IMO 1968 · Problem 5
Let \(f\) be a real-valued function defined for all real numbers \(x\) such that, for some positive constant \(a\), the equation \[ f(x+a)=\frac12+\sqrt{f(x)-[f(x)]^2} \] holds for all \(x\).
(a) Prove that the function \(f\) is periodic (i.e., there exists a positive number \(b\) such that \(f(x+b)=f(x)\) for all \(x\)).
(b) For \(a=1\), give an example of a non-constant function with the required properties.
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Answer
(a) A period is \(b=2a\).
(b) One example is \[ \boxed{f(x)=\frac12+\frac12\left|\sin\frac{\pi x}{2}\right|.} \]
Solution
(a) Since the square root is real, we have \[ f(x)-[f(x)]^2\ge 0, \] so \(0\le f(x)\le1\). Moreover, applying the given equation at \(x-a\) gives \[ f(x)=\frac12+\sqrt{f(x-a)-[f(x-a)]^2}\ge\frac12. \] Thus \[ \frac12\le f(x)\le1\qquad\text{for every real }x. \]
The given equation now yields \[ \begin{aligned} f(x+a)-[f(x+a)]^2 &=\frac14-\left(f(x+a)-\frac12\right)^2\\ &=\frac14-\bigl(f(x)-[f(x)]^2\bigr)\\ &=\left(f(x)-\frac12\right)^2. \end{aligned} \] Applying the equation once more, we obtain \[ \begin{aligned} f(x+2a) &=\frac12+\sqrt{f(x+a)-[f(x+a)]^2}\\ &=\frac12+\left|f(x)-\frac12\right|\\ &=f(x), \end{aligned} \] where the last equality uses \(f(x)\ge\frac12\). Since \(2a>0\), this proves periodicity.
(b) Define, for every real \(x\), \[ f(x)=\frac12+\frac12\left|\sin\frac{\pi x}{2}\right|. \] Then \[ f(x)-[f(x)]^2 =\frac14\left(1-\sin^2\frac{\pi x}{2}\right) =\frac14\cos^2\frac{\pi x}{2}. \] Consequently, \[ \begin{aligned} \frac12+\sqrt{f(x)-[f(x)]^2} &=\frac12+\frac12\left|\cos\frac{\pi x}{2}\right|\\ &=\frac12+\frac12\left|\sin\frac{\pi(x+1)}{2}\right|\\ &=f(x+1). \end{aligned} \] Thus the required equation holds for all real \(x\) when \(a=1\). Finally, \(f(0)=\frac12\) and \(f(1)=1\), so \(f\) is non-constant.
The solution was checked against John Scholes' IMO solution archive (Kalva).
IMO 1968 · Aufgabe 5
Es sei \(f\) eine für alle reellen Zahlen \(x\) definierte reellwertige Funktion, sodass für eine positive Konstante \(a\) die Gleichung \[ f(x+a)=\frac12+\sqrt{f(x)-[f(x)]^2} \] für alle \(x\) gilt.
(a) Beweise, dass die Funktion \(f\) periodisch ist (d. h., es gibt eine positive Zahl \(b\), sodass \(f(x+b)=f(x)\) für alle \(x\) gilt).
(b) Gib für \(a=1\) ein Beispiel einer nicht konstanten Funktion mit den geforderten Eigenschaften an.
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Antwort
(a) Eine Periode ist \(b=2a\).
(b) Ein Beispiel ist \[ \boxed{f(x)=\frac12+\frac12\left|\sin\frac{\pi x}{2}\right|.} \]
Lösung
(a) Da die Quadratwurzel reell ist, gilt \[ f(x)-[f(x)]^2\ge 0, \] also \(0\le f(x)\le1\). Außerdem liefert die Anwendung der gegebenen Gleichung an der Stelle \(x-a\) \[ f(x)=\frac12+\sqrt{f(x-a)-[f(x-a)]^2}\ge\frac12. \] Somit gilt \[ \frac12\le f(x)\le1\qquad\text{für jedes reelle }x. \]
Die gegebene Gleichung liefert nun \[ \begin{aligned} f(x+a)-[f(x+a)]^2 &=\frac14-\left(f(x+a)-\frac12\right)^2\\ &=\frac14-\bigl(f(x)-[f(x)]^2\bigr)\\ &=\left(f(x)-\frac12\right)^2. \end{aligned} \] Wenden wir die Gleichung ein weiteres Mal an, so erhalten wir \[ \begin{aligned} f(x+2a) &=\frac12+\sqrt{f(x+a)-[f(x+a)]^2}\\ &=\frac12+\left|f(x)-\frac12\right|\\ &=f(x), \end{aligned} \] wobei in der letzten Gleichheit \(f(x)\ge\frac12\) verwendet wurde. Wegen \(2a>0\) ist damit die Periodizität bewiesen.
(b) Definiere für jedes reelle \(x\) \[ f(x)=\frac12+\frac12\left|\sin\frac{\pi x}{2}\right|. \] Dann gilt \[ f(x)-[f(x)]^2 =\frac14\left(1-\sin^2\frac{\pi x}{2}\right) =\frac14\cos^2\frac{\pi x}{2}. \] Folglich gilt \[ \begin{aligned} \frac12+\sqrt{f(x)-[f(x)]^2} &=\frac12+\frac12\left|\cos\frac{\pi x}{2}\right|\\ &=\frac12+\frac12\left|\sin\frac{\pi(x+1)}{2}\right|\\ &=f(x+1). \end{aligned} \] Somit gilt die geforderte Gleichung für alle reellen \(x\), wenn \(a=1\) ist. Schließlich sind \(f(0)=\frac12\) und \(f(1)=1\), also ist \(f\) nicht konstant.
Die Lösung wurde mit dem IMO-Lösungsarchiv von John Scholes (Kalva) abgeglichen.
IMO 1968 · Soru 5
\(f\), tüm gerçek \(x\) sayıları için tanımlı, gerçek değerli bir fonksiyon olsun ve bir pozitif \(a\) sabiti için \[ f(x+a)=\frac12+\sqrt{f(x)-[f(x)]^2} \] denklemi tüm \(x\) değerleri için sağlansın.
(a) \(f\) fonksiyonunun periyodik olduğunu (yani tüm \(x\) değerleri için \(f(x+b)=f(x)\) olacak şekilde bir pozitif \(b\) sayısı bulunduğunu) kanıtlayınız.
(b) \(a=1\) için, istenen özellikleri taşıyan sabit olmayan bir fonksiyon örneği veriniz.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Cevap
(a) Bir periyot \(b=2a\)'dır.
(b) Bir örnek \[ \boxed{f(x)=\frac12+\frac12\left|\sin\frac{\pi x}{2}\right|} \] fonksiyonudur.
Çözüm
(a) Karekök gerçek olduğundan \[ f(x)-[f(x)]^2\ge 0, \] dolayısıyla \(0\le f(x)\le1\) olur. Ayrıca verilen denklemi \(x-a\) için uygulayarak \[ f(x)=\frac12+\sqrt{f(x-a)-[f(x-a)]^2}\ge\frac12 \] elde ederiz. Böylece \[ \frac12\le f(x)\le1\qquad\text{her gerçek }x \] için.
Verilen denklemden şimdi \[ \begin{aligned} f(x+a)-[f(x+a)]^2 &=\frac14-\left(f(x+a)-\frac12\right)^2\\ &=\frac14-\bigl(f(x)-[f(x)]^2\bigr)\\ &=\left(f(x)-\frac12\right)^2 \end{aligned} \] elde edilir. Denklemi bir kez daha uygulayarak \[ \begin{aligned} f(x+2a) &=\frac12+\sqrt{f(x+a)-[f(x+a)]^2}\\ &=\frac12+\left|f(x)-\frac12\right|\\ &=f(x), \end{aligned} \] buluruz; son eşitlikte \(f(x)\ge\frac12\) kullanılmıştır. \(2a>0\) olduğundan bu, periyodikliği kanıtlar.
(b) Her gerçek \(x\) için \[ f(x)=\frac12+\frac12\left|\sin\frac{\pi x}{2}\right| \] olarak tanımlayalım. O hâlde \[ f(x)-[f(x)]^2 =\frac14\left(1-\sin^2\frac{\pi x}{2}\right) =\frac14\cos^2\frac{\pi x}{2}. \] Dolayısıyla, \[ \begin{aligned} \frac12+\sqrt{f(x)-[f(x)]^2} &=\frac12+\frac12\left|\cos\frac{\pi x}{2}\right|\\ &=\frac12+\frac12\left|\sin\frac{\pi(x+1)}{2}\right|\\ &=f(x+1). \end{aligned} \] Böylece \(a=1\) olduğunda istenen denklem tüm gerçek \(x\) değerleri için sağlanır. Son olarak, \(f(0)=\frac12\) ve \(f(1)=1\) olduğundan \(f\) sabit değildir.
Çözüm, John Scholes'un IMO çözüm arşiviyle (Kalva) karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 1968 · Problema 5
Sea \(f\) una función de valores reales definida para todos los números reales \(x\) tal que, para cierta constante positiva \(a\), la ecuación \[ f(x+a)=\frac12+\sqrt{f(x)-[f(x)]^2} \] se cumple para todo \(x\).
(a) Demuestre que la función \(f\) es periódica (es decir, existe un número positivo \(b\) tal que \(f(x+b)=f(x)\) para todo \(x\)).
(b) Para \(a=1\), dé un ejemplo de una función no constante con las propiedades requeridas.
Enunciado traducido del texto oficial en inglés. Enunciado oficial (PDF)
Respuesta
(a) Un período es \(b=2a\).
(b) Un ejemplo es \[ \boxed{f(x)=\frac12+\frac12\left|\sin\frac{\pi x}{2}\right|.} \]
Solución
(a) Como la raíz cuadrada es real, tenemos \[ f(x)-[f(x)]^2\ge 0, \] de modo que \(0\le f(x)\le1\). Además, al aplicar la ecuación dada en \(x-a\), se obtiene \[ f(x)=\frac12+\sqrt{f(x-a)-[f(x-a)]^2}\ge\frac12. \] Por tanto, \[ \frac12\le f(x)\le1\qquad\text{para todo número real }x. \]
La ecuación dada proporciona ahora \[ \begin{aligned} f(x+a)-[f(x+a)]^2 &=\frac14-\left(f(x+a)-\frac12\right)^2\\ &=\frac14-\bigl(f(x)-[f(x)]^2\bigr)\\ &=\left(f(x)-\frac12\right)^2. \end{aligned} \] Aplicando la ecuación una vez más, obtenemos \[ \begin{aligned} f(x+2a) &=\frac12+\sqrt{f(x+a)-[f(x+a)]^2}\\ &=\frac12+\left|f(x)-\frac12\right|\\ &=f(x), \end{aligned} \] donde en la última igualdad se utiliza que \(f(x)\ge\frac12\). Como \(2a>0\), esto demuestra la periodicidad.
(b) Definamos, para todo número real \(x\), \[ f(x)=\frac12+\frac12\left|\sin\frac{\pi x}{2}\right|. \] Entonces \[ f(x)-[f(x)]^2 =\frac14\left(1-\sin^2\frac{\pi x}{2}\right) =\frac14\cos^2\frac{\pi x}{2}. \] Por consiguiente, \[ \begin{aligned} \frac12+\sqrt{f(x)-[f(x)]^2} &=\frac12+\frac12\left|\cos\frac{\pi x}{2}\right|\\ &=\frac12+\frac12\left|\sin\frac{\pi(x+1)}{2}\right|\\ &=f(x+1). \end{aligned} \] Así, la ecuación requerida se cumple para todo número real \(x\) cuando \(a=1\). Por último, \(f(0)=\frac12\) y \(f(1)=1\), por lo que \(f\) no es constante.
La solución se comprobó con el archivo de soluciones de la IMO de John Scholes (Kalva).
IMO 1968 · 问题 5
设 \(f\) 是定义在全体实数 \(x\) 上的实值函数,且对于某个正常数 \(a\),等式 \[ f(x+a)=\frac12+\sqrt{f(x)-[f(x)]^2} \] 对所有 \(x\) 都成立。
(a) 证明函数 \(f\) 是周期函数(即存在正数 \(b\),使得对所有 \(x\),都有 \(f(x+b)=f(x)\))。
(b) 当 \(a=1\) 时,给出一个满足上述条件的非常值函数的例子。
题目译自官方英文原文。 官方试卷 (PDF)
答案
(a) 一个周期为 \(b=2a\)。
(b) 一个例子是 \[ \boxed{f(x)=\frac12+\frac12\left|\sin\frac{\pi x}{2}\right|.} \]
解答
(a) 由于平方根为实数,有 \[ f(x)-[f(x)]^2\ge 0, \] 所以 \(0\le f(x)\le1\)。此外,在所给等式中以 \(x-a\) 代替 \(x\),得 \[ f(x)=\frac12+\sqrt{f(x-a)-[f(x-a)]^2}\ge\frac12. \] 因此 \[ \frac12\le f(x)\le1\qquad\text{对每个实数 }x. \]
由所给等式可得 \[ \begin{aligned} f(x+a)-[f(x+a)]^2 &=\frac14-\left(f(x+a)-\frac12\right)^2\\ &=\frac14-\bigl(f(x)-[f(x)]^2\bigr)\\ &=\left(f(x)-\frac12\right)^2. \end{aligned} \] 再次应用该等式,得 \[ \begin{aligned} f(x+2a) &=\frac12+\sqrt{f(x+a)-[f(x+a)]^2}\\ &=\frac12+\left|f(x)-\frac12\right|\\ &=f(x), \end{aligned} \] 其中最后一个等号用到了 \(f(x)\ge\frac12\)。由于 \(2a>0\),这就证明了周期性。
(b) 对每个实数 \(x\),定义 \[ f(x)=\frac12+\frac12\left|\sin\frac{\pi x}{2}\right|. \] 则 \[ f(x)-[f(x)]^2 =\frac14\left(1-\sin^2\frac{\pi x}{2}\right) =\frac14\cos^2\frac{\pi x}{2}. \] 因此, \[ \begin{aligned} \frac12+\sqrt{f(x)-[f(x)]^2} &=\frac12+\frac12\left|\cos\frac{\pi x}{2}\right|\\ &=\frac12+\frac12\left|\sin\frac{\pi(x+1)}{2}\right|\\ &=f(x+1). \end{aligned} \] 于是,当 \(a=1\) 时,所要求的等式对所有实数 \(x\) 都成立。最后,\(f(0)=\frac12\),且 \(f(1)=1\),所以 \(f\) 是非常值函数。
解答已与 John Scholes 的 IMO 解答档案(Kalva)核对。
IMO 1968 · Задача 5
Пусть \(f\) — функция с действительными значениями, определённая для всех действительных чисел \(x\), такая, что при некоторой положительной постоянной \(a\) равенство \[ f(x+a)=\frac12+\sqrt{f(x)-[f(x)]^2} \] выполняется для всех \(x\).
(a) Докажите, что функция \(f\) периодическая (то есть существует положительное число \(b\), такое, что \(f(x+b)=f(x)\) для всех \(x\)).
(b) При \(a=1\) приведите пример непостоянной функции с требуемыми свойствами.
Условие переведено с официального английского текста. Официальный текст задач (PDF)
Ответ
(a) Периодом является \(b=2a\).
(b) Один из примеров: \[ \boxed{f(x)=\frac12+\frac12\left|\sin\frac{\pi x}{2}\right|.} \]
Решение
(a) Поскольку квадратный корень принимает действительное значение, имеем \[ f(x)-[f(x)]^2\ge 0, \] откуда \(0\le f(x)\le1\). Кроме того, применяя данное равенство в точке \(x-a\), получаем \[ f(x)=\frac12+\sqrt{f(x-a)-[f(x-a)]^2}\ge\frac12. \] Таким образом, \[ \frac12\le f(x)\le1\qquad\text{для любого действительного }x. \]
Теперь из данного равенства следует \[ \begin{aligned} f(x+a)-[f(x+a)]^2 &=\frac14-\left(f(x+a)-\frac12\right)^2\\ &=\frac14-\bigl(f(x)-[f(x)]^2\bigr)\\ &=\left(f(x)-\frac12\right)^2. \end{aligned} \] Применяя равенство ещё раз, получаем \[ \begin{aligned} f(x+2a) &=\frac12+\sqrt{f(x+a)-[f(x+a)]^2}\\ &=\frac12+\left|f(x)-\frac12\right|\\ &=f(x), \end{aligned} \] где в последнем равенстве использовано неравенство \(f(x)\ge\frac12\). Поскольку \(2a>0\), периодичность доказана.
(b) Определим для каждого действительного \(x\) \[ f(x)=\frac12+\frac12\left|\sin\frac{\pi x}{2}\right|. \] Тогда \[ f(x)-[f(x)]^2 =\frac14\left(1-\sin^2\frac{\pi x}{2}\right) =\frac14\cos^2\frac{\pi x}{2}. \] Следовательно, \[ \begin{aligned} \frac12+\sqrt{f(x)-[f(x)]^2} &=\frac12+\frac12\left|\cos\frac{\pi x}{2}\right|\\ &=\frac12+\frac12\left|\sin\frac{\pi(x+1)}{2}\right|\\ &=f(x+1). \end{aligned} \] Таким образом, требуемое равенство выполняется для всех действительных \(x\) при \(a=1\). Наконец, \(f(0)=\frac12\) и \(f(1)=1\), поэтому \(f\) непостоянна.
Решение проверено по архиву решений IMO Джона Скоулза (Kalva).
IMO 1968 · المسألة 5
لتكن \(f\) دالة ذات قيم حقيقية معرّفة لجميع الأعداد الحقيقية \(x\)، بحيث يوجد ثابت موجب \(a\) تتحقق معه المعادلة \[ f(x+a)=\frac12+\sqrt{f(x)-[f(x)]^2} \] لجميع قيم \(x\).
(أ) أثبت أن الدالة \(f\) دورية (أي يوجد عدد موجب \(b\) بحيث \(f(x+b)=f(x)\) لجميع قيم \(x\)).
(ب) عندما \(a=1\)، أعط مثالًا لدالة غير ثابتة لها الخواص المطلوبة.
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الإجابة
(أ) أحد أدوار الدالة هو \(b=2a\).
(ب) أحد الأمثلة هو \[ \boxed{f(x)=\frac12+\frac12\left|\sin\frac{\pi x}{2}\right|.} \]
الحل
(أ) بما أن الجذر التربيعي حقيقي، فإن لدينا \[ f(x)-[f(x)]^2\ge 0, \] ومن ثم \(0\le f(x)\le1\). كذلك، بتطبيق المعادلة المعطاة عند \(x-a\) نحصل على \[ f(x)=\frac12+\sqrt{f(x-a)-[f(x-a)]^2}\ge\frac12. \] إذن \[ \frac12\le f(x)\le1\qquad\text{لكل عدد حقيقي }x. \]
تعطينا المعادلة المعطاة الآن \[ \begin{aligned} f(x+a)-[f(x+a)]^2 &=\frac14-\left(f(x+a)-\frac12\right)^2\\ &=\frac14-\bigl(f(x)-[f(x)]^2\bigr)\\ &=\left(f(x)-\frac12\right)^2. \end{aligned} \] وبتطبيق المعادلة مرة أخرى، نحصل على \[ \begin{aligned} f(x+2a) &=\frac12+\sqrt{f(x+a)-[f(x+a)]^2}\\ &=\frac12+\left|f(x)-\frac12\right|\\ &=f(x), \end{aligned} \] حيث استخدمنا في المساواة الأخيرة أن \(f(x)\ge\frac12\). وبما أن \(2a>0\)، فهذا يثبت دورية الدالة.
(ب) نعرّف، لكل عدد حقيقي \(x\)، \[ f(x)=\frac12+\frac12\left|\sin\frac{\pi x}{2}\right|. \] عندئذ \[ f(x)-[f(x)]^2 =\frac14\left(1-\sin^2\frac{\pi x}{2}\right) =\frac14\cos^2\frac{\pi x}{2}. \] وبالتالي، \[ \begin{aligned} \frac12+\sqrt{f(x)-[f(x)]^2} &=\frac12+\frac12\left|\cos\frac{\pi x}{2}\right|\\ &=\frac12+\frac12\left|\sin\frac{\pi(x+1)}{2}\right|\\ &=f(x+1). \end{aligned} \] إذن تتحقق المعادلة المطلوبة لكل عدد حقيقي \(x\) عندما \(a=1\). وأخيرًا، \(f(0)=\frac12\) و\(f(1)=1\)، لذا فإن \(f\) غير ثابتة.
تمت مراجعة الحل بمقارنته بأرشيف حلول IMO لجون سكولز (Kalva).