IMO 1973 · Problem 5
\(G\) is a set of non-constant functions of the real variable \(x\) of the form \[ f(x)=ax+b,\ a\text{ and }b\text{ are real numbers,} \] and \(G\) has the following properties:
(a) If \(f\) and \(g\) are in \(G\), then \(g\circ f\) is in \(G\); here \((g\circ f)(x)=g[f(x)]\).
(b) If \(f\) is in \(G\), then its inverse \(f^{-1}\) is in \(G\); here the inverse of \(f(x)=ax+b\) is \(f^{-1}(x)=(x-b)/a\).
(c) For every \(f\) in \(G\), there exists a real number \(x_f\) such that \(f(x_f)=x_f\).
Prove that there exists a real number \(k\) such that \(f(k)=k\) for all \(f\) in \(G\).
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Solution
If \(G\) is empty or every member of \(G\) is the identity function, take \(k=0\).
Otherwise, choose a nonidentity function \(f(x)=ax+b\) in \(G\). If \(a=1\), property (c) forces \(b=0\), contradicting this choice. Thus \(a\ne1\), and \(f\) has the unique fixed point \[ k=\frac{b}{1-a}. \]
Let \(g(x)=cx+d\) be any member of \(G\). The functions \(f\circ g\) and \(g\circ f\) have the same nonzero slope \(ac\). By (a) and (b), the function \[ h=(f\circ g)\circ(g\circ f)^{-1} \] belongs to \(G\). Its slope is \(1\), so \(h(x)=x+t\) for some real number \(t\). Property (c) gives a fixed point of \(h\), which forces \(t=0\). Therefore \(h\) is the identity, and hence \[ f\circ g=g\circ f. \]
Consequently, \[ f(g(k))=g(f(k))=g(k). \] Thus \(g(k)\) is a fixed point of \(f\). Since that fixed point is unique, \(g(k)=k\). As \(g\) was arbitrary, the same \(k\) is fixed by every member of \(G\). \(\square\)
The solution was checked against John Scholes' IMO solution archive (Kalva).
IMO 1973 · Aufgabe 5
\(G\) ist eine Menge nichtkonstanter Funktionen der reellen Variablen \(x\) von der Form \[ f(x)=ax+b,\ a\text{ und }b\text{ sind reelle Zahlen,} \] und \(G\) hat die folgenden Eigenschaften:
(a) Wenn \(f\) und \(g\) zu \(G\) gehören, dann gehört auch \(g\circ f\) zu \(G\); dabei ist \((g\circ f)(x)=g[f(x)]\).
(b) Wenn \(f\) zu \(G\) gehört, dann gehört auch die Umkehrfunktion \(f^{-1}\) zu \(G\); dabei ist die Umkehrfunktion von \(f(x)=ax+b\) durch \(f^{-1}(x)=(x-b)/a\) gegeben.
(c) Für jedes \(f\) in \(G\) gibt es eine reelle Zahl \(x_f\), sodass \(f(x_f)=x_f\).
Beweise, dass es eine reelle Zahl \(k\) gibt, sodass \(f(k)=k\) für alle \(f\) in \(G\) gilt.
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Lösung
Wenn \(G\) leer ist oder jedes Element von \(G\) die identische Funktion ist, wähle \(k=0\).
Andernfalls wähle eine von der identischen Funktion verschiedene Funktion \(f(x)=ax+b\) in \(G\). Wäre \(a=1\), so würde Eigenschaft (c) \(b=0\) erzwingen, im Widerspruch zu dieser Wahl. Also gilt \(a\ne1\), und \(f\) hat den eindeutigen Fixpunkt \[ k=\frac{b}{1-a}. \]
Sei \(g(x)=cx+d\) ein beliebiges Element von \(G\). Die Funktionen \(f\circ g\) und \(g\circ f\) haben dieselbe von null verschiedene Steigung \(ac\). Nach (a) und (b) gehört die Funktion \[ h=(f\circ g)\circ(g\circ f)^{-1} \] zu \(G\). Ihre Steigung ist \(1\), also gilt \(h(x)=x+t\) für eine reelle Zahl \(t\). Eigenschaft (c) liefert einen Fixpunkt von \(h\), was \(t=0\) erzwingt. Daher ist \(h\) die identische Funktion, und somit gilt \[ f\circ g=g\circ f. \]
Folglich ist \[ f(g(k))=g(f(k))=g(k). \] Somit ist \(g(k)\) ein Fixpunkt von \(f\). Da dieser Fixpunkt eindeutig ist, gilt \(g(k)=k\). Da \(g\) beliebig war, ist dasselbe \(k\) ein Fixpunkt jedes Elements von \(G\). \(\square\)
Die Lösung wurde mit dem IMO-Lösungsarchiv von John Scholes (Kalva) abgeglichen.
IMO 1973 · Soru 5
\(G\), \(x\) gerçel değişkenine bağlı, \[ f(x)=ax+b,\ a\text{ ve }b\text{ gerçel sayılardır,} \] biçimindeki sabit olmayan fonksiyonlardan oluşan bir küme olsun ve \(G\) aşağıdaki özelliklere sahip olsun:
(a) \(f\) ve \(g\), \(G\) kümesindeyse \(g\circ f\) de \(G\) kümesindedir; burada \((g\circ f)(x)=g[f(x)]\) olur.
(b) \(f\), \(G\) kümesindeyse tersi \(f^{-1}\) de \(G\) kümesindedir; burada \(f(x)=ax+b\) fonksiyonunun tersi \(f^{-1}(x)=(x-b)/a\) olur.
(c) \(G\) kümesindeki her \(f\) için, \(f(x_f)=x_f\) olacak şekilde bir \(x_f\) gerçel sayısı vardır.
\(G\) kümesindeki tüm \(f\) fonksiyonları için \(f(k)=k\) olacak şekilde bir \(k\) gerçel sayısının var olduğunu kanıtlayınız.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Çözüm
\(G\) boşsa veya \(G\) kümesinin her elemanı birim fonksiyonsa \(k=0\) alalım.
Aksi hâlde, \(G\) kümesinden birim fonksiyondan farklı bir \(f(x)=ax+b\) fonksiyonu seçelim. \(a=1\) olsaydı, (c) özelliği \(b=0\) olmasını gerektirirdi; bu da seçimimizle çelişirdi. Dolayısıyla \(a\ne1\) olur ve \(f\) fonksiyonunun tek sabit noktası \[ k=\frac{b}{1-a} \] olur.
\(g(x)=cx+d\), \(G\) kümesinin herhangi bir elemanı olsun. \(f\circ g\) ve \(g\circ f\) fonksiyonlarının sıfırdan farklı eğimleri aynı olup \(ac\) değerine eşittir. (a) ve (b) özelliklerine göre, \[ h=(f\circ g)\circ(g\circ f)^{-1} \] fonksiyonu \(G\) kümesine aittir. Eğimi \(1\) olduğundan, bir \(t\) gerçel sayısı için \(h(x)=x+t\) olur. (c) özelliği \(h\) fonksiyonunun bir sabit noktası olduğunu söyler; bu da \(t=0\) olmasını gerektirir. Dolayısıyla \(h\) birim fonksiyondur ve buradan \[ f\circ g=g\circ f \] elde edilir.
Sonuç olarak, \[ f(g(k))=g(f(k))=g(k). \] Dolayısıyla \(g(k)\), \(f\) fonksiyonunun bir sabit noktasıdır. Bu sabit nokta tek olduğundan \(g(k)=k\) olur. \(g\) keyfî seçildiği için, aynı \(k\) noktası \(G\) kümesinin her elemanının sabit noktasıdır. \(\square\)
Çözüm, John Scholes'un IMO çözüm arşiviyle (Kalva) karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 1973 · Problema 5
\(G\) es un conjunto de funciones no constantes de la variable real \(x\) de la forma \[ f(x)=ax+b,\ a\text{ y }b\text{ son números reales,} \] y \(G\) tiene las siguientes propiedades:
(a) Si \(f\) y \(g\) pertenecen a \(G\), entonces \(g\circ f\) pertenece a \(G\); aquí \((g\circ f)(x)=g[f(x)]\).
(b) Si \(f\) pertenece a \(G\), entonces su inversa \(f^{-1}\) pertenece a \(G\); aquí la inversa de \(f(x)=ax+b\) es \(f^{-1}(x)=(x-b)/a\).
(c) Para toda \(f\) de \(G\), existe un número real \(x_f\) tal que \(f(x_f)=x_f\).
Demostrar que existe un número real \(k\) tal que \(f(k)=k\) para toda \(f\) de \(G\).
Enunciado traducido del texto oficial en inglés. Enunciado oficial (PDF)
Solución
Si \(G\) es vacío o todos los elementos de \(G\) son la función identidad, tomemos \(k=0\).
En caso contrario, elijamos una función \(f(x)=ax+b\) de \(G\) distinta de la identidad. Si \(a=1\), la propiedad (c) obliga a que \(b=0\), lo que contradice esta elección. Por tanto, \(a\ne1\), y \(f\) tiene un único punto fijo \[ k=\frac{b}{1-a}. \]
Sea \(g(x)=cx+d\) un elemento cualquiera de \(G\). Las funciones \(f\circ g\) y \(g\circ f\) tienen la misma pendiente no nula \(ac\). Por (a) y (b), la función \[ h=(f\circ g)\circ(g\circ f)^{-1} \] pertenece a \(G\). Su pendiente es \(1\), de modo que \(h(x)=x+t\) para algún número real \(t\). La propiedad (c) proporciona un punto fijo de \(h\), lo que obliga a que \(t=0\). Por tanto, \(h\) es la identidad, y en consecuencia \[ f\circ g=g\circ f. \]
Por consiguiente, \[ f(g(k))=g(f(k))=g(k). \] Así, \(g(k)\) es un punto fijo de \(f\). Como ese punto fijo es único, \(g(k)=k\). Puesto que \(g\) era arbitraria, el mismo \(k\) es un punto fijo de todos los elementos de \(G\). \(\square\)
La solución se comprobó con el archivo de soluciones de la IMO de John Scholes (Kalva).
IMO 1973 · 问题 5
\(G\) 是由实变量 \(x\) 的形如 \[ f(x)=ax+b,\ a\text{ 和 }b\text{ 为实数,} \] 的非常值函数组成的集合,且 \(G\) 具有以下性质:
(a) 若 \(f\) 和 \(g\) 属于 \(G\),则 \(g\circ f\) 属于 \(G\);这里 \((g\circ f)(x)=g[f(x)]\)。
(b) 若 \(f\) 属于 \(G\),则其反函数 \(f^{-1}\) 属于 \(G\);这里,\(f(x)=ax+b\) 的反函数为 \(f^{-1}(x)=(x-b)/a\)。
(c) 对于 \(G\) 中的每个 \(f\),存在实数 \(x_f\),使得 \(f(x_f)=x_f\)。
证明:存在实数 \(k\),使得对 \(G\) 中的所有 \(f\),都有 \(f(k)=k\)。
题目译自官方英文原文。 官方试卷 (PDF)
解答
若 \(G\) 为空集,或 \(G\) 中的每个元素都是恒等函数,则取 \(k=0\)。
否则,在 \(G\) 中选取一个非恒等函数 \(f(x)=ax+b\)。若 \(a=1\),则由性质 (c) 必有 \(b=0\),与所选函数非恒等矛盾。因此 \(a\ne1\),且 \(f\) 有唯一的不动点 \[ k=\frac{b}{1-a}. \]
设 \(g(x)=cx+d\) 为 \(G\) 中任意一个元素。函数 \(f\circ g\) 和 \(g\circ f\) 具有相同的非零斜率 \(ac\)。由 (a) 和 (b),函数 \[ h=(f\circ g)\circ(g\circ f)^{-1} \] 属于 \(G\)。它的斜率为 \(1\),所以存在实数 \(t\),使 \(h(x)=x+t\)。由性质 (c),\(h\) 有不动点,故必有 \(t=0\)。因此,\(h\) 是恒等函数,从而 \[ f\circ g=g\circ f. \]
于是, \[ f(g(k))=g(f(k))=g(k). \] 因此,\(g(k)\) 是 \(f\) 的不动点。由于该不动点唯一,\(g(k)=k\)。由 \(g\) 的任意性,同一个 \(k\) 是 \(G\) 中每个元素的不动点。\(\square\)
解答已与 John Scholes 的 IMO 解答档案(Kalva)核对。
IMO 1973 · Задача 5
\(G\) — множество непостоянных функций действительной переменной \(x\) вида \[ f(x)=ax+b,\ a\text{ и }b\text{ — действительные числа,} \] причём \(G\) обладает следующими свойствами:
(a) Если \(f\) и \(g\) принадлежат \(G\), то \(g\circ f\) принадлежит \(G\); здесь \((g\circ f)(x)=g[f(x)]\).
(b) Если \(f\) принадлежит \(G\), то обратная к ней функция \(f^{-1}\) принадлежит \(G\); здесь обратной к \(f(x)=ax+b\) является функция \(f^{-1}(x)=(x-b)/a\).
(c) Для каждой функции \(f\) из \(G\) существует действительное число \(x_f\), такое, что \(f(x_f)=x_f\).
Докажите, что существует действительное число \(k\), такое, что \(f(k)=k\) для всех \(f\) из \(G\).
Условие переведено с официального английского текста. Официальный текст задач (PDF)
Решение
Если \(G\) пусто или каждый элемент \(G\) является тождественной функцией, возьмём \(k=0\).
В противном случае выберем в \(G\) функцию \(f(x)=ax+b\), отличную от тождественной. Если \(a=1\), то из свойства (c) следует \(b=0\), что противоречит этому выбору. Таким образом, \(a\ne1\), и \(f\) имеет единственную неподвижную точку \[ k=\frac{b}{1-a}. \]
Пусть \(g(x)=cx+d\) — произвольный элемент \(G\). Функции \(f\circ g\) и \(g\circ f\) имеют один и тот же ненулевой угловой коэффициент \(ac\). В силу (a) и (b) функция \[ h=(f\circ g)\circ(g\circ f)^{-1} \] принадлежит \(G\). Её угловой коэффициент равен \(1\), поэтому \(h(x)=x+t\) для некоторого действительного числа \(t\). По свойству (c) у \(h\) есть неподвижная точка, откуда \(t=0\). Поэтому \(h\) — тождественная функция, а значит, \[ f\circ g=g\circ f. \]
Следовательно, \[ f(g(k))=g(f(k))=g(k). \] Таким образом, \(g(k)\) — неподвижная точка \(f\). Поскольку эта неподвижная точка единственна, \(g(k)=k\). Так как \(g\) была произвольной, одно и то же число \(k\) является неподвижной точкой каждого элемента \(G\). \(\square\)
Решение проверено по архиву решений IMO Джона Скоулза (Kalva).
IMO 1973 · المسألة 5
\(G\) مجموعة من الدوال غير الثابتة في المتغير الحقيقي \(x\) من الشكل \[ f(x)=ax+b,\ a\text{ و }b\text{ عددان حقيقيان،} \] وتتمتع \(G\) بالخصائص الآتية:
(a) إذا كانت \(f\) و\(g\) تنتميان إلى \(G\)، فإن \(g\circ f\) تنتمي إلى \(G\)؛ حيث \((g\circ f)(x)=g[f(x)]\).
(b) إذا كانت \(f\) تنتمي إلى \(G\)، فإن دالتها العكسية \(f^{-1}\) تنتمي إلى \(G\)؛ حيث الدالة العكسية لـ \(f(x)=ax+b\) هي \(f^{-1}(x)=(x-b)/a\).
(c) لكل \(f\) في \(G\)، يوجد عدد حقيقي \(x_f\) بحيث \(f(x_f)=x_f\).
أثبت أنه يوجد عدد حقيقي \(k\) بحيث \(f(k)=k\) لكل \(f\) في \(G\).
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الحل
إذا كانت \(G\) فارغة أو كان كل عنصر من \(G\) هو دالة الهوية، نأخذ \(k=0\).
وإلا، نختار دالة \(f(x)=ax+b\) في \(G\) تختلف عن دالة الهوية. إذا كان \(a=1\)، فإن الخاصية (c) تستلزم \(b=0\)، وهذا يناقض هذا الاختيار. إذن \(a\ne1\)، وللدالة \(f\) نقطة ثابتة وحيدة هي \[ k=\frac{b}{1-a}. \]
لتكن \(g(x)=cx+d\) أي عنصر من \(G\). للدالتين \(f\circ g\) و\(g\circ f\) الميل نفسه غير الصفري \(ac\). بموجب (a) و(b)، فإن الدالة \[ h=(f\circ g)\circ(g\circ f)^{-1} \] تنتمي إلى \(G\). وميلها هو \(1\)، لذا \(h(x)=x+t\) لعدد حقيقي \(t\). تضمن الخاصية (c) وجود نقطة ثابتة للدالة \(h\)، وهذا يستلزم \(t=0\). لذلك تكون \(h\) دالة الهوية، ومن ثم \[ f\circ g=g\circ f. \]
وبالتالي، \[ f(g(k))=g(f(k))=g(k). \] إذن \(g(k)\) نقطة ثابتة للدالة \(f\). وبما أن تلك النقطة الثابتة وحيدة، فإن \(g(k)=k\). ولأن \(g\) كانت اعتباطية، فإن \(k\) نفسها نقطة ثابتة لكل عنصر من \(G\). \(\square\)
تمت مراجعة الحل بمقارنته بأرشيف حلول IMO لجون سكولز (Kalva).