IMO 1977 · Problem 4
Four real constants \(a,b,A,B\) are given, and \[ f(\theta)=1-a\cos\theta-b\sin\theta-A\cos2\theta-B\sin2\theta. \] Prove that if \(f(\theta)\geq0\) for all real \(\theta\), then \[ a^2+b^2\leq2\quad\text{and}\quad A^2+B^2\leq1. \]
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Solution
By the trigonometric addition formulas, for every real \(t\), \[ 0\leq f\left(t-\frac{\pi}{4}\right)+f\left(t+\frac{\pi}{4}\right) =2-\sqrt2\,(a\cos t+b\sin t). \] Here the terms involving \(A\) and \(B\) cancel.
Let \(r=\sqrt{a^2+b^2}\). If \(r=0\), the first required inequality is immediate. Otherwise, choose \(t\) such that \[ \cos t=\frac a r,\qquad \sin t=\frac b r. \] Then \(a\cos t+b\sin t=r\), so the preceding inequality yields \[ 0\leq2-\sqrt2\,r. \] Thus \(r\leq\sqrt2\), proving \(a^2+b^2\leq2\).
Similarly, for every real \(t\), \[ 0\leq f(t)+f(t+\pi) =2-2(A\cos2t+B\sin2t). \] Let \(s=\sqrt{A^2+B^2}\). If \(s=0\), the second required inequality is immediate. Otherwise, choose \(t\) such that \[ \cos2t=\frac A s,\qquad \sin2t=\frac B s. \] The last inequality becomes \(0\leq2-2s\). Hence \(s\leq1\), proving \(A^2+B^2\leq1\).
The solution was checked against John Scholes' IMO solution archive (Kalva).
IMO 1977 · Aufgabe 4
Gegeben sind vier reelle Konstanten \(a,b,A,B\), und es sei \[ f(\theta)=1-a\cos\theta-b\sin\theta-A\cos2\theta-B\sin2\theta. \] Beweise, dass aus \(f(\theta)\geq0\) für alle reellen \(\theta\) folgt, dass \[ a^2+b^2\leq2\quad\text{und}\quad A^2+B^2\leq1. \]
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Lösung
Nach den trigonometrischen Additionstheoremen gilt für jedes reelle \(t\) \[ 0\leq f\left(t-\frac{\pi}{4}\right)+f\left(t+\frac{\pi}{4}\right) =2-\sqrt2\,(a\cos t+b\sin t). \] Dabei heben sich die Terme mit \(A\) und \(B\) auf.
Sei \(r=\sqrt{a^2+b^2}\). Ist \(r=0\), so gilt die erste zu beweisende Ungleichung unmittelbar. Andernfalls wähle \(t\) so, dass \[ \cos t=\frac a r,\qquad \sin t=\frac b r. \] Dann gilt \(a\cos t+b\sin t=r\), sodass sich aus der vorherigen Ungleichung ergibt: \[ 0\leq2-\sqrt2\,r. \] Somit ist \(r\leq\sqrt2\), womit \(a^2+b^2\leq2\) bewiesen ist.
Ebenso gilt für jedes reelle \(t\) \[ 0\leq f(t)+f(t+\pi) =2-2(A\cos2t+B\sin2t). \] Sei \(s=\sqrt{A^2+B^2}\). Ist \(s=0\), so gilt die zweite zu beweisende Ungleichung unmittelbar. Andernfalls wähle \(t\) so, dass \[ \cos2t=\frac A s,\qquad \sin2t=\frac B s. \] Die letzte Ungleichung wird zu \(0\leq2-2s\). Daher gilt \(s\leq1\), womit \(A^2+B^2\leq1\) bewiesen ist.
Die Lösung wurde mit dem IMO-Lösungsarchiv von John Scholes (Kalva) abgeglichen.
IMO 1977 · Soru 4
\(a,b,A,B\) gerçek sabitleri verilmiş olsun ve \[ f(\theta)=1-a\cos\theta-b\sin\theta-A\cos2\theta-B\sin2\theta \] olarak tanımlansın. Tüm gerçek \(\theta\) değerleri için \(f(\theta)\geq0\) ise \[ a^2+b^2\leq2\quad\text{ve}\quad A^2+B^2\leq1 \] olduğunu kanıtlayınız.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Çözüm
Trigonometrik toplam formüllerine göre, her gerçek \(t\) için \[ 0\leq f\left(t-\frac{\pi}{4}\right)+f\left(t+\frac{\pi}{4}\right) =2-\sqrt2\,(a\cos t+b\sin t) \] olur. Burada \(A\) ve \(B\) içeren terimler birbirini götürür.
\(r=\sqrt{a^2+b^2}\) olsun. \(r=0\) ise istenen ilk eşitsizlik açıktır. Aksi hâlde, \(t\)'yi \[ \cos t=\frac a r,\qquad \sin t=\frac b r \] olacak şekilde seçelim. Bu durumda \(a\cos t+b\sin t=r\) olduğundan, önceki eşitsizlikten \[ 0\leq2-\sqrt2\,r \] elde edilir. Böylece \(r\leq\sqrt2\) olur ve \(a^2+b^2\leq2\) kanıtlanır.
Benzer biçimde, her gerçek \(t\) için \[ 0\leq f(t)+f(t+\pi) =2-2(A\cos2t+B\sin2t) \] olur. \(s=\sqrt{A^2+B^2}\) olsun. \(s=0\) ise istenen ikinci eşitsizlik açıktır. Aksi hâlde, \(t\)'yi \[ \cos2t=\frac A s,\qquad \sin2t=\frac B s \] olacak şekilde seçelim. Son eşitsizlik \(0\leq2-2s\) hâline gelir. Dolayısıyla \(s\leq1\) olur ve \(A^2+B^2\leq1\) kanıtlanır.
Çözüm, John Scholes'un IMO çözüm arşiviyle (Kalva) karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 1977 · Problema 4
Se dan cuatro constantes reales \(a,b,A,B\), y \[ f(\theta)=1-a\cos\theta-b\sin\theta-A\cos2\theta-B\sin2\theta. \] Demostrar que, si \(f(\theta)\geq0\) para todo \(\theta\) real, entonces \[ a^2+b^2\leq2\quad\text{y}\quad A^2+B^2\leq1. \]
Enunciado traducido del texto oficial en inglés. Enunciado oficial (PDF)
Solución
Por las fórmulas de adición trigonométricas, para todo \(t\) real, \[ 0\leq f\left(t-\frac{\pi}{4}\right)+f\left(t+\frac{\pi}{4}\right) =2-\sqrt2\,(a\cos t+b\sin t). \] Aquí los términos que contienen \(A\) y \(B\) se cancelan.
Sea \(r=\sqrt{a^2+b^2}\). Si \(r=0\), la primera desigualdad que se pide demostrar es inmediata. En caso contrario, elijamos \(t\) tal que \[ \cos t=\frac a r,\qquad \sin t=\frac b r. \] Entonces \(a\cos t+b\sin t=r\), por lo que la desigualdad anterior da \[ 0\leq2-\sqrt2\,r. \] Así pues, \(r\leq\sqrt2\), lo que demuestra que \(a^2+b^2\leq2\).
Análogamente, para todo \(t\) real, \[ 0\leq f(t)+f(t+\pi) =2-2(A\cos2t+B\sin2t). \] Sea \(s=\sqrt{A^2+B^2}\). Si \(s=0\), la segunda desigualdad que se pide demostrar es inmediata. En caso contrario, elijamos \(t\) tal que \[ \cos2t=\frac A s,\qquad \sin2t=\frac B s. \] La última desigualdad se convierte en \(0\leq2-2s\). Por tanto, \(s\leq1\), lo que demuestra que \(A^2+B^2\leq1\).
La solución se comprobó con el archivo de soluciones de la IMO de John Scholes (Kalva).
IMO 1977 · 问题 4
给定四个实常数 \(a,b,A,B\),设 \[ f(\theta)=1-a\cos\theta-b\sin\theta-A\cos2\theta-B\sin2\theta. \] 证明:如果对所有实数 \(\theta\) 都有 \(f(\theta)\geq0\),那么 \[ a^2+b^2\leq2\quad\text{且}\quad A^2+B^2\leq1. \]
题目译自官方英文原文。 官方试卷 (PDF)
解答
由三角函数的和角公式,对任意实数 \(t\),有 \[ 0\leq f\left(t-\frac{\pi}{4}\right)+f\left(t+\frac{\pi}{4}\right) =2-\sqrt2\,(a\cos t+b\sin t). \] 这里,含有 \(A\) 和 \(B\) 的项相互抵消。
令 \(r=\sqrt{a^2+b^2}\)。若 \(r=0\),则第一个待证不等式显然成立。否则,选取 \(t\) 使得 \[ \cos t=\frac a r,\qquad \sin t=\frac b r. \] 于是 \(a\cos t+b\sin t=r\),所以前面的不等式给出 \[ 0\leq2-\sqrt2\,r. \] 因此 \(r\leq\sqrt2\),从而证得 \(a^2+b^2\leq2\)。
类似地,对任意实数 \(t\),有 \[ 0\leq f(t)+f(t+\pi) =2-2(A\cos2t+B\sin2t). \] 令 \(s=\sqrt{A^2+B^2}\)。若 \(s=0\),则第二个待证不等式显然成立。否则,选取 \(t\) 使得 \[ \cos2t=\frac A s,\qquad \sin2t=\frac B s. \] 上一个不等式变为 \(0\leq2-2s\)。因此 \(s\leq1\),从而证得 \(A^2+B^2\leq1\)。
解答已与 John Scholes 的 IMO 解答档案(Kalva)核对。
IMO 1977 · Задача 4
Даны четыре действительные постоянные \(a,b,A,B\), и \[ f(\theta)=1-a\cos\theta-b\sin\theta-A\cos2\theta-B\sin2\theta. \] Докажите, что если \(f(\theta)\geq0\) для всех действительных \(\theta\), то \[ a^2+b^2\leq2\quad\text{и}\quad A^2+B^2\leq1. \]
Условие переведено с официального английского текста. Официальный текст задач (PDF)
Решение
По тригонометрическим формулам сложения для любого действительного \(t\) \[ 0\leq f\left(t-\frac{\pi}{4}\right)+f\left(t+\frac{\pi}{4}\right) =2-\sqrt2\,(a\cos t+b\sin t). \] Здесь слагаемые, содержащие \(A\) и \(B\), взаимно уничтожаются.
Пусть \(r=\sqrt{a^2+b^2}\). Если \(r=0\), то первое требуемое неравенство очевидно. В противном случае выберем \(t\) так, чтобы \[ \cos t=\frac a r,\qquad \sin t=\frac b r. \] Тогда \(a\cos t+b\sin t=r\), поэтому из предыдущего неравенства следует \[ 0\leq2-\sqrt2\,r. \] Таким образом, \(r\leq\sqrt2\), что доказывает \(a^2+b^2\leq2\).
Аналогично для любого действительного \(t\) \[ 0\leq f(t)+f(t+\pi) =2-2(A\cos2t+B\sin2t). \] Пусть \(s=\sqrt{A^2+B^2}\). Если \(s=0\), то второе требуемое неравенство очевидно. В противном случае выберем \(t\) так, чтобы \[ \cos2t=\frac A s,\qquad \sin2t=\frac B s. \] Последнее неравенство принимает вид \(0\leq2-2s\). Следовательно, \(s\leq1\), что доказывает \(A^2+B^2\leq1\).
Решение проверено по архиву решений IMO Джона Скоулза (Kalva).
IMO 1977 · المسألة 4
أُعطيت أربعة ثوابت حقيقية \(a,b,A,B\)، ولتكن \[ f(\theta)=1-a\cos\theta-b\sin\theta-A\cos2\theta-B\sin2\theta. \] أثبت أنه إذا كان \(f(\theta)\geq0\) لكل \(\theta\) حقيقي، فإن \[ a^2+b^2\leq2\quad\text{و}\quad A^2+B^2\leq1. \]
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الحل
باستخدام صيغ جمع الزوايا في الدوال المثلثية، نجد أنه لكل \(t\) حقيقي، \[ 0\leq f\left(t-\frac{\pi}{4}\right)+f\left(t+\frac{\pi}{4}\right) =2-\sqrt2\,(a\cos t+b\sin t). \] هنا تتلاشى الحدود التي تتضمن \(A\) و\(B\).
ليكن \(r=\sqrt{a^2+b^2}\). إذا كان \(r=0\)، فإن المتباينة الأولى المطلوبة تتحقق مباشرة. وإلا، نختار \(t\) بحيث \[ \cos t=\frac a r,\qquad \sin t=\frac b r. \] عندئذ \(a\cos t+b\sin t=r\)، ومن ثم تعطينا المتباينة السابقة \[ 0\leq2-\sqrt2\,r. \] إذن \(r\leq\sqrt2\)، وهو ما يثبت \(a^2+b^2\leq2\).
وبالمثل، لكل \(t\) حقيقي، \[ 0\leq f(t)+f(t+\pi) =2-2(A\cos2t+B\sin2t). \] ليكن \(s=\sqrt{A^2+B^2}\). إذا كان \(s=0\)، فإن المتباينة الثانية المطلوبة تتحقق مباشرة. وإلا، نختار \(t\) بحيث \[ \cos2t=\frac A s,\qquad \sin2t=\frac B s. \] تصبح المتباينة الأخيرة \(0\leq2-2s\). ومن ثم \(s\leq1\)، وهو ما يثبت \(A^2+B^2\leq1\).
تمت مراجعة الحل بمقارنته بأرشيف حلول IMO لجون سكولز (Kalva).