IMO 1976 · Problem 2
Let \(P_1(x)=x^2-2\) and \(P_j(x)=P_1(P_{j-1}(x))\) for \(j=2,3,\cdots\). Show that, for any positive integer \(n\), the roots of the equation \(P_n(x)=x\) are real and distinct.
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Solution
The double-angle identity gives \[ P_1(2\cos\theta)=4\cos^2\theta-2=2\cos(2\theta). \] Consequently, induction using the defining recurrence yields \[ P_n(2\cos\theta)=2\cos(2^n\theta). \]
Fix a positive integer \(n\), and put \(m=2^n\) and \[ Q(x)=P_n(x)-x. \] Each iteration doubles the degree, so \(P_n\), and hence \(Q\), has degree \(m\).
Consider the \(m+1\) real numbers \[ x_k=2\cos\frac{k\pi}{m},\qquad k=0,1,\ldots,m. \] Since cosine is strictly decreasing on \([0,\pi]\), \[ 2=x_0>x_1>\cdots>x_m=-2. \] The identity above gives \[ Q(x_k)=2\cos(k\pi)-x_k=2(-1)^k-x_k. \] Thus \(Q(x_0)=0\). For \(1\le k\le m-1\), we have \(-2<x_k<2\), so \[ Q(x_k) \begin{cases} >0,&k\text{ even},\\ <0,&k\text{ odd}. \end{cases} \] Also, \(m\) is even, and therefore \(Q(x_m)=2-(-2)=4>0\).
It follows that \(Q(x_k)\) and \(Q(x_{k+1})\) have opposite signs for every \(k=1,\ldots,m-1\). By the intermediate value theorem, \(Q\) has a root in each of the \(m-1\) disjoint intervals \[ (x_{k+1},x_k),\qquad k=1,\ldots,m-1. \] Together with the root \(x_0=2\), these give \(m\) distinct real roots.
Since \(Q\) has degree \(m\), the factor theorem shows that these account for all its roots, each with multiplicity one. Hence the roots of \(P_n(x)=x\) are all real and distinct.
The solution was checked against John Scholes' IMO solution archive (Kalva).
IMO 1976 · Aufgabe 2
Es seien \(P_1(x)=x^2-2\) und \(P_j(x)=P_1(P_{j-1}(x))\) für \(j=2,3,\cdots\). Zeige, dass für jede positive ganze Zahl \(n\) die Wurzeln der Gleichung \(P_n(x)=x\) reell und paarweise verschieden sind.
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Lösung
Die Doppelwinkelformel liefert \[ P_1(2\cos\theta)=4\cos^2\theta-2=2\cos(2\theta). \] Durch Induktion unter Verwendung der definierenden Rekursion folgt daher \[ P_n(2\cos\theta)=2\cos(2^n\theta). \]
Sei \(n\) eine feste positive ganze Zahl, und setze \(m=2^n\) sowie \[ Q(x)=P_n(x)-x. \] Jeder Iterationsschritt verdoppelt den Grad, also hat \(P_n\) und damit auch \(Q\) den Grad \(m\).
Betrachte die \(m+1\) reellen Zahlen \[ x_k=2\cos\frac{k\pi}{m},\qquad k=0,1,\ldots,m. \] Da der Kosinus auf \([0,\pi]\) streng monoton fallend ist, gilt \[ 2=x_0>x_1>\cdots>x_m=-2. \] Die obige Identität liefert \[ Q(x_k)=2\cos(k\pi)-x_k=2(-1)^k-x_k. \] Somit ist \(Q(x_0)=0\). Für \(1\le k\le m-1\) gilt \(-2<x_k<2\), also \[ Q(x_k) \begin{cases} >0,&k\text{ gerade},\\ <0,&k\text{ ungerade}. \end{cases} \] Außerdem ist \(m\) gerade, und daher gilt \(Q(x_m)=2-(-2)=4>0\).
Daraus folgt, dass \(Q(x_k)\) und \(Q(x_{k+1})\) für jedes \(k=1,\ldots,m-1\) entgegengesetzte Vorzeichen haben. Nach dem Zwischenwertsatz hat \(Q\) in jedem der \(m-1\) disjunkten Intervalle \[ (x_{k+1},x_k),\qquad k=1,\ldots,m-1 \] eine Nullstelle. Zusammen mit der Nullstelle \(x_0=2\) ergeben sich somit \(m\) paarweise verschiedene reelle Nullstellen.
Da \(Q\) den Grad \(m\) hat, folgt aus dem Satz über die Abspaltung von Linearfaktoren, dass dies alle seine Nullstellen sind und jede von ihnen die Vielfachheit eins hat. Daher sind die Wurzeln von \(P_n(x)=x\) sämtlich reell und paarweise verschieden.
Die Lösung wurde mit dem IMO-Lösungsarchiv von John Scholes (Kalva) abgeglichen.
IMO 1976 · Soru 2
\(P_1(x)=x^2-2\) ve \(j=2,3,\cdots\) için \(P_j(x)=P_1(P_{j-1}(x))\) olsun. Her pozitif \(n\) tam sayısı için \(P_n(x)=x\) denkleminin köklerinin gerçek ve birbirinden farklı olduğunu gösteriniz.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Çözüm
İki kat açı özdeşliğinden \[ P_1(2\cos\theta)=4\cos^2\theta-2=2\cos(2\theta) \] elde edilir. Dolayısıyla, tanımdaki yineleme bağıntısı kullanılarak tümevarımla \[ P_n(2\cos\theta)=2\cos(2^n\theta) \] bulunur.
Pozitif bir \(n\) tam sayısını sabitleyelim ve \(m=2^n\) ile \[ Q(x)=P_n(x)-x \] olarak tanımlayalım. Her yinelemede derece iki katına çıktığından \(P_n\)'nin, dolayısıyla \(Q\)'nun derecesi \(m\)'dir.
Şu \(m+1\) gerçek sayıyı ele alalım: \[ x_k=2\cos\frac{k\pi}{m},\qquad k=0,1,\ldots,m. \] Kosinüs fonksiyonu \([0,\pi]\) aralığında kesin azalan olduğundan \[ 2=x_0>x_1>\cdots>x_m=-2. \] Yukarıdaki özdeşlik \[ Q(x_k)=2\cos(k\pi)-x_k=2(-1)^k-x_k \] verir. Böylece \(Q(x_0)=0\) olur. \(1\le k\le m-1\) için \(-2<x_k<2\) olduğundan \[ Q(x_k) \begin{cases} >0,&k\text{ çift},\\ <0,&k\text{ tek}. \end{cases} \] Ayrıca \(m\) çifttir ve dolayısıyla \(Q(x_m)=2-(-2)=4>0\) olur.
Buna göre her \(k=1,\ldots,m-1\) için \(Q(x_k)\) ve \(Q(x_{k+1})\) zıt işaretlidir. Ara değer teoremine göre \(Q\)'nun, birbirinden ayrık olan şu \(m-1\) aralığın her birinde bir kökü vardır: \[ (x_{k+1},x_k),\qquad k=1,\ldots,m-1. \] Bunlar, \(x_0=2\) köküyle birlikte \(m\) farklı gerçek kök verir.
\(Q\)'nun derecesi \(m\) olduğundan, çarpan teoremi bunların tüm kökleri oluşturduğunu ve her birinin katlılığının bir olduğunu gösterir. Dolayısıyla \(P_n(x)=x\) denkleminin tüm kökleri gerçek ve birbirinden farklıdır.
Çözüm, John Scholes'un IMO çözüm arşiviyle (Kalva) karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 1976 · Problema 2
Sean \(P_1(x)=x^2-2\) y \(P_j(x)=P_1(P_{j-1}(x))\) para \(j=2,3,\cdots\). Demostrar que, para cualquier entero positivo \(n\), las raíces de la ecuación \(P_n(x)=x\) son reales y distintas.
Enunciado traducido del texto oficial en inglés. Enunciado oficial (PDF)
Solución
La identidad del ángulo doble da \[ P_1(2\cos\theta)=4\cos^2\theta-2=2\cos(2\theta). \] Por consiguiente, por inducción, usando la relación de recurrencia que define la sucesión, se obtiene \[ P_n(2\cos\theta)=2\cos(2^n\theta). \]
Fijemos un entero positivo \(n\), y sean \(m=2^n\) y \[ Q(x)=P_n(x)-x. \] Cada iteración duplica el grado, por lo que \(P_n\), y por tanto \(Q\), tiene grado \(m\).
Consideremos los \(m+1\) números reales \[ x_k=2\cos\frac{k\pi}{m},\qquad k=0,1,\ldots,m. \] Como el coseno es estrictamente decreciente en \([0,\pi]\), \[ 2=x_0>x_1>\cdots>x_m=-2. \] La identidad anterior da \[ Q(x_k)=2\cos(k\pi)-x_k=2(-1)^k-x_k. \] Así, \(Q(x_0)=0\). Para \(1\le k\le m-1\), tenemos \(-2<x_k<2\), de modo que \[ Q(x_k) \begin{cases} >0,&k\text{ par},\\ <0,&k\text{ impar}. \end{cases} \] Además, \(m\) es par y, por tanto, \(Q(x_m)=2-(-2)=4>0\).
Se sigue que \(Q(x_k)\) y \(Q(x_{k+1})\) tienen signos opuestos para todo \(k=1,\ldots,m-1\). Por el teorema del valor intermedio, \(Q\) tiene una raíz en cada uno de los \(m-1\) intervalos disjuntos \[ (x_{k+1},x_k),\qquad k=1,\ldots,m-1. \] Junto con la raíz \(x_0=2\), estas constituyen \(m\) raíces reales distintas.
Como \(Q\) tiene grado \(m\), el teorema del factor muestra que estas son todas sus raíces, cada una de multiplicidad uno. Por tanto, todas las raíces de \(P_n(x)=x\) son reales y distintas.
La solución se comprobó con el archivo de soluciones de la IMO de John Scholes (Kalva).
IMO 1976 · 问题 2
设 \(P_1(x)=x^2-2\),且 \(P_j(x)=P_1(P_{j-1}(x))\),其中 \(j=2,3,\cdots\)。证明:对任意正整数 \(n\),方程 \(P_n(x)=x\) 的根均为实数且互不相同。
题目译自官方英文原文。 官方试卷 (PDF)
解答
由倍角公式, \[ P_1(2\cos\theta)=4\cos^2\theta-2=2\cos(2\theta). \] 因此,利用定义中的递推关系作数学归纳,可得 \[ P_n(2\cos\theta)=2\cos(2^n\theta). \]
固定一个正整数 \(n\),令 \(m=2^n\),并令 \[ Q(x)=P_n(x)-x. \] 每次迭代都使次数加倍,所以 \(P_n\) 的次数为 \(m\),从而 \(Q\) 的次数也为 \(m\)。
考虑以下 \(m+1\) 个实数: \[ x_k=2\cos\frac{k\pi}{m},\qquad k=0,1,\ldots,m. \] 由于余弦函数在 \([0,\pi]\) 上严格递减, \[ 2=x_0>x_1>\cdots>x_m=-2. \] 由上述恒等式, \[ Q(x_k)=2\cos(k\pi)-x_k=2(-1)^k-x_k. \] 于是 \(Q(x_0)=0\)。当 \(1\le k\le m-1\) 时,有 \(-2<x_k<2\),故 \[ Q(x_k) \begin{cases} >0,&k\text{ 为偶数},\\ <0,&k\text{ 为奇数}. \end{cases} \] 另外,\(m\) 是偶数,因此 \(Q(x_m)=2-(-2)=4>0\)。
由此可知,对每个 \(k=1,\ldots,m-1\),\(Q(x_k)\) 与 \(Q(x_{k+1})\) 异号。由介值定理,\(Q\) 在以下 \(m-1\) 个两两不交的区间中各有一个根: \[ (x_{k+1},x_k),\qquad k=1,\ldots,m-1. \] 加上根 \(x_0=2\),就得到了 \(m\) 个互不相同的实根。
由于 \(Q\) 的次数为 \(m\),由因式定理可知,这些就是它的全部根,且每个根的重数均为一。因此,\(P_n(x)=x\) 的根均为实数且互不相同。
解答已与 John Scholes 的 IMO 解答档案(Kalva)核对。
IMO 1976 · Задача 2
Пусть \(P_1(x)=x^2-2\) и \(P_j(x)=P_1(P_{j-1}(x))\) при \(j=2,3,\cdots\). Докажите, что для любого положительного целого числа \(n\) корни уравнения \(P_n(x)=x\) действительны и попарно различны.
Условие переведено с официального английского текста. Официальный текст задач (PDF)
Решение
Формула двойного угла даёт \[ P_1(2\cos\theta)=4\cos^2\theta-2=2\cos(2\theta). \] Следовательно, по индукции с использованием заданного рекуррентного соотношения получаем \[ P_n(2\cos\theta)=2\cos(2^n\theta). \]
Зафиксируем положительное целое число \(n\) и положим \(m=2^n\) и \[ Q(x)=P_n(x)-x. \] На каждом шаге степень удваивается, поэтому степень \(P_n\), а значит, и \(Q\), равна \(m\).
Рассмотрим \(m+1\) действительных чисел \[ x_k=2\cos\frac{k\pi}{m},\qquad k=0,1,\ldots,m. \] Поскольку косинус строго убывает на \([0,\pi]\), \[ 2=x_0>x_1>\cdots>x_m=-2. \] Полученное выше тождество даёт \[ Q(x_k)=2\cos(k\pi)-x_k=2(-1)^k-x_k. \] Таким образом, \(Q(x_0)=0\). При \(1\le k\le m-1\) имеем \(-2<x_k<2\), поэтому \[ Q(x_k) \begin{cases} >0,&k\text{ чётно},\\ <0,&k\text{ нечётно}. \end{cases} \] Кроме того, \(m\) чётно, и потому \(Q(x_m)=2-(-2)=4>0\).
Отсюда следует, что \(Q(x_k)\) и \(Q(x_{k+1})\) имеют противоположные знаки при каждом \(k=1,\ldots,m-1\). По теореме о промежуточном значении \(Q\) имеет корень в каждом из \(m-1\) непересекающихся интервалов \[ (x_{k+1},x_k),\qquad k=1,\ldots,m-1. \] Вместе с корнем \(x_0=2\) они дают \(m\) попарно различных действительных корней.
Поскольку степень \(Q\) равна \(m\), по теореме Безу это все его корни, и каждый из них имеет кратность один. Следовательно, все корни уравнения \(P_n(x)=x\) действительны и попарно различны.
Решение проверено по архиву решений IMO Джона Скоулза (Kalva).
IMO 1976 · المسألة 2
لتكن \(P_1(x)=x^2-2\) و\(P_j(x)=P_1(P_{j-1}(x))\) من أجل \(j=2,3,\cdots\). أثبت أنه، لأي عدد صحيح موجب \(n\)، تكون جذور المعادلة \(P_n(x)=x\) حقيقية ومتمايزة.
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الحل
تعطي متطابقة الزاوية المضاعفة \[ P_1(2\cos\theta)=4\cos^2\theta-2=2\cos(2\theta). \] ومن ثم، يعطينا الاستقراء باستخدام العلاقة التراجعية التعريفية \[ P_n(2\cos\theta)=2\cos(2^n\theta). \]
لنثبت عددًا صحيحًا موجبًا \(n\)، ولنضع \(m=2^n\) و \[ Q(x)=P_n(x)-x. \] تتضاعف الدرجة في كل تكرار، لذا فإن درجة \(P_n\)، ومن ثم درجة \(Q\)، هي \(m\).
لننظر إلى الأعداد الحقيقية الـ\(m+1\) \[ x_k=2\cos\frac{k\pi}{m},\qquad k=0,1,\ldots,m. \] بما أن دالة جيب التمام متناقصة تمامًا على \([0,\pi]\)، فإن \[ 2=x_0>x_1>\cdots>x_m=-2. \] وتعطي المتطابقة السابقة \[ Q(x_k)=2\cos(k\pi)-x_k=2(-1)^k-x_k. \] إذن \(Q(x_0)=0\). ومن أجل \(1\le k\le m-1\)، لدينا \(-2<x_k<2\)، ومن ثم \[ Q(x_k) \begin{cases} >0,&k\text{ زوجي},\\ <0,&k\text{ فردي}. \end{cases} \] كذلك، فإن \(m\) زوجي، ولذلك \(Q(x_m)=2-(-2)=4>0\).
ينتج أن \(Q(x_k)\) و\(Q(x_{k+1})\) مختلفتا الإشارة لكل \(k=1,\ldots,m-1\). وبحسب مبرهنة القيمة المتوسطة، فإن لـ\(Q\) جذرًا في كل واحدة من الفترات الـ\(m-1\) المتباينة \[ (x_{k+1},x_k),\qquad k=1,\ldots,m-1. \] ومع الجذر \(x_0=2\)، نحصل بذلك على \(m\) جذور حقيقية متمايزة.
بما أن درجة \(Q\) هي \(m\)، فإن مبرهنة العامل تبين أن هذه هي جميع جذورها، وأن تعدد كل منها يساوي واحدًا. ومن ثم فإن جذور \(P_n(x)=x\) كلها حقيقية ومتمايزة.
تمت مراجعة الحل بمقارنته بأرشيف حلول IMO لجون سكولز (Kalva).