IMO 1985 · Problem 6
For every real number \(x_1\), construct the sequence \(x_1,x_2,\ldots\) by setting \[ x_{n+1}=x_n\left(x_n+\frac1n\right) \quad\text{for each }n\ge1. \] Prove that there exists exactly one value of \(x_1\) for which \[ 0<x_n<x_{n+1}<1 \] for every \(n\).
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Solution
Put \[ \ell_n=1-\frac1n,\qquad f_n(t)=t\left(t+\frac1n\right). \] For \(t>0\), we have \[ f_n(t)>t\quad\Longleftrightarrow\quad t>\ell_n. \] Thus the required inequalities are equivalent to \[ \ell_n<x_n<1\qquad\text{for every }n\ge1. \tag{1} \]
Existence. Each \(f_n\) is continuous and strictly increasing on \([0,\infty)\): if \(0\le u<v\), then \[ f_n(v)-f_n(u)=(v-u)\left(u+v+\frac1n\right)>0. \] Moreover, \[ f_n(\ell_n)=\ell_n<\ell_{n+1}, \qquad f_n(1)=1+\frac1n>1. \tag{2} \] Consequently, for every \(y\in[\ell_{n+1},1]\), there is a unique \(t\in(\ell_n,1)\) such that \(f_n(t)=y\).
For each positive integer \(N\), construct a finite sequence backwards by setting \[ z_N^{(N)}=1,\qquad f_n\bigl(z_n^{(N)}\bigr)=z_{n+1}^{(N)} \quad(n=N-1,\ldots,1), \] always taking the positive solution. By (2), this construction is possible and satisfies \[ \ell_n<z_n^{(N)}<1\qquad(1\le n<N). \tag{3} \] Write \(a_N=z_1^{(N)}\). Since \[ z_N^{(N+1)}<1=z_N^{(N)}, \] strict monotonicity of the functions \(f_n\), applied successively backwards, gives \[ a_{N+1}<a_N. \] The sequence \((a_N)\) is positive and decreasing, so it has a limit \(a\ge0\).
Let \((x_n)\) be the sequence in the problem with \(x_1=a\). For every fixed \(n\), the \(n\)-th term is a polynomial, hence a continuous function, of the first term. Therefore \[ x_n=\lim_{N\to\infty}z_n^{(N)}. \] Taking limits in (3) gives \[ \ell_n\le x_n\le1\qquad(n\ge1). \tag{4} \]
Both bounds are strict. Indeed, if \(x_n=\ell_n\), then \[ x_{n+1}=f_n(\ell_n)=\ell_n<\ell_{n+1}, \] contradicting (4). If \(x_n=1\), then \[ x_{n+1}=1+\frac1n>1, \] again contradicting (4). Thus (1) holds, proving existence.
Uniqueness. Suppose two distinct initial values produce sequences \((u_n)\) and \((v_n)\) satisfying the required inequalities. Interchanging them if necessary, assume \(u_1<v_1\). Strict monotonicity of \(f_n\) gives \(u_n<v_n\) for every \(n\).
Set \(d_n=v_n-u_n>0\). By (1), \[ d_{n+1} =\left(u_n+v_n+\frac1n\right)d_n >d_n, \] because \(u_n+\frac1n>1\) and \(v_n>0\). Hence \(d_n\ge d_1>0\) for every \(n\). But (1) also yields \[ 0<d_n=v_n-u_n<1-\ell_n=\frac1n, \] which is impossible for sufficiently large \(n\). Therefore the initial value is unique.
The solution was checked against John Scholes' IMO solution archive (Kalva).
IMO 1985 · Aufgabe 6
Für jede reelle Zahl \(x_1\) wird die Folge \(x_1,x_2,\ldots\) durch die Festlegung \[ x_{n+1}=x_n\left(x_n+\frac1n\right) \quad\text{für jedes }n\ge1 \] konstruiert. Beweise, dass es genau einen Wert von \(x_1\) gibt, für den \[ 0<x_n<x_{n+1}<1 \] für jedes \(n\) gilt.
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Lösung
Wir setzen \[ \ell_n=1-\frac1n,\qquad f_n(t)=t\left(t+\frac1n\right). \] Für \(t>0\) gilt \[ f_n(t)>t\quad\Longleftrightarrow\quad t>\ell_n. \] Somit sind die geforderten Ungleichungen äquivalent zu \[ \ell_n<x_n<1\qquad\text{für jedes }n\ge1. \tag{1} \]
Existenz. Jede Funktion \(f_n\) ist auf \([0,\infty)\) stetig und streng monoton wachsend: Ist \(0\le u<v\), so gilt \[ f_n(v)-f_n(u)=(v-u)\left(u+v+\frac1n\right)>0. \] Außerdem gilt \[ f_n(\ell_n)=\ell_n<\ell_{n+1}, \qquad f_n(1)=1+\frac1n>1. \tag{2} \] Folglich gibt es für jedes \(y\in[\ell_{n+1},1]\) genau ein \(t\in(\ell_n,1)\) mit \(f_n(t)=y\).
Für jede positive ganze Zahl \(N\) konstruieren wir rückwärts eine endliche Folge, indem wir setzen \[ z_N^{(N)}=1,\qquad f_n\bigl(z_n^{(N)}\bigr)=z_{n+1}^{(N)} \quad(n=N-1,\ldots,1), \] wobei wir stets die positive Lösung wählen. Nach (2) ist diese Konstruktion möglich, und es gilt \[ \ell_n<z_n^{(N)}<1\qquad(1\le n<N). \tag{3} \] Wir schreiben \(a_N=z_1^{(N)}\). Wegen \[ z_N^{(N+1)}<1=z_N^{(N)}, \] ergibt die strenge Monotonie der Funktionen \(f_n\), schrittweise rückwärts angewendet, \[ a_{N+1}<a_N. \] Die Folge \((a_N)\) ist positiv und monoton fallend, besitzt also einen Grenzwert \(a\ge0\).
Es sei \((x_n)\) die Folge aus der Aufgabenstellung mit \(x_1=a\). Für jedes feste \(n\) ist das \(n\)-te Glied ein Polynom und somit eine stetige Funktion des ersten Gliedes. Daher gilt \[ x_n=\lim_{N\to\infty}z_n^{(N)}. \] Durch Grenzübergang in (3) erhalten wir \[ \ell_n\le x_n\le1\qquad(n\ge1). \tag{4} \]
Beide Schranken gelten strikt. Ist nämlich \(x_n=\ell_n\), so gilt \[ x_{n+1}=f_n(\ell_n)=\ell_n<\ell_{n+1}, \] im Widerspruch zu (4). Ist \(x_n=1\), so gilt \[ x_{n+1}=1+\frac1n>1, \] erneut im Widerspruch zu (4). Somit gilt (1), womit die Existenz bewiesen ist.
Eindeutigkeit. Angenommen, zwei verschiedene Anfangswerte erzeugen Folgen \((u_n)\) und \((v_n)\), die die geforderten Ungleichungen erfüllen. Indem wir sie gegebenenfalls vertauschen, können wir \(u_1<v_1\) annehmen. Die strenge Monotonie von \(f_n\) ergibt \(u_n<v_n\) für jedes \(n\).
Wir setzen \(d_n=v_n-u_n>0\). Nach (1) gilt \[ d_{n+1} =\left(u_n+v_n+\frac1n\right)d_n >d_n, \] denn \(u_n+\frac1n>1\) und \(v_n>0\). Somit gilt \(d_n\ge d_1>0\) für jedes \(n\). Aus (1) folgt aber auch \[ 0<d_n=v_n-u_n<1-\ell_n=\frac1n, \] was für hinreichend große \(n\) unmöglich ist. Daher ist der Anfangswert eindeutig.
Die Lösung wurde mit dem IMO-Lösungsarchiv von John Scholes (Kalva) abgeglichen.
IMO 1985 · Soru 6
Her \(x_1\) gerçek sayısı için, \(x_1,x_2,\ldots\) dizisini \[ x_{n+1}=x_n\left(x_n+\frac1n\right) \quad\text{her }n\ge1 \] için bu bağıntıyı sağlayacak biçimde oluşturunuz. Her \(n\) için \[ 0<x_n<x_{n+1}<1 \] olmasını sağlayan tam olarak bir \(x_1\) değeri bulunduğunu kanıtlayınız.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Çözüm
\[ \ell_n=1-\frac1n,\qquad f_n(t)=t\left(t+\frac1n\right) \] olarak tanımlayalım. \(t>0\) için, \[ f_n(t)>t\quad\Longleftrightarrow\quad t>\ell_n \] olur. Dolayısıyla istenen eşitsizlikler, \[ \ell_n<x_n<1\qquad\text{her }n\ge1 \tag{1} \] için geçerli olmasına denktir.
Varlık. Her \(f_n\), \([0,\infty)\) üzerinde sürekli ve kesin artandır: \(0\le u<v\) ise, \[ f_n(v)-f_n(u)=(v-u)\left(u+v+\frac1n\right)>0. \] Ayrıca, \[ f_n(\ell_n)=\ell_n<\ell_{n+1}, \qquad f_n(1)=1+\frac1n>1. \tag{2} \] Dolayısıyla, her \(y\in[\ell_{n+1},1]\) için, \(f_n(t)=y\) eşitliğini sağlayan tek bir \(t\in(\ell_n,1)\) vardır.
Her pozitif \(N\) tam sayısı için, daima pozitif çözümü alarak \[ z_N^{(N)}=1,\qquad f_n\bigl(z_n^{(N)}\bigr)=z_{n+1}^{(N)} \quad(n=N-1,\ldots,1), \] eşitlikleriyle geriye doğru sonlu bir dizi oluşturalım. (2)'ye göre, bu oluşturma işlemi mümkündür ve \[ \ell_n<z_n^{(N)}<1\qquad(1\le n<N) \tag{3} \] koşulu sağlanır. \(a_N=z_1^{(N)}\) yazalım. \[ z_N^{(N+1)}<1=z_N^{(N)}, \] olduğundan, \(f_n\) fonksiyonlarının kesin artanlığını art arda geriye doğru uygulayarak \[ a_{N+1}<a_N \] elde ederiz. \((a_N)\) dizisi pozitif ve azalan olduğundan, bir \(a\ge0\) limiti vardır.
\((x_n)\), soruda tanımlanan ve \(x_1=a\) olan dizi olsun. Her sabit \(n\) için, \(n\). terim, ilk terimin bir polinomu ve dolayısıyla sürekli bir fonksiyonudur. Bu nedenle, \[ x_n=\lim_{N\to\infty}z_n^{(N)}. \] (3)'te limit alarak \[ \ell_n\le x_n\le1\qquad(n\ge1) \tag{4} \] elde ederiz.
Her iki eşitsizlik de kesindir. Gerçekten de \(x_n=\ell_n\) olsaydı, \[ x_{n+1}=f_n(\ell_n)=\ell_n<\ell_{n+1}, \] olurdu ve bu, (4) ile çelişirdi. Eğer \(x_n=1\) olsaydı, \[ x_{n+1}=1+\frac1n>1, \] olurdu ve yine (4) ile çelişirdi. Dolayısıyla (1) sağlanır ve böylece varlık kanıtlanır.
Teklik. Birbirinden farklı iki başlangıç değerinin, istenen eşitsizlikleri sağlayan \((u_n)\) ve \((v_n)\) dizilerini ürettiğini varsayalım. Gerekirse bu ikisinin yerini değiştirerek \(u_1<v_1\) olduğunu kabul edelim. \(f_n\)'nin kesin artanlığından her \(n\) için \(u_n<v_n\) elde edilir.
\(d_n=v_n-u_n>0\) olarak tanımlayalım. (1)'e göre, \[ d_{n+1} =\left(u_n+v_n+\frac1n\right)d_n >d_n, \] çünkü \(u_n+\frac1n>1\) ve \(v_n>0\) olur. Dolayısıyla her \(n\) için \(d_n\ge d_1>0\) olur. Ancak (1) aynı zamanda \[ 0<d_n=v_n-u_n<1-\ell_n=\frac1n, \] sonucunu verir; bu ise yeterince büyük \(n\) için olanaksızdır. O hâlde başlangıç değeri tektir.
Çözüm, John Scholes'un IMO çözüm arşiviyle (Kalva) karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 1985 · Problema 6
Para cada número real \(x_1\), se construye la sucesión \(x_1,x_2,\ldots\) mediante \[ x_{n+1}=x_n\left(x_n+\frac1n\right) \quad\text{para cada }n\ge1. \] Demostrar que existe exactamente un valor de \(x_1\) para el cual \[ 0<x_n<x_{n+1}<1 \] para todo \(n\).
Enunciado traducido del texto oficial en inglés. Enunciado oficial (PDF)
Solución
Definimos \[ \ell_n=1-\frac1n,\qquad f_n(t)=t\left(t+\frac1n\right). \] Para \(t>0\), tenemos \[ f_n(t)>t\quad\Longleftrightarrow\quad t>\ell_n. \] Así pues, las desigualdades requeridas equivalen a \[ \ell_n<x_n<1\qquad\text{para todo }n\ge1. \tag{1} \]
Existencia. Cada \(f_n\) es continua y estrictamente creciente en \([0,\infty)\): si \(0\le u<v\), entonces \[ f_n(v)-f_n(u)=(v-u)\left(u+v+\frac1n\right)>0. \] Además, \[ f_n(\ell_n)=\ell_n<\ell_{n+1}, \qquad f_n(1)=1+\frac1n>1. \tag{2} \] En consecuencia, para cada \(y\in[\ell_{n+1},1]\), existe un único \(t\in(\ell_n,1)\) tal que \(f_n(t)=y\).
Para cada entero positivo \(N\), construimos una sucesión finita hacia atrás mediante \[ z_N^{(N)}=1,\qquad f_n\bigl(z_n^{(N)}\bigr)=z_{n+1}^{(N)} \quad(n=N-1,\ldots,1), \] tomando siempre la solución positiva. Por (2), esta construcción es posible y satisface \[ \ell_n<z_n^{(N)}<1\qquad(1\le n<N). \tag{3} \] Escribimos \(a_N=z_1^{(N)}\). Como \[ z_N^{(N+1)}<1=z_N^{(N)}, \] la monotonía estricta de las funciones \(f_n\), aplicada sucesivamente hacia atrás, da \[ a_{N+1}<a_N. \] La sucesión \((a_N)\) es positiva y decreciente, por lo que tiene un límite \(a\ge0\).
Sea \((x_n)\) la sucesión del problema con \(x_1=a\). Para cada \(n\) fijo, el término \(n\)-ésimo es un polinomio del primer término y, por tanto, una función continua de este. Así pues, \[ x_n=\lim_{N\to\infty}z_n^{(N)}. \] Tomando límites en (3), obtenemos \[ \ell_n\le x_n\le1\qquad(n\ge1). \tag{4} \]
Ambas cotas son estrictas. En efecto, si \(x_n=\ell_n\), entonces \[ x_{n+1}=f_n(\ell_n)=\ell_n<\ell_{n+1}, \] lo que contradice (4). Si \(x_n=1\), entonces \[ x_{n+1}=1+\frac1n>1, \] lo que vuelve a contradecir (4). Por tanto, se cumple (1), lo que demuestra la existencia.
Unicidad. Supongamos que dos valores iniciales distintos producen sucesiones \((u_n)\) y \((v_n)\) que satisfacen las desigualdades requeridas. Intercambiándolas si es necesario, suponemos que \(u_1<v_1\). La monotonía estricta de \(f_n\) da \(u_n<v_n\) para todo \(n\).
Definimos \(d_n=v_n-u_n>0\). Por (1), \[ d_{n+1} =\left(u_n+v_n+\frac1n\right)d_n >d_n, \] porque \(u_n+\frac1n>1\) y \(v_n>0\). Por tanto, \(d_n\ge d_1>0\) para todo \(n\). Pero (1) también da \[ 0<d_n=v_n-u_n<1-\ell_n=\frac1n, \] lo cual es imposible para \(n\) suficientemente grande. Por tanto, el valor inicial es único.
La solución se comprobó con el archivo de soluciones de la IMO de John Scholes (Kalva).
IMO 1985 · 问题 6
对每个实数 \(x_1\),按如下方式构造数列 \(x_1,x_2,\ldots\): \[ x_{n+1}=x_n\left(x_n+\frac1n\right) \quad\text{对每个 }n\ge1. \] 证明:恰好存在一个 \(x_1\) 的值,使得 \[ 0<x_n<x_{n+1}<1 \] 对每个 \(n\) 都成立。
题目译自官方英文原文。 官方试卷 (PDF)
解答
令 \[ \ell_n=1-\frac1n,\qquad f_n(t)=t\left(t+\frac1n\right). \] 当 \(t>0\) 时,有 \[ f_n(t)>t\quad\Longleftrightarrow\quad t>\ell_n. \] 因此,所要求的不等式等价于 \[ \ell_n<x_n<1\qquad\text{对每个 }n\ge1. \tag{1} \]
存在性。 每个 \(f_n\) 在 \([0,\infty)\) 上都连续且严格递增:若 \(0\le u<v\),则 \[ f_n(v)-f_n(u)=(v-u)\left(u+v+\frac1n\right)>0. \] 此外, \[ f_n(\ell_n)=\ell_n<\ell_{n+1}, \qquad f_n(1)=1+\frac1n>1. \tag{2} \] 因此,对每个 \(y\in[\ell_{n+1},1]\),都存在唯一的 \(t\in(\ell_n,1)\),使得 \(f_n(t)=y\)。
对每个正整数 \(N\),按如下方式从后向前构造一个有限数列: \[ z_N^{(N)}=1,\qquad f_n\bigl(z_n^{(N)}\bigr)=z_{n+1}^{(N)} \quad(n=N-1,\ldots,1), \] 每次均取正解。由 (2),该构造可行,且满足 \[ \ell_n<z_n^{(N)}<1\qquad(1\le n<N). \tag{3} \] 记 \(a_N=z_1^{(N)}\)。由于 \[ z_N^{(N+1)}<1=z_N^{(N)}, \] 从后向前依次利用函数 \(f_n\) 的严格单调性,得到 \[ a_{N+1}<a_N. \] 数列 \((a_N)\) 的各项均为正数且单调递减,因此它有极限 \(a\ge0\)。
设 \((x_n)\) 为题目中以 \(x_1=a\) 为首项的数列。对每个固定的 \(n\),第 \(n\) 项都是首项的多项式函数,因而是连续函数。因此 \[ x_n=\lim_{N\to\infty}z_n^{(N)}. \] 在 (3) 中取极限,得到 \[ \ell_n\le x_n\le1\qquad(n\ge1). \tag{4} \]
两端的不等式都是严格的。事实上,若 \(x_n=\ell_n\),则 \[ x_{n+1}=f_n(\ell_n)=\ell_n<\ell_{n+1}, \] 与 (4) 矛盾。若 \(x_n=1\),则 \[ x_{n+1}=1+\frac1n>1, \] 也与 (4) 矛盾。因此 (1) 成立,存在性得证。
唯一性。 假设两个不同的初值产生了满足所要求不等式的数列 \((u_n)\) 和 \((v_n)\)。必要时交换两者,可设 \(u_1<v_1\)。由 \(f_n\) 的严格单调性可知,对每个 \(n\) 都有 \(u_n<v_n\)。
令 \(d_n=v_n-u_n>0\)。由 (1), \[ d_{n+1} =\left(u_n+v_n+\frac1n\right)d_n >d_n, \] 因为 \(u_n+\frac1n>1\) 且 \(v_n>0\)。因此,对每个 \(n\) 都有 \(d_n\ge d_1>0\)。但由 (1) 还可得 \[ 0<d_n=v_n-u_n<1-\ell_n=\frac1n, \] 当 \(n\) 充分大时,这是不可能的。因此初值唯一。
解答已与 John Scholes 的 IMO 解答档案(Kalva)核对。
IMO 1985 · Задача 6
Для каждого действительного числа \(x_1\) построим последовательность \(x_1,x_2,\ldots\), полагая \[ x_{n+1}=x_n\left(x_n+\frac1n\right) \quad\text{для каждого }n\ge1. \] Докажите, что существует ровно одно значение \(x_1\), при котором \[ 0<x_n<x_{n+1}<1 \] для каждого \(n\).
Условие переведено с официального английского текста. Официальный текст задач (PDF)
Решение
Положим \[ \ell_n=1-\frac1n,\qquad f_n(t)=t\left(t+\frac1n\right). \] При \(t>0\) имеем \[ f_n(t)>t\quad\Longleftrightarrow\quad t>\ell_n. \] Таким образом, требуемые неравенства равносильны условиям \[ \ell_n<x_n<1\qquad\text{для каждого }n\ge1. \tag{1} \]
Существование. Каждая функция \(f_n\) непрерывна и строго возрастает на \([0,\infty)\): если \(0\le u<v\), то \[ f_n(v)-f_n(u)=(v-u)\left(u+v+\frac1n\right)>0. \] Кроме того, \[ f_n(\ell_n)=\ell_n<\ell_{n+1}, \qquad f_n(1)=1+\frac1n>1. \tag{2} \] Следовательно, для каждого \(y\in[\ell_{n+1},1]\) существует единственное \(t\in(\ell_n,1)\), для которого \(f_n(t)=y\).
Для каждого натурального числа \(N\) построим конечную последовательность в обратном порядке, полагая \[ z_N^{(N)}=1,\qquad f_n\bigl(z_n^{(N)}\bigr)=z_{n+1}^{(N)} \quad(n=N-1,\ldots,1), \] и каждый раз выбирая положительное решение. В силу (2) такое построение возможно, причём \[ \ell_n<z_n^{(N)}<1\qquad(1\le n<N). \tag{3} \] Обозначим \(a_N=z_1^{(N)}\). Поскольку \[ z_N^{(N+1)}<1=z_N^{(N)}, \] последовательно применяя строгую монотонность функций \(f_n\) в обратном порядке, получаем \[ a_{N+1}<a_N. \] Последовательность \((a_N)\) положительна и убывает, поэтому она имеет предел \(a\ge0\).
Пусть \((x_n)\) — последовательность из условия с \(x_1=a\). Для каждого фиксированного \(n\) её \(n\)-й член является многочленом от первого члена, а значит, непрерывной функцией от него. Поэтому \[ x_n=\lim_{N\to\infty}z_n^{(N)}. \] Переходя к пределу в (3), получаем \[ \ell_n\le x_n\le1\qquad(n\ge1). \tag{4} \]
Оба неравенства строгие. Действительно, если \(x_n=\ell_n\), то \[ x_{n+1}=f_n(\ell_n)=\ell_n<\ell_{n+1}, \] что противоречит (4). Если \(x_n=1\), то \[ x_{n+1}=1+\frac1n>1, \] что также противоречит (4). Таким образом, выполняется (1), и существование доказано.
Единственность. Предположим, что два различных начальных значения порождают последовательности \((u_n)\) и \((v_n)\), удовлетворяющие требуемым неравенствам. При необходимости поменяв их местами, будем считать, что \(u_1<v_1\). Из строгой монотонности \(f_n\) следует \(u_n<v_n\) для каждого \(n\).
Положим \(d_n=v_n-u_n>0\). В силу (1), \[ d_{n+1} =\left(u_n+v_n+\frac1n\right)d_n >d_n, \] поскольку \(u_n+\frac1n>1\) и \(v_n>0\). Следовательно, \(d_n\ge d_1>0\) для каждого \(n\). Но из (1) также следует \[ 0<d_n=v_n-u_n<1-\ell_n=\frac1n, \] что невозможно при достаточно больших \(n\). Поэтому начальное значение единственно.
Решение проверено по архиву решений IMO Джона Скоулза (Kalva).
IMO 1985 · المسألة 6
لكل عدد حقيقي \(x_1\)، نبني المتتالية \(x_1,x_2,\ldots\) بوضع \[ x_{n+1}=x_n\left(x_n+\frac1n\right) \quad\text{لكل }n\ge1. \] أثبت أنه توجد قيمة واحدة بالضبط لـ \(x_1\) تحقق \[ 0<x_n<x_{n+1}<1 \] لكل \(n\).
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الحل
نضع \[ \ell_n=1-\frac1n,\qquad f_n(t)=t\left(t+\frac1n\right). \] عندما \(t>0\)، لدينا \[ f_n(t)>t\quad\Longleftrightarrow\quad t>\ell_n. \] ومن ثم فإن المتباينات المطلوبة تكافئ \[ \ell_n<x_n<1\qquad\text{لكل }n\ge1. \tag{1} \]
الوجود. كل دالة \(f_n\) متصلة ومتزايدة تمامًا على \([0,\infty)\): فإذا كان \(0\le u<v\)، فإن \[ f_n(v)-f_n(u)=(v-u)\left(u+v+\frac1n\right)>0. \] فضلًا عن ذلك، \[ f_n(\ell_n)=\ell_n<\ell_{n+1}, \qquad f_n(1)=1+\frac1n>1. \tag{2} \] وبالتالي، لكل \(y\in[\ell_{n+1},1]\)، يوجد \(t\in(\ell_n,1)\) وحيد بحيث \(f_n(t)=y\).
لكل عدد صحيح موجب \(N\)، نبني متتالية منتهية رجوعًا إلى الخلف بوضع \[ z_N^{(N)}=1,\qquad f_n\bigl(z_n^{(N)}\bigr)=z_{n+1}^{(N)} \quad(n=N-1,\ldots,1), \] مع أخذ الحل الموجب دائمًا. وبحسب (2)، فإن هذا البناء ممكن ويحقق \[ \ell_n<z_n^{(N)}<1\qquad(1\le n<N). \tag{3} \] نكتب \(a_N=z_1^{(N)}\). وبما أن \[ z_N^{(N+1)}<1=z_N^{(N)}, \] فإن التزايد التام للدوال \(f_n\)، بتطبيقه تباعًا رجوعًا إلى الخلف، يعطي \[ a_{N+1}<a_N. \] المتتالية \((a_N)\) موجبة ومتناقصة، لذا لها نهاية \(a\ge0\).
لتكن \((x_n)\) المتتالية الواردة في المسألة مع \(x_1=a\). لكل \(n\) ثابت، يكون الحد ذو الرتبة \(n\) كثيرة حدود في الحد الأول، ومن ثم دالة متصلة فيه. ولذلك \[ x_n=\lim_{N\to\infty}z_n^{(N)}. \] وبأخذ النهايات في (3) نحصل على \[ \ell_n\le x_n\le1\qquad(n\ge1). \tag{4} \]
كلتا المتباينتين صارمتان. بالفعل، إذا كان \(x_n=\ell_n\)، فإن \[ x_{n+1}=f_n(\ell_n)=\ell_n<\ell_{n+1}, \] وهذا يناقض (4). وإذا كان \(x_n=1\)، فإن \[ x_{n+1}=1+\frac1n>1, \] وهذا يناقض (4) أيضًا. إذن تتحقق (1)، مما يثبت الوجود.
الوحدانية. لنفرض أن قيمتين ابتدائيتين مختلفتين تنتجان متتاليتين \((u_n)\) و\((v_n)\) تحققان المتباينات المطلوبة. وبتبادلهما عند الحاجة، نفترض أن \(u_1<v_1\). يعطي التزايد التام لـ \(f_n\) أن \(u_n<v_n\) لكل \(n\).
نضع \(d_n=v_n-u_n>0\). بحسب (1)، \[ d_{n+1} =\left(u_n+v_n+\frac1n\right)d_n >d_n, \] لأن \(u_n+\frac1n>1\) و\(v_n>0\). ومن ثم \(d_n\ge d_1>0\) لكل \(n\). لكن (1) تعطي أيضًا \[ 0<d_n=v_n-u_n<1-\ell_n=\frac1n, \] وهذا مستحيل عندما يكون \(n\) كبيرًا بما يكفي. ولذلك فإن القيمة الابتدائية وحيدة.
تمت مراجعة الحل بمقارنته بأرشيف حلول IMO لجون سكولز (Kalva).