a}=0, \] so \(ar^2+br+c=r\). Therefore there is exactly one solution.
(c) If \(\Delta>0\), the quadratic equation \[ at^2+(b-1)t+c=0 \] has two distinct real roots \[ r_-=\frac{1-b-\sqrt{\Delta}}{2a}, \qquad r_+=\frac{1-b+\sqrt{\Delta}}{2a}. \] Each root satisfies \(ar_\pm^2+br_\pm+c=r_\pm\). Consequently, both \[ (x_1,\ldots,x_n)=(r_-,\ldots,r_-) \quad\text{and}\quad (x_1,\ldots,x_n)=(r_+,\ldots,r_+) \] solve the system. These tuples are distinct, so there is more than one solution.
The solution was checked against John Scholes' IMO solution archive (Kalva).
IMO 1968 · Aufgabe 3
Betrachte das Gleichungssystem \[ \begin{aligned} ax_1^2+bx_1+c&=x_2\\ ax_2^2+bx_2+c&=x_3\\ &\cdots\\ ax_{n-1}^2+bx_{n-1}+c&=x_n\\ ax_n^2+bx_n+c&=x_1, \end{aligned} \] mit den Unbekannten \(x_1,x_2,\ldots,x_n\), wobei \(a,b,c\) reell sind und \(a\ne0\) gilt. Es sei \(\Delta=(b-1)^2-4ac\). Beweise, dass für dieses System gilt:
(a) Ist \(\Delta<0\), so gibt es keine Lösung,
(b) ist \(\Delta=0\), so gibt es genau eine Lösung,
(c) ist \(\Delta>0\), so gibt es mehr als eine Lösung.
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Lösung
Setze \(x_{n+1}=x_1\). Für jede reelle Lösung liefern die Gleichungen \[ x_{i+1}-x_i=ax_i^2+(b-1)x_i+c \qquad (1\le i\le n). \] Quadratische Ergänzung ergibt \[ 4a(x_{i+1}-x_i)=(2ax_i+b-1)^2-\Delta. \] Summiert man über alle \(i\), so ergibt die Teleskopsumme auf der linken Seite null. Daher erfüllt jede Lösung \[ \boxed{\sum_{i=1}^{n}(2ax_i+b-1)^2=n\Delta.} \]
(a) Ist \(\Delta<0\), so ist die rechte Seite negativ, während die linke Seite eine Summe von Quadraten reeller Zahlen ist. Somit gibt es keine reelle Lösung.
(b) Ist \(\Delta=0\), so muss jedes Quadrat in der Summe verschwinden. Wegen \(a\ne0\) folgt daraus zwingend \[ x_1=x_2=\cdots=x_n=r, \qquad r=\frac{1-b}{2a}. \] Dieses Tupel ist tatsächlich eine Lösung, denn \[ ar^2+(b-1)r+c =c-\frac{(b-1)^2}{4a} =-\frac{\Delta}{4a}=0, \] also gilt \(ar^2+br+c=r\). Daher gibt es genau eine Lösung.
(c) Ist \(\Delta>0\), so hat die quadratische Gleichung \[ at^2+(b-1)t+c=0 \] zwei verschiedene reelle Nullstellen \[ r_-=\frac{1-b-\sqrt{\Delta}}{2a}, \qquad r_+=\frac{1-b+\sqrt{\Delta}}{2a}. \] Jede Nullstelle erfüllt \(ar_\pm^2+br_\pm+c=r_\pm\). Folglich lösen sowohl \[ (x_1,\ldots,x_n)=(r_-,\ldots,r_-) \quad\text{als auch}\quad (x_1,\ldots,x_n)=(r_+,\ldots,r_+) \] das System. Diese Tupel sind verschieden, also gibt es mehr als eine Lösung.
Die Lösung wurde mit dem IMO-Lösungsarchiv von John Scholes (Kalva) abgeglichen.
IMO 1968 · Soru 3
\(a,b,c\) gerçek sayılar ve \(a\ne0\) olmak üzere, bilinmeyenleri \(x_1,x_2,\ldots,x_n\) olan \[ \begin{aligned} ax_1^2+bx_1+c&=x_2\\ ax_2^2+bx_2+c&=x_3\\ &\cdots\\ ax_{n-1}^2+bx_{n-1}+c&=x_n\\ ax_n^2+bx_n+c&=x_1 \end{aligned} \] denklem sistemini ele alalım. \(\Delta=(b-1)^2-4ac\) olsun. Bu sistem için aşağıdakileri kanıtlayınız:
(a) \(\Delta<0\) ise çözüm yoktur,
(b) \(\Delta=0\) ise tam olarak bir çözüm vardır,
(c) \(\Delta>0\) ise birden fazla çözüm vardır.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Çözüm
\(x_{n+1}=x_1\) olarak tanımlayalım. Her gerçek çözüm için denklemlerden \[ x_{i+1}-x_i=ax_i^2+(b-1)x_i+c \qquad (1\le i\le n) \] elde edilir. Kareye tamamlayınca \[ 4a(x_{i+1}-x_i)=(2ax_i+b-1)^2-\Delta \] olur. Tüm \(i\) değerleri üzerinden toplandığında sol taraftaki terimler birbirini götürür ve toplam sıfır olur. Böylece her çözüm \[ \boxed{\sum_{i=1}^{n}(2ax_i+b-1)^2=n\Delta} \] eşitliğini sağlar.
(a) \(\Delta<0\) ise sağ taraf negatiftir, oysa sol taraf gerçek sayıların karelerinin toplamıdır. Dolayısıyla gerçek çözüm yoktur.
(b) \(\Delta=0\) ise toplamdaki her kare sıfır olmalıdır. \(a\ne0\) olduğundan bu, \[ x_1=x_2=\cdots=x_n=r, \qquad r=\frac{1-b}{2a} \] olmasını gerektirir. Bu sıralı çoklu gerçekten bir çözümdür, çünkü \[ ar^2+(b-1)r+c =c-\frac{(b-1)^2}{4a} =-\frac{\Delta}{4a}=0, \] dolayısıyla \(ar^2+br+c=r\) olur. O hâlde tam olarak bir çözüm vardır.
(c) \(\Delta>0\) ise ikinci dereceden \[ at^2+(b-1)t+c=0 \] denkleminin birbirinden farklı iki gerçek kökü vardır: \[ r_-=\frac{1-b-\sqrt{\Delta}}{2a}, \qquad r_+=\frac{1-b+\sqrt{\Delta}}{2a}. \] Her kök \(ar_\pm^2+br_\pm+c=r_\pm\) eşitliğini sağlar. Dolayısıyla hem \[ (x_1,\ldots,x_n)=(r_-,\ldots,r_-) \quad\text{hem de}\quad (x_1,\ldots,x_n)=(r_+,\ldots,r_+) \] sistemin çözümüdür. Bu sıralı çoklular birbirinden farklı olduğundan birden fazla çözüm vardır.
Çözüm, John Scholes'un IMO çözüm arşiviyle (Kalva) karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 1968 · Problema 3
Considere el sistema de ecuaciones \[ \begin{aligned} ax_1^2+bx_1+c&=x_2\\ ax_2^2+bx_2+c&=x_3\\ &\cdots\\ ax_{n-1}^2+bx_{n-1}+c&=x_n\\ ax_n^2+bx_n+c&=x_1, \end{aligned} \] con incógnitas \(x_1,x_2,\ldots,x_n\), donde \(a,b,c\) son reales y \(a\ne0\). Sea \(\Delta=(b-1)^2-4ac\). Demuestre que, para este sistema,
(a) si \(\Delta<0\), no hay solución,
(b) si \(\Delta=0\), hay exactamente una solución,
(c) si \(\Delta>0\), hay más de una solución.
Enunciado traducido del texto oficial en inglés. Enunciado oficial (PDF)
Solución
Definamos \(x_{n+1}=x_1\). Para cualquier solución real, las ecuaciones dan \[ x_{i+1}-x_i=ax_i^2+(b-1)x_i+c \qquad (1\le i\le n). \] Completando el cuadrado se obtiene \[ 4a(x_{i+1}-x_i)=(2ax_i+b-1)^2-\Delta. \] Al sumar sobre todos los \(i\), el miembro izquierdo se anula por cancelación telescópica. Por tanto, toda solución satisface \[ \boxed{\sum_{i=1}^{n}(2ax_i+b-1)^2=n\Delta.} \]
(a) Si \(\Delta<0\), el miembro derecho es negativo, mientras que el izquierdo es una suma de cuadrados de números reales. Por tanto, no existe ninguna solución real.
(b) Si \(\Delta=0\), cada cuadrado de la suma debe anularse. Como \(a\ne0\), esto obliga a que \[ x_1=x_2=\cdots=x_n=r, \qquad r=\frac{1-b}{2a}. \] Esta tupla es, en efecto, una solución, pues \[ ar^2+(b-1)r+c =c-\frac{(b-1)^2}{4a} =-\frac{\Delta}{4a}=0, \] de modo que \(ar^2+br+c=r\). Por tanto, hay exactamente una solución.
(c) Si \(\Delta>0\), la ecuación cuadrática \[ at^2+(b-1)t+c=0 \] tiene dos raíces reales distintas \[ r_-=\frac{1-b-\sqrt{\Delta}}{2a}, \qquad r_+=\frac{1-b+\sqrt{\Delta}}{2a}. \] Cada raíz satisface \(ar_\pm^2+br_\pm+c=r_\pm\). Por consiguiente, tanto \[ (x_1,\ldots,x_n)=(r_-,\ldots,r_-) \quad\text{como}\quad (x_1,\ldots,x_n)=(r_+,\ldots,r_+) \] son soluciones del sistema. Estas tuplas son distintas, por lo que hay más de una solución.
La solución se comprobó con el archivo de soluciones de la IMO de John Scholes (Kalva).
IMO 1968 · 问题 3
考虑方程组 \[ \begin{aligned} ax_1^2+bx_1+c&=x_2\\ ax_2^2+bx_2+c&=x_3\\ &\cdots\\ ax_{n-1}^2+bx_{n-1}+c&=x_n\\ ax_n^2+bx_n+c&=x_1, \end{aligned} \] 其中未知数为 \(x_1,x_2,\ldots,x_n\),\(a,b,c\) 为实数,且 \(a\ne0\)。令 \(\Delta=(b-1)^2-4ac\)。证明,对于此方程组:
(a) 若 \(\Delta<0\),则无解;
(b) 若 \(\Delta=0\),则恰有一个解;
(c) 若 \(\Delta>0\),则有不止一个解。
题目译自官方英文原文。 官方试卷 (PDF)
解答
令 \(x_{n+1}=x_1\)。对于任意实数解,由方程组可得 \[ x_{i+1}-x_i=ax_i^2+(b-1)x_i+c \qquad (1\le i\le n). \] 配方得 \[ 4a(x_{i+1}-x_i)=(2ax_i+b-1)^2-\Delta. \] 对所有 \(i\) 求和,左端各项相消,结果为零。因此,每个解都满足 \[ \boxed{\sum_{i=1}^{n}(2ax_i+b-1)^2=n\Delta.} \]
(a) 若 \(\Delta<0\),则右端为负数,而左端是若干实数的平方和。因此不存在实数解。
(b) 若 \(\Delta=0\),则和式中的每个平方项都必须为零。由于 \(a\ne0\),必有 \[ x_1=x_2=\cdots=x_n=r, \qquad r=\frac{1-b}{2a}. \] 这组数确实是一个解,因为 \[ ar^2+(b-1)r+c =c-\frac{(b-1)^2}{4a} =-\frac{\Delta}{4a}=0, \] 所以 \(ar^2+br+c=r\)。因此恰有一个解。
(c) 若 \(\Delta>0\),则二次方程 \[ at^2+(b-1)t+c=0 \] 有两个不同的实根 \[ r_-=\frac{1-b-\sqrt{\Delta}}{2a}, \qquad r_+=\frac{1-b+\sqrt{\Delta}}{2a}. \] 每个根均满足 \(ar_\pm^2+br_\pm+c=r_\pm\)。因此, \[ (x_1,\ldots,x_n)=(r_-,\ldots,r_-) \quad\text{和}\quad (x_1,\ldots,x_n)=(r_+,\ldots,r_+) \] 都是方程组的解。这两组数不同,所以方程组有不止一个解。
解答已与 John Scholes 的 IMO 解答档案(Kalva)核对。
IMO 1968 · Задача 3
Рассмотрим систему уравнений \[ \begin{aligned} ax_1^2+bx_1+c&=x_2\\ ax_2^2+bx_2+c&=x_3\\ &\cdots\\ ax_{n-1}^2+bx_{n-1}+c&=x_n\\ ax_n^2+bx_n+c&=x_1, \end{aligned} \] с неизвестными \(x_1,x_2,\ldots,x_n\), где \(a,b,c\) — действительные числа и \(a\ne0\). Пусть \(\Delta=(b-1)^2-4ac\). Докажите, что для этой системы
(a) если \(\Delta<0\), то решений нет,
(b) если \(\Delta=0\), то существует ровно одно решение,
(c) если \(\Delta>0\), то существует более одного решения.
Условие переведено с официального английского текста. Официальный текст задач (PDF)
Решение
Положим \(x_{n+1}=x_1\). Для любого действительного решения из уравнений следует \[ x_{i+1}-x_i=ax_i^2+(b-1)x_i+c \qquad (1\le i\le n). \] Выделяя полный квадрат, получаем \[ 4a(x_{i+1}-x_i)=(2ax_i+b-1)^2-\Delta. \] При суммировании по всем \(i\) слагаемые в левой части взаимно сокращаются, и получается нуль. Следовательно, любое решение удовлетворяет равенству \[ \boxed{\sum_{i=1}^{n}(2ax_i+b-1)^2=n\Delta.} \]
(a) Если \(\Delta<0\), то правая часть отрицательна, тогда как левая часть является суммой квадратов действительных чисел. Поэтому действительных решений нет.
(b) Если \(\Delta=0\), то каждый квадрат в сумме должен равняться нулю. Поскольку \(a\ne0\), отсюда следует \[ x_1=x_2=\cdots=x_n=r, \qquad r=\frac{1-b}{2a}. \] Этот набор действительно является решением, поскольку \[ ar^2+(b-1)r+c =c-\frac{(b-1)^2}{4a} =-\frac{\Delta}{4a}=0, \] так что \(ar^2+br+c=r\). Следовательно, существует ровно одно решение.
(c) Если \(\Delta>0\), то квадратное уравнение \[ at^2+(b-1)t+c=0 \] имеет два различных действительных корня \[ r_-=\frac{1-b-\sqrt{\Delta}}{2a}, \qquad r_+=\frac{1-b+\sqrt{\Delta}}{2a}. \] Каждый корень удовлетворяет равенству \(ar_\pm^2+br_\pm+c=r_\pm\). Следовательно, оба набора \[ (x_1,\ldots,x_n)=(r_-,\ldots,r_-) \quad\text{и}\quad (x_1,\ldots,x_n)=(r_+,\ldots,r_+) \] являются решениями системы. Эти наборы различны, поэтому существует более одного решения.
Решение проверено по архиву решений IMO Джона Скоулза (Kalva).
IMO 1968 · المسألة 3
لتكن لدينا منظومة المعادلات \[ \begin{aligned} ax_1^2+bx_1+c&=x_2\\ ax_2^2+bx_2+c&=x_3\\ &\cdots\\ ax_{n-1}^2+bx_{n-1}+c&=x_n\\ ax_n^2+bx_n+c&=x_1, \end{aligned} \] ذات المجاهيل \(x_1,x_2,\ldots,x_n\)، حيث \(a,b,c\) أعداد حقيقية و\(a\ne0\). ليكن \(\Delta=(b-1)^2-4ac\). أثبت أن هذه المنظومة
(أ) ليس لها حل إذا كان \(\Delta<0\)،
(ب) لها حل واحد بالضبط إذا كان \(\Delta=0\)،
(ج) لها أكثر من حل واحد إذا كان \(\Delta>0\).
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الحل
نضع \(x_{n+1}=x_1\). لأي حل حقيقي، تعطينا المعادلات \[ x_{i+1}-x_i=ax_i^2+(b-1)x_i+c \qquad (1\le i\le n). \] وبإكمال المربع نحصل على \[ 4a(x_{i+1}-x_i)=(2ax_i+b-1)^2-\Delta. \] بجمع هذه المساويات على جميع قيم \(i\)، تتلاشى حدود الطرف الأيسر بالتتابع فيكون مجموعها صفرًا. ومن ثم فإن كل حل يحقق \[ \boxed{\sum_{i=1}^{n}(2ax_i+b-1)^2=n\Delta.} \]
(أ) إذا كان \(\Delta<0\)، فإن الطرف الأيمن سالب، في حين أن الطرف الأيسر مجموع مربعات أعداد حقيقية. إذن لا يوجد حل حقيقي.
(ب) إذا كان \(\Delta=0\)، فلا بد أن يساوي كل مربع في المجموع صفرًا. وبما أن \(a\ne0\)، فهذا يقتضي \[ x_1=x_2=\cdots=x_n=r, \qquad r=\frac{1-b}{2a}. \] وهذه القيم تشكّل حلًّا بالفعل، لأن \[ ar^2+(b-1)r+c =c-\frac{(b-1)^2}{4a} =-\frac{\Delta}{4a}=0, \] ومن ثم \(ar^2+br+c=r\). لذلك يوجد حل واحد بالضبط.
(ج) إذا كان \(\Delta>0\)، فإن للمعادلة التربيعية \[ at^2+(b-1)t+c=0 \] جذرين حقيقيين مختلفين هما \[ r_-=\frac{1-b-\sqrt{\Delta}}{2a}, \qquad r_+=\frac{1-b+\sqrt{\Delta}}{2a}. \] يحقق كل جذر \(ar_\pm^2+br_\pm+c=r_\pm\). وبالتالي، فإن كلًّا من \[ (x_1,\ldots,x_n)=(r_-,\ldots,r_-) \quad\text{و}\quad (x_1,\ldots,x_n)=(r_+,\ldots,r_+) \] يحل المنظومة. وهذان الحلان مختلفان، لذا يوجد أكثر من حل واحد.
تمت مراجعة الحل بمقارنته بأرشيف حلول IMO لجون سكولز (Kalva).