IMO 1981 · Problem 6
The function \(f(x,y)\) satisfies \[ \begin{aligned} (1)\quad &f(0,y)=y+1,\\ (2)\quad &f(x+1,0)=f(x,1),\\ (3)\quad &f(x+1,y+1)=f(x,f(x+1,y)), \end{aligned} \] for all non-negative integers \(x,y\). Determine \(f(4,1981)\).
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Answer
\[ \boxed{f(4,1981)=T_{1984}-3}, \] where \(T_0=1\) and \(T_{n+1}=2^{T_n}\). Thus the answer is a power tower of \(1984\) twos, minus \(3\).
Solution
We determine \(f(x,y)\) successively for \(x=1,2,3,4\).
For \(x=1\), conditions (1) and (2) give \[ f(1,0)=f(0,1)=2. \] Condition (3) gives \[ f(1,y+1)=f(0,f(1,y))=f(1,y)+1. \] Consequently, induction on \(y\) yields \[ f(1,y)=y+2\qquad(y\geq0). \]
For \(x=2\), we similarly obtain \[ f(2,0)=f(1,1)=3, \qquad f(2,y+1)=f(1,f(2,y))=f(2,y)+2. \] Induction therefore gives \[ f(2,y)=2y+3\qquad(y\geq0). \]
For \(x=3\), the initial value and recurrence are \[ f(3,0)=f(2,1)=5, \qquad f(3,y+1)=f(2,f(3,y))=2f(3,y)+3. \] Thus \[ f(3,y+1)+3=2\bigl(f(3,y)+3\bigr). \] Starting from \(f(3,0)+3=8\), induction gives \[ f(3,y)+3=8\cdot2^y, \] so \[ f(3,y)=2^{y+3}-3\qquad(y\geq0). \]
Finally, \[ f(4,0)=f(3,1)=13 \] and \[ f(4,y+1)=f(3,f(4,y)) =2^{f(4,y)+3}-3. \] Put \(g_y=f(4,y)+3\). Then \[ g_0=16,\qquad g_{y+1}=2^{g_y}. \] For the sequence in the answer, \[ T_1=2,\qquad T_2=4,\qquad T_3=16. \] Hence \(g_0=T_3\). If \(g_y=T_{y+3}\), then \[ g_{y+1}=2^{T_{y+3}}=T_{y+4}. \] Induction proves \(g_y=T_{y+3}\) for every non-negative integer \(y\). Taking \(y=1981\), we conclude \[ \boxed{f(4,1981)=T_{1984}-3}. \]
The solution was checked against John Scholes' IMO solution archive (Kalva).
IMO 1981 · Aufgabe 6
Die Funktion \(f(x,y)\) erfüllt \[ \begin{aligned} (1)\quad &f(0,y)=y+1,\\ (2)\quad &f(x+1,0)=f(x,1),\\ (3)\quad &f(x+1,y+1)=f(x,f(x+1,y)), \end{aligned} \] für alle nichtnegativen ganzen Zahlen \(x,y\). Bestimme \(f(4,1981)\).
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Antwort
\[ \boxed{f(4,1981)=T_{1984}-3}, \] wobei \(T_0=1\) und \(T_{n+1}=2^{T_n}\). Die Antwort ist also ein Potenzturm aus \(1984\) Zweien, vermindert um \(3\).
Lösung
Wir bestimmen \(f(x,y)\) nacheinander für \(x=1,2,3,4\).
Für \(x=1\) liefern die Bedingungen (1) und (2) \[ f(1,0)=f(0,1)=2. \] Bedingung (3) liefert \[ f(1,y+1)=f(0,f(1,y))=f(1,y)+1. \] Folglich ergibt Induktion nach \(y\) \[ f(1,y)=y+2\qquad(y\geq0). \]
Für \(x=2\) erhalten wir ebenso \[ f(2,0)=f(1,1)=3, \qquad f(2,y+1)=f(1,f(2,y))=f(2,y)+2. \] Induktion liefert daher \[ f(2,y)=2y+3\qquad(y\geq0). \]
Für \(x=3\) lauten der Anfangswert und die Rekursionsgleichung \[ f(3,0)=f(2,1)=5, \qquad f(3,y+1)=f(2,f(3,y))=2f(3,y)+3. \] Somit gilt \[ f(3,y+1)+3=2\bigl(f(3,y)+3\bigr). \] Ausgehend von \(f(3,0)+3=8\) ergibt Induktion \[ f(3,y)+3=8\cdot2^y, \] also \[ f(3,y)=2^{y+3}-3\qquad(y\geq0). \]
Schließlich gilt \[ f(4,0)=f(3,1)=13 \] und \[ f(4,y+1)=f(3,f(4,y)) =2^{f(4,y)+3}-3. \] Wir setzen \(g_y=f(4,y)+3\). Dann gilt \[ g_0=16,\qquad g_{y+1}=2^{g_y}. \] Für die Folge aus der Antwort gilt \[ T_1=2,\qquad T_2=4,\qquad T_3=16. \] Also ist \(g_0=T_3\). Falls \(g_y=T_{y+3}\), gilt \[ g_{y+1}=2^{T_{y+3}}=T_{y+4}. \] Induktion beweist \(g_y=T_{y+3}\) für jede nichtnegative ganze Zahl \(y\). Mit \(y=1981\) erhalten wir \[ \boxed{f(4,1981)=T_{1984}-3}. \]
Die Lösung wurde mit dem IMO-Lösungsarchiv von John Scholes (Kalva) abgeglichen.
IMO 1981 · Soru 6
\(f(x,y)\) fonksiyonu, tüm negatif olmayan \(x,y\) tam sayıları için \[ \begin{aligned} (1)\quad &f(0,y)=y+1,\\ (2)\quad &f(x+1,0)=f(x,1),\\ (3)\quad &f(x+1,y+1)=f(x,f(x+1,y)), \end{aligned} \] eşitliklerini sağlamaktadır. \(f(4,1981)\) değerini bulunuz.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Cevap
\[ \boxed{f(4,1981)=T_{1984}-3}, \] burada \(T_0=1\) ve \(T_{n+1}=2^{T_n}\) olarak tanımlanır. Dolayısıyla cevap, \(1984\) tane ikiden oluşan bir üs kulesinin \(3\) eksiğidir.
Çözüm
\(f(x,y)\)'yi sırasıyla \(x=1,2,3,4\) için belirleyeceğiz.
\(x=1\) için (1) ve (2) koşullarından \[ f(1,0)=f(0,1)=2 \] elde edilir. (3) koşulu ise \[ f(1,y+1)=f(0,f(1,y))=f(1,y)+1 \] eşitliğini verir. Böylece \(y\) üzerinden tümevarımla \[ f(1,y)=y+2\qquad(y\geq0) \] elde edilir.
\(x=2\) için benzer biçimde \[ f(2,0)=f(1,1)=3, \qquad f(2,y+1)=f(1,f(2,y))=f(2,y)+2 \] elde ederiz. Dolayısıyla tümevarımla \[ f(2,y)=2y+3\qquad(y\geq0) \] bulunur.
\(x=3\) için başlangıç değeri ve özyineleme bağıntısı \[ f(3,0)=f(2,1)=5, \qquad f(3,y+1)=f(2,f(3,y))=2f(3,y)+3 \] şeklindedir. Böylece \[ f(3,y+1)+3=2\bigl(f(3,y)+3\bigr). \] \(f(3,0)+3=8\) değerinden başlayarak tümevarımla \[ f(3,y)+3=8\cdot2^y, \] elde edilir; dolayısıyla \[ f(3,y)=2^{y+3}-3\qquad(y\geq0). \]
Son olarak, \[ f(4,0)=f(3,1)=13 \] ve \[ f(4,y+1)=f(3,f(4,y)) =2^{f(4,y)+3}-3. \] \(g_y=f(4,y)+3\) olsun. O zaman \[ g_0=16,\qquad g_{y+1}=2^{g_y}. \] Cevapta verilen dizi için \[ T_1=2,\qquad T_2=4,\qquad T_3=16. \] Dolayısıyla \(g_0=T_3\) olur. Eğer \(g_y=T_{y+3}\) ise \[ g_{y+1}=2^{T_{y+3}}=T_{y+4}. \] Tümevarımla, her negatif olmayan \(y\) tam sayısı için \(g_y=T_{y+3}\) olduğu kanıtlanır. \(y=1981\) alarak \[ \boxed{f(4,1981)=T_{1984}-3} \] sonucuna ulaşırız.
Çözüm, John Scholes'un IMO çözüm arşiviyle (Kalva) karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 1981 · Problema 6
La función \(f(x,y)\) satisface \[ \begin{aligned} (1)\quad &f(0,y)=y+1,\\ (2)\quad &f(x+1,0)=f(x,1),\\ (3)\quad &f(x+1,y+1)=f(x,f(x+1,y)), \end{aligned} \] para todos los enteros no negativos \(x,y\). Determinar \(f(4,1981)\).
Enunciado traducido del texto oficial en inglés. Enunciado oficial (PDF)
Respuesta
\[ \boxed{f(4,1981)=T_{1984}-3}, \] donde \(T_0=1\) y \(T_{n+1}=2^{T_n}\). Así pues, la respuesta es una torre de potencias de \(1984\) doses, menos \(3\).
Solución
Determinaremos \(f(x,y)\) sucesivamente para \(x=1,2,3,4\).
Para \(x=1\), las condiciones (1) y (2) dan \[ f(1,0)=f(0,1)=2. \] La condición (3) da \[ f(1,y+1)=f(0,f(1,y))=f(1,y)+1. \] En consecuencia, por inducción sobre \(y\), obtenemos \[ f(1,y)=y+2\qquad(y\geq0). \]
Para \(x=2\), obtenemos de manera análoga \[ f(2,0)=f(1,1)=3, \qquad f(2,y+1)=f(1,f(2,y))=f(2,y)+2. \] Por tanto, la inducción da \[ f(2,y)=2y+3\qquad(y\geq0). \]
Para \(x=3\), el valor inicial y la recurrencia son \[ f(3,0)=f(2,1)=5, \qquad f(3,y+1)=f(2,f(3,y))=2f(3,y)+3. \] Así pues, \[ f(3,y+1)+3=2\bigl(f(3,y)+3\bigr). \] Partiendo de \(f(3,0)+3=8\), la inducción da \[ f(3,y)+3=8\cdot2^y, \] por lo que \[ f(3,y)=2^{y+3}-3\qquad(y\geq0). \]
Finalmente, \[ f(4,0)=f(3,1)=13 \] y \[ f(4,y+1)=f(3,f(4,y)) =2^{f(4,y)+3}-3. \] Pongamos \(g_y=f(4,y)+3\). Entonces \[ g_0=16,\qquad g_{y+1}=2^{g_y}. \] Para la sucesión de la respuesta, \[ T_1=2,\qquad T_2=4,\qquad T_3=16. \] Por tanto, \(g_0=T_3\). Si \(g_y=T_{y+3}\), entonces \[ g_{y+1}=2^{T_{y+3}}=T_{y+4}. \] Por inducción se demuestra que \(g_y=T_{y+3}\) para todo entero no negativo \(y\). Tomando \(y=1981\), concluimos que \[ \boxed{f(4,1981)=T_{1984}-3}. \]
La solución se comprobó con el archivo de soluciones de la IMO de John Scholes (Kalva).
IMO 1981 · 问题 6
函数 \(f(x,y)\) 对所有非负整数 \(x,y\) 满足 \[ \begin{aligned} (1)\quad &f(0,y)=y+1,\\ (2)\quad &f(x+1,0)=f(x,1),\\ (3)\quad &f(x+1,y+1)=f(x,f(x+1,y)), \end{aligned} \] 求 \(f(4,1981)\)。
题目译自官方英文原文。 官方试卷 (PDF)
答案
\[ \boxed{f(4,1981)=T_{1984}-3}, \] 其中 \(T_0=1\),\(T_{n+1}=2^{T_n}\)。因此,答案是由 \(1984\) 个 2 组成的幂塔减去 \(3\)。
解答
我们依次求出 \(x=1,2,3,4\) 时的 \(f(x,y)\)。
当 \(x=1\) 时,由条件 (1) 和 (2) 得 \[ f(1,0)=f(0,1)=2. \] 由条件 (3) 得 \[ f(1,y+1)=f(0,f(1,y))=f(1,y)+1. \] 因此,对 \(y\) 运用数学归纳法可得 \[ f(1,y)=y+2\qquad(y\geq0). \]
当 \(x=2\) 时,类似地得到 \[ f(2,0)=f(1,1)=3, \qquad f(2,y+1)=f(1,f(2,y))=f(2,y)+2. \] 于是由数学归纳法得 \[ f(2,y)=2y+3\qquad(y\geq0). \]
当 \(x=3\) 时,初始值和递推关系为 \[ f(3,0)=f(2,1)=5, \qquad f(3,y+1)=f(2,f(3,y))=2f(3,y)+3. \] 因此 \[ f(3,y+1)+3=2\bigl(f(3,y)+3\bigr). \] 从 \(f(3,0)+3=8\) 出发,由数学归纳法得 \[ f(3,y)+3=8\cdot2^y, \] 所以 \[ f(3,y)=2^{y+3}-3\qquad(y\geq0). \]
最后, \[ f(4,0)=f(3,1)=13 \] 且 \[ f(4,y+1)=f(3,f(4,y)) =2^{f(4,y)+3}-3. \] 令 \(g_y=f(4,y)+3\)。则 \[ g_0=16,\qquad g_{y+1}=2^{g_y}. \] 对于答案中的数列, \[ T_1=2,\qquad T_2=4,\qquad T_3=16. \] 于是 \(g_0=T_3\)。若 \(g_y=T_{y+3}\),则 \[ g_{y+1}=2^{T_{y+3}}=T_{y+4}. \] 由数学归纳法可知,对每个非负整数 \(y\),都有 \(g_y=T_{y+3}\)。取 \(y=1981\),得 \[ \boxed{f(4,1981)=T_{1984}-3}. \]
解答已与 John Scholes 的 IMO 解答档案(Kalva)核对。
IMO 1981 · Задача 6
Функция \(f(x,y)\) удовлетворяет условиям \[ \begin{aligned} (1)\quad &f(0,y)=y+1,\\ (2)\quad &f(x+1,0)=f(x,1),\\ (3)\quad &f(x+1,y+1)=f(x,f(x+1,y)), \end{aligned} \] для всех неотрицательных целых чисел \(x,y\). Найдите \(f(4,1981)\).
Условие переведено с официального английского текста. Официальный текст задач (PDF)
Ответ
\[ \boxed{f(4,1981)=T_{1984}-3}, \] где \(T_0=1\) и \(T_{n+1}=2^{T_n}\). Таким образом, ответ — степенная башня из \(1984\) двоек минус \(3\).
Решение
Последовательно найдём \(f(x,y)\) для \(x=1,2,3,4\).
При \(x=1\) из условий (1) и (2) получаем \[ f(1,0)=f(0,1)=2. \] Условие (3) даёт \[ f(1,y+1)=f(0,f(1,y))=f(1,y)+1. \] Следовательно, по индукции по \(y\) получаем \[ f(1,y)=y+2\qquad(y\geq0). \]
При \(x=2\) аналогично получаем \[ f(2,0)=f(1,1)=3, \qquad f(2,y+1)=f(1,f(2,y))=f(2,y)+2. \] Поэтому индукция даёт \[ f(2,y)=2y+3\qquad(y\geq0). \]
При \(x=3\) начальное значение и рекуррентное соотношение имеют вид \[ f(3,0)=f(2,1)=5, \qquad f(3,y+1)=f(2,f(3,y))=2f(3,y)+3. \] Таким образом, \[ f(3,y+1)+3=2\bigl(f(3,y)+3\bigr). \] Начиная с \(f(3,0)+3=8\), по индукции получаем \[ f(3,y)+3=8\cdot2^y, \] откуда \[ f(3,y)=2^{y+3}-3\qquad(y\geq0). \]
Наконец, \[ f(4,0)=f(3,1)=13 \] и \[ f(4,y+1)=f(3,f(4,y)) =2^{f(4,y)+3}-3. \] Положим \(g_y=f(4,y)+3\). Тогда \[ g_0=16,\qquad g_{y+1}=2^{g_y}. \] Для последовательности, указанной в ответе, \[ T_1=2,\qquad T_2=4,\qquad T_3=16. \] Следовательно, \(g_0=T_3\). Если \(g_y=T_{y+3}\), то \[ g_{y+1}=2^{T_{y+3}}=T_{y+4}. \] По индукции получаем \(g_y=T_{y+3}\) для каждого неотрицательного целого числа \(y\). Подставляя \(y=1981\), заключаем, что \[ \boxed{f(4,1981)=T_{1984}-3}. \]
Решение проверено по архиву решений IMO Джона Скоулза (Kalva).
IMO 1981 · المسألة 6
تحقق الدالة \(f(x,y)\) \[ \begin{aligned} (1)\quad &f(0,y)=y+1,\\ (2)\quad &f(x+1,0)=f(x,1),\\ (3)\quad &f(x+1,y+1)=f(x,f(x+1,y)), \end{aligned} \] لكل عددين صحيحين غير سالبين \(x,y\). حدّد \(f(4,1981)\).
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الإجابة
\[ \boxed{f(4,1981)=T_{1984}-3}, \] حيث \(T_0=1\) و\(T_{n+1}=2^{T_n}\). إذن الإجابة هي برج قوى مكوّن من \(1984\) نسخة من العدد اثنين، مطروحًا منه \(3\).
الحل
نحدّد \(f(x,y)\) تباعًا من أجل \(x=1,2,3,4\).
عندما \(x=1\)، يعطي الشرطان (1) و(2) \[ f(1,0)=f(0,1)=2. \] ويعطي الشرط (3) \[ f(1,y+1)=f(0,f(1,y))=f(1,y)+1. \] وبالتالي، بالاستقراء على \(y\)، نحصل على \[ f(1,y)=y+2\qquad(y\geq0). \]
عندما \(x=2\)، نحصل بالمثل على \[ f(2,0)=f(1,1)=3, \qquad f(2,y+1)=f(1,f(2,y))=f(2,y)+2. \] ومن ثم يعطي الاستقراء \[ f(2,y)=2y+3\qquad(y\geq0). \]
عندما \(x=3\)، تكون القيمة الابتدائية والعلاقة التراجعية كما يلي \[ f(3,0)=f(2,1)=5, \qquad f(3,y+1)=f(2,f(3,y))=2f(3,y)+3. \] إذن \[ f(3,y+1)+3=2\bigl(f(3,y)+3\bigr). \] وانطلاقًا من \(f(3,0)+3=8\)، يعطي الاستقراء \[ f(3,y)+3=8\cdot2^y, \] ومن ثم \[ f(3,y)=2^{y+3}-3\qquad(y\geq0). \]
أخيرًا، \[ f(4,0)=f(3,1)=13 \] و \[ f(4,y+1)=f(3,f(4,y)) =2^{f(4,y)+3}-3. \] نضع \(g_y=f(4,y)+3\). عندئذ \[ g_0=16,\qquad g_{y+1}=2^{g_y}. \] بالنسبة إلى المتتالية الواردة في الإجابة، \[ T_1=2,\qquad T_2=4,\qquad T_3=16. \] ومن ثم \(g_0=T_3\). وإذا كان \(g_y=T_{y+3}\)، فإن \[ g_{y+1}=2^{T_{y+3}}=T_{y+4}. \] يثبت الاستقراء أن \(g_y=T_{y+3}\) لكل عدد صحيح غير سالب \(y\). وبأخذ \(y=1981\)، نستنتج \[ \boxed{f(4,1981)=T_{1984}-3}. \]
تمت مراجعة الحل بمقارنته بأرشيف حلول IMO لجون سكولز (Kalva).