IMO 1977 · Problem 6
Let \(f(n)\) be a function defined on the set of all positive integers and having all its values in the same set. Prove that if \[ f(n+1)>f(f(n)) \] for each positive integer \(n\), then \[ f(n)=n\quad\text{for each }n. \]
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Solution
We first prove by induction on \(k\) that \[ f(m)\ge k\qquad\text{for every integer }m\ge k. \] For \(k=1\), this follows because all values of \(f\) are positive integers.
Suppose the claim holds for some \(k\ge1\), and let \(m\ge k+1\). Since \(m-1\ge k\), the induction hypothesis gives \(f(m-1)\ge k\). Applying the same hypothesis to the argument \(f(m-1)\), we obtain \[ f(f(m-1))\ge k. \] Consequently, \[ f(m)>f(f(m-1))\ge k. \] As \(f(m)\) is an integer, \(f(m)\ge k+1\), completing the induction. Taking \(k=m\), we conclude that \[ f(m)\ge m\qquad\text{for every positive integer }m. \]
In particular, applying this bound at \(m=f(n)\) gives \[ f(n+1)>f(f(n))\ge f(n). \] Thus \(f\) is strictly increasing.
Now fix any positive integer \(n\). If \(f(n)\ge n+1\), monotonicity would imply \[ f(f(n))\ge f(n+1), \] contrary to the given inequality. Hence \(f(n)<n+1\), so \(f(n)\le n\). Together with \(f(n)\ge n\), this proves \[ \boxed{f(n)=n\quad\text{for every positive integer }n.} \]
The solution was checked against John Scholes' IMO solution archive (Kalva).
IMO 1977 · Aufgabe 6
Sei \(f(n)\) eine auf der Menge aller positiven ganzen Zahlen definierte Funktion, deren Werte sämtlich in derselben Menge liegen. Beweise, dass aus \[ f(n+1)>f(f(n)) \] für jede positive ganze Zahl \(n\) folgt, dass \[ f(n)=n\quad\text{für jedes }n. \]
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Lösung
Wir beweisen zunächst durch vollständige Induktion über \(k\), dass \[ f(m)\ge k\qquad\text{für jede ganze Zahl }m\ge k. \] Für \(k=1\) folgt dies daraus, dass alle Werte von \(f\) positive ganze Zahlen sind.
Angenommen, die Behauptung gilt für ein \(k\ge1\), und sei \(m\ge k+1\). Wegen \(m-1\ge k\) liefert die Induktionsvoraussetzung \(f(m-1)\ge k\). Wenden wir dieselbe Voraussetzung auf das Argument \(f(m-1)\) an, so erhalten wir \[ f(f(m-1))\ge k. \] Folglich gilt \[ f(m)>f(f(m-1))\ge k. \] Da \(f(m)\) eine ganze Zahl ist, gilt \(f(m)\ge k+1\), womit die Induktion abgeschlossen ist. Mit \(k=m\) schließen wir, dass \[ f(m)\ge m\qquad\text{für jede positive ganze Zahl }m. \]
Insbesondere ergibt die Anwendung dieser Schranke auf \(m=f(n)\) \[ f(n+1)>f(f(n))\ge f(n). \] Somit ist \(f\) streng monoton steigend.
Sei nun \(n\) eine beliebige feste positive ganze Zahl. Wäre \(f(n)\ge n+1\), so würde aus der Monotonie \[ f(f(n))\ge f(n+1), \] folgen, im Widerspruch zur gegebenen Ungleichung. Daher gilt \(f(n)<n+1\), also \(f(n)\le n\). Zusammen mit \(f(n)\ge n\) beweist dies \[ \boxed{f(n)=n\quad\text{für jede positive ganze Zahl }n.} \]
Die Lösung wurde mit dem IMO-Lösungsarchiv von John Scholes (Kalva) abgeglichen.
IMO 1977 · Soru 6
\(f(n)\), tüm pozitif tam sayılar kümesinde tanımlı ve tüm değerleri yine bu kümede olan bir fonksiyon olsun. Her pozitif \(n\) tam sayısı için \[ f(n+1)>f(f(n)) \] ise \[ f(n)=n\quad\text{her biri için }n \] olduğunu kanıtlayınız.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Çözüm
Önce \(k\) üzerinden tümevarımla \[ f(m)\ge k\qquad\text{tüm tam sayılar için }m\ge k \] olduğunu kanıtlayalım. \(k=1\) için bu, \(f\)'nin tüm değerlerinin pozitif tam sayılar olmasından çıkar.
İddianın bir \(k\ge1\) için doğru olduğunu varsayalım ve \(m\ge k+1\) olsun. \(m-1\ge k\) olduğundan, tümevarım varsayımı \(f(m-1)\ge k\) verir. Aynı varsayımı \(f(m-1)\) değerine uygulayarak \[ f(f(m-1))\ge k \] elde ederiz. Dolayısıyla, \[ f(m)>f(f(m-1))\ge k. \] \(f(m)\) bir tam sayı olduğundan \(f(m)\ge k+1\) olur ve tümevarım tamamlanır. \(k=m\) alarak \[ f(m)\ge m\qquad\text{tüm pozitif tam sayılar için }m \] sonucuna ulaşırız.
Özel olarak, bu sınırı \(m=f(n)\) için uygulamak \[ f(n+1)>f(f(n))\ge f(n) \] verir. Böylece \(f\) kesin artandır.
Şimdi herhangi bir pozitif \(n\) tam sayısını sabitleyelim. \(f(n)\ge n+1\) olsaydı, monotonluktan \[ f(f(n))\ge f(n+1), \] elde edilirdi; bu da verilen eşitsizlikle çelişir. Dolayısıyla \(f(n)<n+1\), yani \(f(n)\le n\) olur. Bu, \(f(n)\ge n\) ile birlikte \[ \boxed{f(n)=n\quad\text{tüm pozitif tam sayılar için }n} \] olduğunu kanıtlar.
Çözüm, John Scholes'un IMO çözüm arşiviyle (Kalva) karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 1977 · Problema 6
Sea \(f(n)\) una función definida en el conjunto de todos los enteros positivos y cuyos valores pertenecen al mismo conjunto. Demostrar que, si \[ f(n+1)>f(f(n)) \] para cada entero positivo \(n\), entonces \[ f(n)=n\quad\text{para cada }n. \]
Enunciado traducido del texto oficial en inglés. Enunciado oficial (PDF)
Solución
Primero demostraremos por inducción sobre \(k\) que \[ f(m)\ge k\qquad\text{para todo entero }m\ge k. \] Para \(k=1\), esto se cumple porque todos los valores de \(f\) son enteros positivos.
Supongamos que la afirmación se cumple para algún \(k\ge1\), y sea \(m\ge k+1\). Como \(m-1\ge k\), la hipótesis de inducción da \(f(m-1)\ge k\). Aplicando la misma hipótesis al argumento \(f(m-1)\), obtenemos \[ f(f(m-1))\ge k. \] En consecuencia, \[ f(m)>f(f(m-1))\ge k. \] Como \(f(m)\) es un entero, \(f(m)\ge k+1\), lo que completa la inducción. Tomando \(k=m\), concluimos que \[ f(m)\ge m\qquad\text{para todo entero positivo }m. \]
En particular, al aplicar esta cota a \(m=f(n)\), obtenemos \[ f(n+1)>f(f(n))\ge f(n). \] Por tanto, \(f\) es estrictamente creciente.
Fijemos ahora un entero positivo cualquiera \(n\). Si \(f(n)\ge n+1\), la monotonía implicaría \[ f(f(n))\ge f(n+1), \] en contradicción con la desigualdad dada. Por tanto, \(f(n)<n+1\), de modo que \(f(n)\le n\). Junto con \(f(n)\ge n\), esto demuestra que \[ \boxed{f(n)=n\quad\text{para todo entero positivo }n.} \]
La solución se comprobó con el archivo de soluciones de la IMO de John Scholes (Kalva).
IMO 1977 · 问题 6
设 \(f(n)\) 是定义在全体正整数集合上且取值也均为正整数的函数。证明:如果对于每个正整数 \(n\),都有 \[ f(n+1)>f(f(n)) \] 成立,那么 \[ f(n)=n\quad\text{对每个 }n. \]
题目译自官方英文原文。 官方试卷 (PDF)
解答
首先对 \(k\) 用数学归纳法证明 \[ f(m)\ge k\qquad\text{对每个整数 }m\ge k. \] 当 \(k=1\) 时,由于 \(f\) 的所有值均为正整数,结论成立。
假设结论对某个 \(k\ge1\) 成立,并设 \(m\ge k+1\)。由于 \(m-1\ge k\),由归纳假设可得 \(f(m-1)\ge k\)。对自变量 \(f(m-1)\) 应用同一归纳假设,得到 \[ f(f(m-1))\ge k. \] 从而, \[ f(m)>f(f(m-1))\ge k. \] 由于 \(f(m)\) 是整数,所以 \(f(m)\ge k+1\),归纳证明完成。取 \(k=m\),可得 \[ f(m)\ge m\qquad\text{对每个正整数 }m. \]
特别地,在 \(m=f(n)\) 处应用这一不等式,得到 \[ f(n+1)>f(f(n))\ge f(n). \] 因此,\(f\) 严格递增。
现在任取一个正整数 \(n\)。若 \(f(n)\ge n+1\),则由单调性可得 \[ f(f(n))\ge f(n+1), \] 这与已知不等式矛盾。因此 \(f(n)<n+1\),故 \(f(n)\le n\)。结合 \(f(n)\ge n\),可证得 \[ \boxed{f(n)=n\quad\text{对每个正整数 }n.} \]
解答已与 John Scholes 的 IMO 解答档案(Kalva)核对。
IMO 1977 · Задача 6
Пусть \(f(n)\) — функция, определённая на множестве всех положительных целых чисел и принимающая значения в том же множестве. Докажите, что если \[ f(n+1)>f(f(n)) \] для каждого положительного целого числа \(n\), то \[ f(n)=n\quad\text{для каждого }n. \]
Условие переведено с официального английского текста. Официальный текст задач (PDF)
Решение
Сначала докажем индукцией по \(k\), что \[ f(m)\ge k\qquad\text{для любого целого }m\ge k. \] При \(k=1\) это следует из того, что все значения функции \(f\) — положительные целые числа.
Предположим, что утверждение верно для некоторого \(k\ge1\), и пусть \(m\ge k+1\). Поскольку \(m-1\ge k\), по предположению индукции \(f(m-1)\ge k\). Применяя то же предположение к аргументу \(f(m-1)\), получаем \[ f(f(m-1))\ge k. \] Следовательно, \[ f(m)>f(f(m-1))\ge k. \] Поскольку \(f(m)\) — целое число, имеем \(f(m)\ge k+1\), что завершает индукцию. Полагая \(k=m\), заключаем, что \[ f(m)\ge m\qquad\text{для любого положительного целого }m. \]
В частности, применяя эту оценку при \(m=f(n)\), получаем \[ f(n+1)>f(f(n))\ge f(n). \] Таким образом, \(f\) строго возрастает.
Теперь зафиксируем произвольное положительное целое число \(n\). Если бы \(f(n)\ge n+1\), то из монотонности следовало бы \[ f(f(n))\ge f(n+1), \] что противоречит данному неравенству. Поэтому \(f(n)<n+1\), откуда \(f(n)\le n\). Вместе с \(f(n)\ge n\) это доказывает \[ \boxed{f(n)=n\quad\text{для любого положительного целого }n.} \]
Решение проверено по архиву решений IMO Джона Скоулза (Kalva).
IMO 1977 · المسألة 6
لتكن \(f(n)\) دالة معرّفة على مجموعة جميع الأعداد الصحيحة الموجبة وتأخذ جميع قيمها في المجموعة نفسها. أثبت أنه إذا كان \[ f(n+1)>f(f(n)) \] لكل عدد صحيح موجب \(n\)، فإن \[ f(n)=n\quad\text{لكل }n. \]
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الحل
نثبت أولًا بالاستقراء على \(k\) أن \[ f(m)\ge k\qquad\text{لكل عدد صحيح }m\ge k. \] عندما \(k=1\)، ينتج ذلك من كون جميع قيم \(f\) أعدادًا صحيحة موجبة.
افترض أن الدعوى صحيحة لقيمة ما \(k\ge1\)، وليكن \(m\ge k+1\). بما أن \(m-1\ge k\)، فإن فرضية الاستقراء تعطينا \(f(m-1)\ge k\). وبتطبيق الفرضية نفسها على المدخل \(f(m-1)\)، نحصل على \[ f(f(m-1))\ge k. \] وبناءً عليه، \[ f(m)>f(f(m-1))\ge k. \] ولأن \(f(m)\) عدد صحيح، فإن \(f(m)\ge k+1\)، وبذلك يكتمل الاستقراء. وبأخذ \(k=m\)، نستنتج أن \[ f(m)\ge m\qquad\text{لكل عدد صحيح موجب }m. \]
على وجه الخصوص، بتطبيق هذا الحد عند \(m=f(n)\) نحصل على \[ f(n+1)>f(f(n))\ge f(n). \] إذن \(f\) متزايدة تمامًا.
لنثبّت الآن أي عدد صحيح موجب \(n\). إذا كان \(f(n)\ge n+1\)، فإن التزايد يستلزم \[ f(f(n))\ge f(n+1), \] وهذا يناقض المتباينة المعطاة. ومن ثم \(f(n)<n+1\)، لذا \(f(n)\le n\). وبضم ذلك إلى \(f(n)\ge n\)، نثبت أن \[ \boxed{f(n)=n\quad\text{لكل عدد صحيح موجب }n.} \]
تمت مراجعة الحل بمقارنته بأرشيف حلول IMO لجون سكولز (Kalva).