IMO 1983 · Problem 1
Find all functions \(f\) defined on the set of positive real numbers which take positive real values and satisfy the conditions:
(i) \(f(xf(y))=yf(x)\) for all positive \(x,y\);
(ii) \(f(x)\to0\) as \(x\to\infty\).
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Answer
\[ \boxed{f(x)=\frac1x\quad\text{for every }x>0.} \]
Solution
First, we prove that any fixed point of \(f\) must equal \(1\). Suppose \(a>0\) and \(f(a)=a\). Setting \(y=a\) in (i) gives \[ f(ax)=a f(x)\qquad(x>0). \] Taking \(x=1\), we obtain \(a=a f(1)\), so \(f(1)=1\). Also, replacing \(x\) by \(x/a\) yields \[ f(x/a)=\frac{f(x)}a. \] Iterating these two identities from \(f(1)=1\), we obtain \[ f(a^n)=a^n\qquad\text{for every integer }n. \]
If \(a>1\), then \(a^n\to\infty\) as \(n\to\infty\), so condition (ii) requires \(f(a^n)\to0\), contradicting \(f(a^n)=a^n\to\infty\). If \(0<a<1\), the same contradiction follows from the sequence \(a^{-n}\). Therefore \(a=1\).
Now let \(x>0\). Setting \(y=x\) in (i) gives \[ f(xf(x))=xf(x). \] Thus the positive number \(xf(x)\) is a fixed point of \(f\), and hence \(xf(x)=1\). Therefore \[ f(x)=\frac1x\qquad(x>0). \]
Conversely, this function takes positive values and satisfies \[ f(xf(y))=f(x/y)=\frac yx=yf(x), \] as well as \(f(x)\to0\) as \(x\to\infty\). It is therefore the unique solution.
The solution was checked against John Scholes' IMO solution archive (Kalva).
IMO 1983 · Aufgabe 1
Bestimme alle auf der Menge der positiven reellen Zahlen definierten Funktionen \(f\), die positive reelle Werte annehmen und die folgenden Bedingungen erfüllen:
(i) \(f(xf(y))=yf(x)\) für alle positiven \(x,y\);
(ii) \(f(x)\to0\) für \(x\to\infty\).
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Antwort
\[ \boxed{f(x)=\frac1x\quad\text{für jedes }x>0.} \]
Lösung
Zunächst beweisen wir, dass jeder Fixpunkt von \(f\) gleich \(1\) sein muss. Es seien \(a>0\) und \(f(a)=a\). Setzen wir \(y=a\) in (i), so erhalten wir \[ f(ax)=a f(x)\qquad(x>0). \] Für \(x=1\) ergibt sich \(a=a f(1)\), also \(f(1)=1\). Ersetzen wir außerdem \(x\) durch \(x/a\), so folgt \[ f(x/a)=\frac{f(x)}a. \] Durch wiederholte Anwendung dieser beiden Identitäten, ausgehend von \(f(1)=1\), erhalten wir \[ f(a^n)=a^n\qquad\text{für jede ganze Zahl }n. \]
Ist \(a>1\), so gilt \(a^n\to\infty\) für \(n\to\infty\), weshalb Bedingung (ii) verlangt, dass \(f(a^n)\to0\) gilt, im Widerspruch zu \(f(a^n)=a^n\to\infty\). Ist \(0<a<1\), so ergibt sich derselbe Widerspruch aus der Folge \(a^{-n}\). Daher ist \(a=1\).
Sei nun \(x>0\). Setzen wir \(y=x\) in (i), so erhalten wir \[ f(xf(x))=xf(x). \] Somit ist die positive Zahl \(xf(x)\) ein Fixpunkt von \(f\), und folglich gilt \(xf(x)=1\). Daher ist \[ f(x)=\frac1x\qquad(x>0). \]
Umgekehrt nimmt diese Funktion positive Werte an und erfüllt \[ f(xf(y))=f(x/y)=\frac yx=yf(x), \] sowie \(f(x)\to0\) für \(x\to\infty\). Sie ist daher die einzige Lösung.
Die Lösung wurde mit dem IMO-Lösungsarchiv von John Scholes (Kalva) abgeglichen.
IMO 1983 · Soru 1
Pozitif gerçek sayılar kümesi üzerinde tanımlı, pozitif gerçek değerler alan ve aşağıdaki koşulları sağlayan tüm \(f\) fonksiyonlarını bulunuz:
(i) Tüm pozitif \(x,y\) için \(f(xf(y))=yf(x)\);
(ii) \(x\to\infty\) iken \(f(x)\to0\).
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Cevap
\[ \boxed{f(x)=\frac1x\quad\text{her }x>0\text{ için}.} \]
Çözüm
Önce, \(f\) fonksiyonunun her sabit noktasının \(1\) olması gerektiğini kanıtlayalım. \(a>0\) ve \(f(a)=a\) olduğunu varsayalım. (i)'de \(y=a\) alarak şu eşitliği elde ederiz: \[ f(ax)=a f(x)\qquad(x>0). \] \(x=1\) alarak \(a=a f(1)\), dolayısıyla \(f(1)=1\) elde ederiz. Ayrıca, \(x\) yerine \(x/a\) yazınca şu eşitlik elde edilir: \[ f(x/a)=\frac{f(x)}a. \] Bu iki özdeşliği \(f(1)=1\) eşitliğinden başlayarak art arda uygulayarak şu sonuca ulaşırız: \[ f(a^n)=a^n\qquad\text{her }n\text{ tam sayısı için}. \]
\(a>1\) ise \(n\to\infty\) iken \(a^n\to\infty\) olur; bu nedenle (ii) koşulu \(f(a^n)\to0\) olmasını gerektirir, ancak bu, \(f(a^n)=a^n\to\infty\) ile çelişir. \(0<a<1\) ise aynı çelişki \(a^{-n}\) dizisinden elde edilir. Öyleyse \(a=1\) olur.
Şimdi \(x>0\) olsun. (i)'de \(y=x\) alarak şu eşitliği elde ederiz: \[ f(xf(x))=xf(x). \] Böylece pozitif \(xf(x)\) sayısı, \(f\) fonksiyonunun bir sabit noktasıdır ve dolayısıyla \(xf(x)=1\) olur. O hâlde \[ f(x)=\frac1x\qquad(x>0). \]
Tersine, bu fonksiyon pozitif değerler alır ve \[ f(xf(y))=f(x/y)=\frac yx=yf(x) \] eşitliğinin yanı sıra \(x\to\infty\) iken \(f(x)\to0\) koşulunu da sağlar. Dolayısıyla tek çözüm budur.
Çözüm, John Scholes'un IMO çözüm arşiviyle (Kalva) karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 1983 · Problema 1
Hallar todas las funciones \(f\) definidas en el conjunto de los números reales positivos, con valores reales positivos, que satisfacen las condiciones:
(i) \(f(xf(y))=yf(x)\) para todos los \(x,y\) positivos;
(ii) \(f(x)\to0\) cuando \(x\to\infty\).
Enunciado traducido del texto oficial en inglés. Enunciado oficial (PDF)
Respuesta
\[ \boxed{f(x)=\frac1x\quad\text{para todo }x>0.} \]
Solución
Primero, probamos que todo punto fijo de \(f\) debe ser igual a \(1\). Supongamos que \(a>0\) y \(f(a)=a\). Tomando \(y=a\) en (i), se obtiene \[ f(ax)=a f(x)\qquad(x>0). \] Tomando \(x=1\), obtenemos \(a=a f(1)\), por lo que \(f(1)=1\). Además, al sustituir \(x\) por \(x/a\), resulta \[ f(x/a)=\frac{f(x)}a. \] Iterando estas dos identidades a partir de \(f(1)=1\), obtenemos \[ f(a^n)=a^n\qquad\text{para todo entero }n. \]
Si \(a>1\), entonces \(a^n\to\infty\) cuando \(n\to\infty\), por lo que la condición (ii) exige que \(f(a^n)\to0\), lo que contradice \(f(a^n)=a^n\to\infty\). Si \(0<a<1\), se obtiene la misma contradicción a partir de la sucesión \(a^{-n}\). Por tanto, \(a=1\).
Sea ahora \(x>0\). Tomando \(y=x\) en (i), se obtiene \[ f(xf(x))=xf(x). \] Así, el número positivo \(xf(x)\) es un punto fijo de \(f\), y por consiguiente \(xf(x)=1\). Por tanto, \[ f(x)=\frac1x\qquad(x>0). \]
Recíprocamente, esta función toma valores positivos y satisface \[ f(xf(y))=f(x/y)=\frac yx=yf(x), \] así como \(f(x)\to0\) cuando \(x\to\infty\). Por tanto, es la única solución.
La solución se comprobó con el archivo de soluciones de la IMO de John Scholes (Kalva).
IMO 1983 · 问题 1
求所有定义在正实数集上、取正实数值且满足下列条件的函数 \(f\):
(i) 对所有正数 \(x,y\),有 \(f(xf(y))=yf(x)\);
(ii) 当 \(x\to\infty\) 时,\(f(x)\to0\)。
题目译自官方英文原文。 官方试卷 (PDF)
答案
\[ \boxed{f(x)=\frac1x\quad\text{对每个 }x>0.} \]
解答
首先证明,\(f\) 的任何不动点都必须等于 \(1\)。设 \(a>0\) 且 \(f(a)=a\)。在 (i) 中令 \(y=a\),得 \[ f(ax)=a f(x)\qquad(x>0). \] 取 \(x=1\),得 \(a=a f(1)\),故 \(f(1)=1\)。此外,将 \(x\) 替换为 \(x/a\),得 \[ f(x/a)=\frac{f(x)}a. \] 从 \(f(1)=1\) 出发,反复应用这两个恒等式,得 \[ f(a^n)=a^n\qquad\text{对每个整数 }n. \]
若 \(a>1\),则当 \(n\to\infty\) 时,\(a^n\to\infty\),故条件 (ii) 要求 \(f(a^n)\to0\),这与 \(f(a^n)=a^n\to\infty\) 矛盾。若 \(0<a<1\),则由数列 \(a^{-n}\) 可得同样的矛盾。因此 \(a=1\)。
现在任取 \(x>0\)。在 (i) 中令 \(y=x\),得 \[ f(xf(x))=xf(x). \] 因此正数 \(xf(x)\) 是 \(f\) 的不动点,从而 \(xf(x)=1\)。所以 \[ f(x)=\frac1x\qquad(x>0). \]
反过来,这个函数取正值,且满足 \[ f(xf(y))=f(x/y)=\frac yx=yf(x), \] 并且当 \(x\to\infty\) 时,\(f(x)\to0\)。因此它是唯一的解。
解答已与 John Scholes 的 IMO 解答档案(Kalva)核对。
IMO 1983 · Задача 1
Найдите все функции \(f\), определённые на множестве положительных действительных чисел, принимающие положительные действительные значения и удовлетворяющие условиям:
(i) \(f(xf(y))=yf(x)\) для всех положительных \(x,y\);
(ii) \(f(x)\to0\) при \(x\to\infty\).
Условие переведено с официального английского текста. Официальный текст задач (PDF)
Ответ
\[ \boxed{f(x)=\frac1x\quad\text{для всех }x>0.} \]
Решение
Сначала докажем, что любая неподвижная точка функции \(f\) равна \(1\). Пусть \(a>0\) и \(f(a)=a\). Подставляя \(y=a\) в (i), получаем \[ f(ax)=a f(x)\qquad(x>0). \] Полагая \(x=1\), получаем \(a=a f(1)\), откуда \(f(1)=1\). Кроме того, заменяя \(x\) на \(x/a\), находим \[ f(x/a)=\frac{f(x)}a. \] Последовательно применяя эти два равенства, начиная с \(f(1)=1\), получаем \[ f(a^n)=a^n\qquad\text{для каждого целого }n. \]
Если \(a>1\), то \(a^n\to\infty\) при \(n\to\infty\), поэтому по условию (ii) должно выполняться \(f(a^n)\to0\), что противоречит равенству \(f(a^n)=a^n\to\infty\). Если \(0<a<1\), то такое же противоречие получается при рассмотрении последовательности \(a^{-n}\). Следовательно, \(a=1\).
Теперь пусть \(x>0\). Подставляя \(y=x\) в (i), получаем \[ f(xf(x))=xf(x). \] Таким образом, положительное число \(xf(x)\) является неподвижной точкой функции \(f\), а значит, \(xf(x)=1\). Следовательно, \[ f(x)=\frac1x\qquad(x>0). \]
Обратно, эта функция принимает положительные значения и удовлетворяет равенству \[ f(xf(y))=f(x/y)=\frac yx=yf(x), \] а также условию \(f(x)\to0\) при \(x\to\infty\). Поэтому она является единственным решением.
Решение проверено по архиву решений IMO Джона Скоулза (Kalva).
IMO 1983 · المسألة 1
أوجد جميع الدوال \(f\) المعرفة على مجموعة الأعداد الحقيقية الموجبة، والتي تأخذ قيمًا حقيقية موجبة وتحقق الشرطين:
(i) \(f(xf(y))=yf(x)\) لكل \(x,y\) موجبين؛
(ii) \(f(x)\to0\) عندما \(x\to\infty\).
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الإجابة
\[ \boxed{f(x)=\frac1x\quad\text{لكل }x>0.} \]
الحل
نثبت أولًا أن أي نقطة ثابتة للدالة \(f\) لا بد أن تساوي \(1\). لنفترض أن \(a>0\) وأن \(f(a)=a\). بوضع \(y=a\) في (i) نحصل على \[ f(ax)=a f(x)\qquad(x>0). \] وبأخذ \(x=1\)، نحصل على \(a=a f(1)\)، ومن ثم \(f(1)=1\). كذلك، بتعويض \(x/a\) مكان \(x\) نحصل على \[ f(x/a)=\frac{f(x)}a. \] بتكرار تطبيق هاتين الهويتين انطلاقًا من \(f(1)=1\)، نحصل على \[ f(a^n)=a^n\qquad\text{لكل عدد صحيح }n. \]
إذا كان \(a>1\)، فإن \(a^n\to\infty\) عندما \(n\to\infty\)، ولذلك يقتضي الشرط (ii) أن \(f(a^n)\to0\)، وهذا يناقض \(f(a^n)=a^n\to\infty\). وإذا كان \(0<a<1\)، فإن المتتالية \(a^{-n}\) تؤدي إلى التناقض نفسه. إذن \(a=1\).
لنأخذ الآن \(x>0\). بوضع \(y=x\) في (i) نحصل على \[ f(xf(x))=xf(x). \] إذن العدد الموجب \(xf(x)\) نقطة ثابتة للدالة \(f\)، ومن ثم \(xf(x)=1\). وبالتالي \[ f(x)=\frac1x\qquad(x>0). \]
وعكسًا، تأخذ هذه الدالة قيمًا موجبة وتحقق \[ f(xf(y))=f(x/y)=\frac yx=yf(x), \] وكذلك \(f(x)\to0\) عندما \(x\to\infty\). فهي إذن الحل الوحيد.
تمت مراجعة الحل بمقارنته بأرشيف حلول IMO لجون سكولز (Kalva).