IMO 1986 · Problem 5
Find all functions \(f\), defined on the non-negative real numbers and taking non-negative real values, such that:
\[ \begin{aligned} \text{(i)}\quad & f(xf(y))\cdot f(y)=f(x+y)\quad\text{for all }x,y\ge 0,\\ \text{(ii)}\quad & f(2)=0,\\ \text{(iii)}\quad & f(x)\ne 0\quad\text{for }0\le x<2. \end{aligned} \]
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Answer
The unique solution is \[ \boxed{ f(x)= \begin{cases} \dfrac{2}{2-x},&0\le x<2,\\[4pt] 0,&x\ge 2. \end{cases}} \]
Solution
Putting \(y=2\) in (i), we obtain \[ f(x+2)=f(xf(2))f(2)=0\qquad(x\ge0). \] Together with (iii), this shows that \[ f(t)=0\quad\Longleftrightarrow\quad t\ge2 \qquad(t\ge0). \]
Fix any \(y\in[0,2)\), and write \(a=f(y)>0\). Taking \(x=2-y\) in (i) gives \[ f((2-y)a)\,a=f(2)=0. \] Thus \(f((2-y)a)=0\), so the zero characterization above yields \[ (2-y)a\ge2, \qquad\text{hence}\qquad a\ge\frac{2}{2-y}. \]
On the other hand, taking \(x=2/a\) in (i) gives \[ f\left(y+\frac2a\right)=f(2)\,a=0. \] Consequently, \[ y+\frac2a\ge2, \qquad\text{hence}\qquad a\le\frac{2}{2-y}. \] Therefore \(f(y)=2/(2-y)\) for every \(0\le y<2\). This proves uniqueness.
It remains to verify the proposed function. Conditions (ii) and (iii) hold immediately. For (i), let \(x,y\ge0\).
If \(y\ge2\), then \(f(y)=0\) and \(x+y\ge2\), so both sides of (i) are zero.
If \(y<2\), then \[ xf(y)=\frac{2x}{2-y}. \] When \(x+y\ge2\), this argument is at least \(2\), so again both sides of (i) are zero. When \(x+y<2\), the argument is less than \(2\), and \[ f(xf(y))f(y) = \frac{2}{\,2-\frac{2x}{2-y}\,}\cdot\frac{2}{2-y} = \frac{2}{2-x-y} = f(x+y). \] Thus (i) holds in every case, completing the proof.
The solution was checked against John Scholes' IMO solution archive (Kalva).
IMO 1986 · Aufgabe 5
Bestimme alle auf den nichtnegativen reellen Zahlen definierten Funktionen \(f\) mit nichtnegativen reellen Werten, für die gilt:
\[ \begin{aligned} \text{(i)}\quad & f(xf(y))\cdot f(y)=f(x+y)\quad\text{für alle }x,y\ge 0,\\ \text{(ii)}\quad & f(2)=0,\\ \text{(iii)}\quad & f(x)\ne 0\quad\text{für }0\le x<2. \end{aligned} \]
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Antwort
Die einzige Lösung ist \[ \boxed{ f(x)= \begin{cases} \dfrac{2}{2-x},&0\le x<2,\\[4pt] 0,&x\ge 2. \end{cases}} \]
Lösung
Setzen wir \(y=2\) in (i) ein, so erhalten wir \[ f(x+2)=f(xf(2))f(2)=0\qquad(x\ge0). \] Zusammen mit (iii) zeigt dies, dass \[ f(t)=0\quad\Longleftrightarrow\quad t\ge2 \qquad(t\ge0). \]
Wir wählen ein beliebiges \(y\in[0,2)\) fest und schreiben \(a=f(y)>0\). Setzen wir \(x=2-y\) in (i) ein, so ergibt sich \[ f((2-y)a)\,a=f(2)=0. \] Somit ist \(f((2-y)a)=0\), und die obige Charakterisierung der Nullstellen liefert \[ (2-y)a\ge2, \qquad\text{also}\qquad a\ge\frac{2}{2-y}. \]
Andererseits ergibt das Einsetzen von \(x=2/a\) in (i) \[ f\left(y+\frac2a\right)=f(2)\,a=0. \] Folglich gilt \[ y+\frac2a\ge2, \qquad\text{also}\qquad a\le\frac{2}{2-y}. \] Daher gilt \(f(y)=2/(2-y)\) für jedes \(0\le y<2\). Damit ist die Eindeutigkeit bewiesen.
Es bleibt zu überprüfen, dass die angegebene Funktion die Bedingungen erfüllt. Die Bedingungen (ii) und (iii) gelten unmittelbar. Für (i) seien \(x,y\ge0\).
Falls \(y\ge2\), so sind \(f(y)=0\) und \(x+y\ge2\), also sind beide Seiten von (i) null.
Falls \(y<2\), so gilt \[ xf(y)=\frac{2x}{2-y}. \] Wenn \(x+y\ge2\), ist dieses Argument mindestens \(2\), sodass wiederum beide Seiten von (i) null sind. Wenn \(x+y<2\), ist das Argument kleiner als \(2\), und es gilt \[ f(xf(y))f(y) = \frac{2}{\,2-\frac{2x}{2-y}\,}\cdot\frac{2}{2-y} = \frac{2}{2-x-y} = f(x+y). \] Somit gilt (i) in jedem Fall, womit der Beweis abgeschlossen ist.
Die Lösung wurde mit dem IMO-Lösungsarchiv von John Scholes (Kalva) abgeglichen.
IMO 1986 · Soru 5
Negatif olmayan gerçek sayılar üzerinde tanımlı, negatif olmayan gerçek değerler alan ve aşağıdaki koşulları sağlayan tüm \(f\) fonksiyonlarını bulunuz:
\[ \begin{aligned} \text{(i)}\quad & f(xf(y))\cdot f(y)=f(x+y)\quad\text{tüm }x,y\ge 0,\\ \text{(ii)}\quad & f(2)=0,\\ \text{(iii)}\quad & f(x)\ne 0\quad\text{şu aralıkta: }0\le x<2. \end{aligned} \]
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Cevap
Tek çözüm \[ \boxed{ f(x)= \begin{cases} \dfrac{2}{2-x},&0\le x<2,\\[4pt] 0,&x\ge 2. \end{cases}} \] fonksiyonudur.
Çözüm
(i)'de \(y=2\) koyarak \[ f(x+2)=f(xf(2))f(2)=0\qquad(x\ge0) \] elde ederiz. Bu, (iii) ile birlikte, \[ f(t)=0\quad\Longleftrightarrow\quad t\ge2 \qquad(t\ge0) \] olduğunu gösterir.
Herhangi bir \(y\in[0,2)\) sabitleyelim ve \(a=f(y)>0\) yazalım. (i)'de \(x=2-y\) alırsak \[ f((2-y)a)\,a=f(2)=0 \] olur. Böylece \(f((2-y)a)=0\) olduğundan, yukarıda sıfırlar için elde edilen koşuldan \[ (2-y)a\ge2, \qquad\text{dolayısıyla}\qquad a\ge\frac{2}{2-y} \] elde edilir.
Öte yandan, (i)'de \(x=2/a\) alırsak \[ f\left(y+\frac2a\right)=f(2)\,a=0 \] olur. Buna göre, \[ y+\frac2a\ge2, \qquad\text{dolayısıyla}\qquad a\le\frac{2}{2-y}. \] Dolayısıyla her \(0\le y<2\) için \(f(y)=2/(2-y)\)'dir. Bu, tekliği kanıtlar.
Geriye, önerilen fonksiyonun koşulları sağladığını doğrulamak kalır. (ii) ve (iii) koşulları doğrudan sağlanır. (i) için \(x,y\ge0\) olsun.
\(y\ge2\) ise \(f(y)=0\) ve \(x+y\ge2\) olduğundan, (i)'nin her iki tarafı da sıfırdır.
\(y<2\) ise \[ xf(y)=\frac{2x}{2-y} \] olur. \(x+y\ge2\) olduğunda, fonksiyonun bu argümanı en az \(2\)'dir; dolayısıyla (i)'nin her iki tarafı yine sıfırdır. \(x+y<2\) olduğunda ise argüman \(2\)'den küçüktür ve \[ f(xf(y))f(y) = \frac{2}{\,2-\frac{2x}{2-y}\,}\cdot\frac{2}{2-y} = \frac{2}{2-x-y} = f(x+y). \] Böylece (i) her durumda sağlanır ve kanıt tamamlanır.
Çözüm, John Scholes'un IMO çözüm arşiviyle (Kalva) karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 1986 · Problema 5
Hallar todas las funciones \(f\), definidas en los números reales no negativos y con valores reales no negativos, tales que:
\[ \begin{aligned} \text{(i)}\quad & f(xf(y))\cdot f(y)=f(x+y)\quad\text{para todo }x,y\ge 0,\\ \text{(ii)}\quad & f(2)=0,\\ \text{(iii)}\quad & f(x)\ne 0\quad\text{para }0\le x<2. \end{aligned} \]
Enunciado traducido del texto oficial en inglés. Enunciado oficial (PDF)
Respuesta
La única solución es \[ \boxed{ f(x)= \begin{cases} \dfrac{2}{2-x},&0\le x<2,\\[4pt] 0,&x\ge 2. \end{cases}} \]
Solución
Tomando \(y=2\) en (i), obtenemos \[ f(x+2)=f(xf(2))f(2)=0\qquad(x\ge0). \] Junto con (iii), esto muestra que \[ f(t)=0\quad\Longleftrightarrow\quad t\ge2 \qquad(t\ge0). \]
Fijemos un \(y\in[0,2)\) cualquiera y escribamos \(a=f(y)>0\). Tomando \(x=2-y\) en (i), obtenemos \[ f((2-y)a)\,a=f(2)=0. \] Así, \(f((2-y)a)=0\), por lo que la caracterización de los ceros anterior da \[ (2-y)a\ge2, \qquad\text{por tanto}\qquad a\ge\frac{2}{2-y}. \]
Por otro lado, tomando \(x=2/a\) en (i), obtenemos \[ f\left(y+\frac2a\right)=f(2)\,a=0. \] En consecuencia, \[ y+\frac2a\ge2, \qquad\text{por tanto}\qquad a\le\frac{2}{2-y}. \] Por tanto, \(f(y)=2/(2-y)\) para todo \(0\le y<2\). Esto demuestra la unicidad.
Queda por verificar la función propuesta. Las condiciones (ii) y (iii) se cumplen de inmediato. Para (i), sean \(x,y\ge0\).
Si \(y\ge2\), entonces \(f(y)=0\) y \(x+y\ge2\), por lo que ambos miembros de (i) son cero.
Si \(y<2\), entonces \[ xf(y)=\frac{2x}{2-y}. \] Cuando \(x+y\ge2\), este argumento es al menos \(2\), por lo que, de nuevo, ambos miembros de (i) son cero. Cuando \(x+y<2\), el argumento es menor que \(2\), y \[ f(xf(y))f(y) = \frac{2}{\,2-\frac{2x}{2-y}\,}\cdot\frac{2}{2-y} = \frac{2}{2-x-y} = f(x+y). \] Así, (i) se cumple en todos los casos, lo que completa la demostración.
La solución se comprobó con el archivo de soluciones de la IMO de John Scholes (Kalva).
IMO 1986 · 问题 5
求所有定义在非负实数上、取非负实数值的函数 \(f\),使得:
\[ \begin{aligned} \text{(i)}\quad & f(xf(y))\cdot f(y)=f(x+y)\quad\text{对所有 }x,y\ge 0,\\ \text{(ii)}\quad & f(2)=0,\\ \text{(iii)}\quad & f(x)\ne 0\quad\text{当 }0\le x<2. \end{aligned} \]
题目译自官方英文原文。 官方试卷 (PDF)
答案
唯一的解为 \[ \boxed{ f(x)= \begin{cases} \dfrac{2}{2-x},&0\le x<2,\\[4pt] 0,&x\ge 2. \end{cases}} \]
解答
在 (i) 中令 \(y=2\),得到 \[ f(x+2)=f(xf(2))f(2)=0\qquad(x\ge0). \] 结合 (iii),可知 \[ f(t)=0\quad\Longleftrightarrow\quad t\ge2 \qquad(t\ge0). \]
任意固定 \(y\in[0,2)\),并记 \(a=f(y)>0\)。在 (i) 中取 \(x=2-y\),得 \[ f((2-y)a)\,a=f(2)=0. \] 于是 \(f((2-y)a)=0\),所以由上述零点的刻画可得 \[ (2-y)a\ge2, \qquad\text{从而}\qquad a\ge\frac{2}{2-y}. \]
另一方面,在 (i) 中取 \(x=2/a\),得 \[ f\left(y+\frac2a\right)=f(2)\,a=0. \] 因此, \[ y+\frac2a\ge2, \qquad\text{从而}\qquad a\le\frac{2}{2-y}. \] 所以,\(f(y)=2/(2-y)\) 对每个 \(0\le y<2\) 都成立。这就证明了唯一性。
还需验证上述函数。条件 (ii) 和 (iii) 显然成立。对于 (i),设 \(x,y\ge0\)。
若 \(y\ge2\),则 \(f(y)=0\) 且 \(x+y\ge2\),所以 (i) 的两端均为零。
若 \(y<2\),则 \[ xf(y)=\frac{2x}{2-y}. \] 当 \(x+y\ge2\) 时,这个自变量的值至少为 \(2\),所以 (i) 的两端仍均为零。当 \(x+y<2\) 时,这个自变量的值小于 \(2\),且 \[ f(xf(y))f(y) = \frac{2}{\,2-\frac{2x}{2-y}\,}\cdot\frac{2}{2-y} = \frac{2}{2-x-y} = f(x+y). \] 因此,(i) 在所有情形下都成立,证明完毕。
解答已与 John Scholes 的 IMO 解答档案(Kalva)核对。
IMO 1986 · Задача 5
Найдите все функции \(f\), определённые на множестве неотрицательных действительных чисел и принимающие неотрицательные действительные значения, такие, что:
\[ \begin{aligned} \text{(i)}\quad & f(xf(y))\cdot f(y)=f(x+y)\quad\text{для всех }x,y\ge 0,\\ \text{(ii)}\quad & f(2)=0,\\ \text{(iii)}\quad & f(x)\ne 0\quad\text{при }0\le x<2. \end{aligned} \]
Условие переведено с официального английского текста. Официальный текст задач (PDF)
Ответ
Единственное решение имеет вид \[ \boxed{ f(x)= \begin{cases} \dfrac{2}{2-x},&0\le x<2,\\[4pt] 0,&x\ge 2. \end{cases}} \]
Решение
Подставляя \(y=2\) в (i), получаем \[ f(x+2)=f(xf(2))f(2)=0\qquad(x\ge0). \] Вместе с (iii) это показывает, что \[ f(t)=0\quad\Longleftrightarrow\quad t\ge2 \qquad(t\ge0). \]
Зафиксируем произвольное \(y\in[0,2)\) и обозначим \(a=f(y)>0\). Подставляя \(x=2-y\) в (i), получаем \[ f((2-y)a)\,a=f(2)=0. \] Таким образом, \(f((2-y)a)=0\), и из полученного выше описания нулей функции следует \[ (2-y)a\ge2, \qquad\text{откуда}\qquad a\ge\frac{2}{2-y}. \]
С другой стороны, подставляя \(x=2/a\) в (i), получаем \[ f\left(y+\frac2a\right)=f(2)\,a=0. \] Следовательно, \[ y+\frac2a\ge2, \qquad\text{откуда}\qquad a\le\frac{2}{2-y}. \] Поэтому \(f(y)=2/(2-y)\) для любого \(0\le y<2\). Тем самым единственность доказана.
Остаётся проверить найденную функцию. Условия (ii) и (iii) выполняются непосредственно. Для проверки (i) возьмём \(x,y\ge0\).
Если \(y\ge2\), то \(f(y)=0\) и \(x+y\ge2\), поэтому обе части (i) равны нулю.
Если \(y<2\), то \[ xf(y)=\frac{2x}{2-y}. \] При \(x+y\ge2\) этот аргумент не меньше \(2\), поэтому обе части (i) снова равны нулю. При \(x+y<2\) аргумент меньше \(2\), и \[ f(xf(y))f(y) = \frac{2}{\,2-\frac{2x}{2-y}\,}\cdot\frac{2}{2-y} = \frac{2}{2-x-y} = f(x+y). \] Таким образом, (i) выполняется во всех случаях, что завершает доказательство.
Решение проверено по архиву решений IMO Джона Скоулза (Kalva).
IMO 1986 · المسألة 5
أوجد جميع الدوال \(f\)، المعرّفة على الأعداد الحقيقية غير السالبة والتي تأخذ قيمًا حقيقية غير سالبة، بحيث:
\[ \begin{aligned} \text{(i)}\quad & f(xf(y))\cdot f(y)=f(x+y)\quad\text{لكل }x,y\ge 0,\\ \text{(ii)}\quad & f(2)=0,\\ \text{(iii)}\quad & f(x)\ne 0\quad\text{عندما }0\le x<2. \end{aligned} \]
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الإجابة
الحل الوحيد هو \[ \boxed{ f(x)= \begin{cases} \dfrac{2}{2-x},&0\le x<2,\\[4pt] 0,&x\ge 2. \end{cases}} \]
الحل
بوضع \(y=2\) في (i)، نحصل على \[ f(x+2)=f(xf(2))f(2)=0\qquad(x\ge0). \] ومع (iii)، يبيّن هذا أن \[ f(t)=0\quad\Longleftrightarrow\quad t\ge2 \qquad(t\ge0). \]
نثبت أي \(y\in[0,2)\)، ونكتب \(a=f(y)>0\). بأخذ \(x=2-y\) في (i) نحصل على \[ f((2-y)a)\,a=f(2)=0. \] إذن \(f((2-y)a)=0\)، ومن ثم يعطينا توصيف الأصفار أعلاه \[ (2-y)a\ge2, \qquad\text{ومن ثم}\qquad a\ge\frac{2}{2-y}. \]
من جهة أخرى، بأخذ \(x=2/a\) في (i) نحصل على \[ f\left(y+\frac2a\right)=f(2)\,a=0. \] وعليه، \[ y+\frac2a\ge2, \qquad\text{ومن ثم}\qquad a\le\frac{2}{2-y}. \] إذن \(f(y)=2/(2-y)\) لكل \(0\le y<2\). وهذا يثبت الوحدانية.
يبقى أن نتحقق من الدالة المقترحة. يتحقق الشرطان (ii) و(iii) مباشرة. وللتحقق من (i)، ليكن \(x,y\ge0\).
إذا كان \(y\ge2\)، فإن \(f(y)=0\) و\(x+y\ge2\)، لذا كلا طرفي (i) يساوي صفرًا.
إذا كان \(y<2\)، فإن \[ xf(y)=\frac{2x}{2-y}. \] عندما يكون \(x+y\ge2\)، لا تقل قيمة هذه الحجة عن \(2\)، فيكون كلا طرفي (i) صفرًا أيضًا. وعندما يكون \(x+y<2\)، تكون الحجة أصغر من \(2\)، ويكون \[ f(xf(y))f(y) = \frac{2}{\,2-\frac{2x}{2-y}\,}\cdot\frac{2}{2-y} = \frac{2}{2-x-y} = f(x+y). \] إذن يتحقق (i) في كل حالة، وبذلك يكتمل البرهان.
تمت مراجعة الحل بمقارنته بأرشيف حلول IMO لجون سكولز (Kalva).