IMO 1992 · Problem 2
Let \(\mathbf{R}\) denote the set of all real numbers. Find all functions \(f:\mathbf{R}\to\mathbf{R}\) such that \[ f\left(x^2+f(y)\right)=y+(f(x))^2 \qquad\text{for all }x,y\in R. \]
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Answer
The unique solution is \[ \boxed{f(x)=x\quad\text{for every }x\in\mathbf{R}.} \]
Solution
Put \(c=f(0)\). Setting \(x=0\) in the given equation gives \[ f(f(y))=y+c^2 \qquad (y\in\mathbf{R}). \tag{1} \] Consequently, \(f\) is injective: if \(f(u)=f(v)\), applying \(f\) and using (1) yields \(u=v\). It is also surjective, since the right-hand side of (1) takes every real value.
We first prove that \(c=0\). By surjectivity, choose \(a\in\mathbf{R}\) with \(f(a)=0\). Substituting \((x,y)=(a,0)\) and \((-a,0)\) into the original equation gives \[ f(a^2+c)=f(a)^2=0, \qquad f(a^2+c)=f(-a)^2. \] Thus \(f(-a)=0=f(a)\). Injectivity implies \(-a=a\), so \(a=0\), and hence \(c=f(0)=0\). Equation (1) therefore becomes \[ f(f(y))=y \qquad (y\in\mathbf{R}). \tag{2} \]
Next, we show that \(f\) is nondecreasing. Let \(s\le t\). In the original equation, take \[ x=\sqrt{t-s},\qquad y=f(s). \] Using (2), we obtain \[ f(t)=f(s)+\left(f\left(\sqrt{t-s}\right)\right)^2\ge f(s). \]
Finally, fix any \(u\in\mathbf{R}\). If \(f(u)>u\), monotonicity and (2) imply \[ u=f(f(u))\ge f(u)>u, \] a contradiction. If \(f(u)<u\), they imply \[ u=f(f(u))\le f(u)<u, \] again a contradiction. Therefore \(f(u)=u\) for every real \(u\).
Conversely, \(f(x)=x\) satisfies the equation, since \[ f(x^2+f(y))=x^2+y=y+(f(x))^2. \] This proves uniqueness and existence.
The solution was checked against John Scholes' IMO solution archive (Kalva).
IMO 1992 · Aufgabe 2
Es bezeichne \(\mathbf{R}\) die Menge aller reellen Zahlen. Bestimme alle Funktionen \(f:\mathbf{R}\to\mathbf{R}\), für die gilt: \[ f\left(x^2+f(y)\right)=y+(f(x))^2 \qquad\text{für alle }x,y\in R. \]
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Antwort
Die einzige Lösung ist \[ \boxed{f(x)=x\quad\text{für jedes }x\in\mathbf{R}.} \]
Lösung
Setze \(c=f(0)\). Setzt man \(x=0\) in die gegebene Gleichung ein, so erhält man \[ f(f(y))=y+c^2 \qquad (y\in\mathbf{R}). \tag{1} \] Folglich ist \(f\) injektiv: Ist \(f(u)=f(v)\), so ergibt die Anwendung von \(f\) mithilfe von (1), dass \(u=v\) gilt. Die Funktion ist auch surjektiv, da die rechte Seite von (1) jeden reellen Wert annimmt.
Wir beweisen zunächst, dass \(c=0\) gilt. Aufgrund der Surjektivität können wir \(a\in\mathbf{R}\) mit \(f(a)=0\) wählen. Setzen wir \((x,y)=(a,0)\) und \((-a,0)\) in die ursprüngliche Gleichung ein, so erhalten wir \[ f(a^2+c)=f(a)^2=0, \qquad f(a^2+c)=f(-a)^2. \] Somit ist \(f(-a)=0=f(a)\). Aus der Injektivität folgt \(-a=a\), also \(a=0\) und damit \(c=f(0)=0\). Gleichung (1) wird daher zu \[ f(f(y))=y \qquad (y\in\mathbf{R}). \tag{2} \]
Als Nächstes zeigen wir, dass \(f\) monoton nicht fallend ist. Sei \(s\le t\). In der ursprünglichen Gleichung wählen wir \[ x=\sqrt{t-s},\qquad y=f(s). \] Mithilfe von (2) erhalten wir \[ f(t)=f(s)+\left(f\left(\sqrt{t-s}\right)\right)^2\ge f(s). \]
Sei schließlich \(u\in\mathbf{R}\) beliebig fest gewählt. Falls \(f(u)>u\) ist, folgen aus der Monotonie und (2) \[ u=f(f(u))\ge f(u)>u, \] ein Widerspruch. Falls \(f(u)<u\) ist, folgt daraus \[ u=f(f(u))\le f(u)<u, \] ebenfalls ein Widerspruch. Daher ist \(f(u)=u\) für jede reelle Zahl \(u\).
Umgekehrt erfüllt \(f(x)=x\) die Gleichung, denn \[ f(x^2+f(y))=x^2+y=y+(f(x))^2. \] Damit sind Eindeutigkeit und Existenz bewiesen.
Die Lösung wurde mit dem IMO-Lösungsarchiv von John Scholes (Kalva) abgeglichen.
IMO 1992 · Soru 2
\(\mathbf{R}\) tüm gerçel sayılar kümesini göstersin. \[ f\left(x^2+f(y)\right)=y+(f(x))^2 \qquad\text{tüm gerçel sayı çiftleri için }x,y\in R \] koşulunu sağlayan tüm \(f:\mathbf{R}\to\mathbf{R}\) fonksiyonlarını bulunuz.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Cevap
Tek çözüm \[ \boxed{f(x)=x\quad\text{her gerçel sayı için }x\in\mathbf{R}} \] fonksiyonudur.
Çözüm
\(c=f(0)\) olsun. Verilen denklemde \(x=0\) alırsak \[ f(f(y))=y+c^2 \qquad (y\in\mathbf{R}). \tag{1} \] Bunun sonucunda \(f\) bire birdir: \(f(u)=f(v)\) ise her iki tarafa \(f\) uygulayıp (1)'i kullanarak \(u=v\) elde ederiz. (1)'in sağ tarafı her gerçel değeri aldığından \(f\) aynı zamanda örtendir.
Önce \(c=0\) olduğunu kanıtlayalım. Örtenlikten, \(f(a)=0\) olacak şekilde bir \(a\in\mathbf{R}\) seçelim. Başlangıçtaki denklemde \((x,y)=(a,0)\) ve \((-a,0)\) yazarsak \[ f(a^2+c)=f(a)^2=0, \qquad f(a^2+c)=f(-a)^2. \] Dolayısıyla \(f(-a)=0=f(a)\) olur. Bire birlikten \(-a=a\), dolayısıyla \(a=0\) ve buradan \(c=f(0)=0\) elde edilir. Böylece (1) denklemi \[ f(f(y))=y \qquad (y\in\mathbf{R}) \tag{2} \] biçimini alır.
Şimdi \(f\)'nin azalmayan olduğunu gösterelim. \(s\le t\) olsun. Başlangıçtaki denklemde \[ x=\sqrt{t-s},\qquad y=f(s) \] alalım. (2)'yi kullanarak \[ f(t)=f(s)+\left(f\left(\sqrt{t-s}\right)\right)^2\ge f(s) \] elde ederiz.
Son olarak, herhangi bir \(u\in\mathbf{R}\) sabitleyelim. \(f(u)>u\) ise monotonluktan ve (2)'den \[ u=f(f(u))\ge f(u)>u, \] çelişkisi elde edilir. \(f(u)<u\) ise aynı özelliklerden \[ u=f(f(u))\le f(u)<u, \] çelişkisi elde edilir. O hâlde her gerçel \(u\) için \(f(u)=u\) olur.
Tersine, \(f(x)=x\) fonksiyonu denklemi sağlar, çünkü \[ f(x^2+f(y))=x^2+y=y+(f(x))^2. \] Bu, çözümün varlığını ve tekliğini kanıtlar.
Çözüm, John Scholes'un IMO çözüm arşiviyle (Kalva) karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 1992 · Problema 2
Sea \(\mathbf{R}\) el conjunto de todos los números reales. Hallar todas las funciones \(f:\mathbf{R}\to\mathbf{R}\) tales que \[ f\left(x^2+f(y)\right)=y+(f(x))^2 \qquad\text{para todo }x,y\in R. \]
Enunciado traducido del texto oficial en inglés. Enunciado oficial (PDF)
Respuesta
La única solución es \[ \boxed{f(x)=x\quad\text{para todo }x\in\mathbf{R}.} \]
Solución
Sea \(c=f(0)\). Tomando \(x=0\) en la ecuación dada, obtenemos \[ f(f(y))=y+c^2 \qquad (y\in\mathbf{R}). \tag{1} \] En consecuencia, \(f\) es inyectiva: si \(f(u)=f(v)\), al aplicar \(f\) y usar (1) se obtiene \(u=v\). También es sobreyectiva, pues el miembro derecho de (1) toma todos los valores reales.
Primero demostramos que \(c=0\). Por la sobreyectividad, elijamos \(a\in\mathbf{R}\) tal que \(f(a)=0\). Sustituyendo \((x,y)=(a,0)\) y \((-a,0)\) en la ecuación original, obtenemos \[ f(a^2+c)=f(a)^2=0, \qquad f(a^2+c)=f(-a)^2. \] Así, \(f(-a)=0=f(a)\). La inyectividad implica \(-a=a\), por lo que \(a=0\), y, en consecuencia, \(c=f(0)=0\). Por tanto, la ecuación (1) se convierte en \[ f(f(y))=y \qquad (y\in\mathbf{R}). \tag{2} \]
A continuación, mostramos que \(f\) es no decreciente. Sean \(s\le t\). En la ecuación original, tomemos \[ x=\sqrt{t-s},\qquad y=f(s). \] Usando (2), obtenemos \[ f(t)=f(s)+\left(f\left(\sqrt{t-s}\right)\right)^2\ge f(s). \]
Finalmente, fijemos un \(u\in\mathbf{R}\) cualquiera. Si \(f(u)>u\), la monotonía y (2) implican \[ u=f(f(u))\ge f(u)>u, \] lo cual es una contradicción. Si \(f(u)<u\), implican \[ u=f(f(u))\le f(u)<u, \] lo cual también es una contradicción. Por tanto, \(f(u)=u\) para todo real \(u\).
Recíprocamente, \(f(x)=x\) satisface la ecuación, pues \[ f(x^2+f(y))=x^2+y=y+(f(x))^2. \] Esto demuestra la unicidad y la existencia.
La solución se comprobó con el archivo de soluciones de la IMO de John Scholes (Kalva).
IMO 1992 · 问题 2
用 \(\mathbf{R}\) 表示所有实数组成的集合。求所有函数 \(f:\mathbf{R}\to\mathbf{R}\),使得 \[ f\left(x^2+f(y)\right)=y+(f(x))^2 \qquad\text{对所有 }x,y\in R. \]
题目译自官方英文原文。 官方试卷 (PDF)
答案
唯一的解是 \[ \boxed{f(x)=x\quad\text{对每个 }x\in\mathbf{R}.} \]
解答
令 \(c=f(0)\)。在所给方程中取 \(x=0\),得 \[ f(f(y))=y+c^2 \qquad (y\in\mathbf{R}). \tag{1} \] 因此,\(f\) 是单射:若 \(f(u)=f(v)\),对两边作用 \(f\) 并利用 (1),即得 \(u=v\)。它也是满射,因为 (1) 的右边能取遍所有实数。
先证明 \(c=0\)。由满射性,可取 \(a\in\mathbf{R}\) 使得 \(f(a)=0\)。将 \((x,y)=(a,0)\) 和 \((-a,0)\) 代入原方程,得 \[ f(a^2+c)=f(a)^2=0, \qquad f(a^2+c)=f(-a)^2. \] 于是 \(f(-a)=0=f(a)\)。由单射性可得 \(-a=a\),故 \(a=0\),从而 \(c=f(0)=0\)。因此,方程 (1) 变为 \[ f(f(y))=y \qquad (y\in\mathbf{R}). \tag{2} \]
接着证明 \(f\) 单调不减。设 \(s\le t\)。在原方程中取 \[ x=\sqrt{t-s},\qquad y=f(s). \] 利用 (2),得到 \[ f(t)=f(s)+\left(f\left(\sqrt{t-s}\right)\right)^2\ge f(s). \]
最后,任取 \(u\in\mathbf{R}\)。若 \(f(u)>u\),由单调性及 (2) 可得 \[ u=f(f(u))\ge f(u)>u, \] 矛盾。若 \(f(u)<u\),同理可得 \[ u=f(f(u))\le f(u)<u, \] 也矛盾。因此,对每个实数 \(u\),都有 \(f(u)=u\)。
反过来,\(f(x)=x\) 满足方程,因为 \[ f(x^2+f(y))=x^2+y=y+(f(x))^2. \] 这就证明了解的唯一性和存在性。
解答已与 John Scholes 的 IMO 解答档案(Kalva)核对。
IMO 1992 · Задача 2
Пусть \(\mathbf{R}\) обозначает множество всех действительных чисел. Найдите все функции \(f:\mathbf{R}\to\mathbf{R}\), для которых \[ f\left(x^2+f(y)\right)=y+(f(x))^2 \qquad\text{для всех }x,y\in R. \]
Условие переведено с официального английского текста. Официальный текст задач (PDF)
Ответ
Единственное решение: \[ \boxed{f(x)=x\quad\text{для любого }x\in\mathbf{R}.} \]
Решение
Положим \(c=f(0)\). Подставляя \(x=0\) в данное уравнение, получаем \[ f(f(y))=y+c^2 \qquad (y\in\mathbf{R}). \tag{1} \] Следовательно, \(f\) инъективна: если \(f(u)=f(v)\), то, применяя \(f\) и используя (1), получаем \(u=v\). Она также сюръективна, поскольку правая часть (1) принимает все действительные значения.
Сначала докажем, что \(c=0\). В силу сюръективности выберем \(a\in\mathbf{R}\) так, чтобы \(f(a)=0\). Подставляя \((x,y)=(a,0)\) и \((-a,0)\) в исходное уравнение, получаем \[ f(a^2+c)=f(a)^2=0, \qquad f(a^2+c)=f(-a)^2. \] Таким образом, \(f(-a)=0=f(a)\). Из инъективности следует \(-a=a\), поэтому \(a=0\), а значит, \(c=f(0)=0\). Следовательно, уравнение (1) принимает вид \[ f(f(y))=y \qquad (y\in\mathbf{R}). \tag{2} \]
Теперь покажем, что \(f\) не убывает. Пусть \(s\le t\). В исходном уравнении возьмём \[ x=\sqrt{t-s},\qquad y=f(s). \] Используя (2), получаем \[ f(t)=f(s)+\left(f\left(\sqrt{t-s}\right)\right)^2\ge f(s). \]
Наконец, зафиксируем произвольное \(u\in\mathbf{R}\). Если \(f(u)>u\), то из монотонности и (2) следует \[ u=f(f(u))\ge f(u)>u, \] что приводит к противоречию. Если \(f(u)<u\), то из них следует \[ u=f(f(u))\le f(u)<u, \] что снова приводит к противоречию. Следовательно, \(f(u)=u\) для любого действительного \(u\).
Обратно, функция \(f(x)=x\) удовлетворяет уравнению, поскольку \[ f(x^2+f(y))=x^2+y=y+(f(x))^2. \] Тем самым доказаны единственность и существование решения.
Решение проверено по архиву решений IMO Джона Скоулза (Kalva).
IMO 1992 · المسألة 2
لتكن \(\mathbf{R}\) مجموعة جميع الأعداد الحقيقية. أوجد جميع الدوال \(f:\mathbf{R}\to\mathbf{R}\) التي تحقق \[ f\left(x^2+f(y)\right)=y+(f(x))^2 \qquad\text{لكل }x,y\in R. \]
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الإجابة
الحل الوحيد هو \[ \boxed{f(x)=x\quad\text{لكل }x\in\mathbf{R}.} \]
الحل
لنضع \(c=f(0)\). بوضع \(x=0\) في المعادلة المعطاة نحصل على \[ f(f(y))=y+c^2 \qquad (y\in\mathbf{R}). \tag{1} \] وبالتالي، فإن \(f\) متباينة: إذا كان \(f(u)=f(v)\)، فإن تطبيق \(f\) واستخدام (1) يعطي \(u=v\). وهي شاملة أيضًا، لأن الطرف الأيمن من (1) يأخذ كل قيمة حقيقية.
نثبت أولًا أن \(c=0\). بما أن الدالة شاملة، نختار \(a\in\mathbf{R}\) بحيث \(f(a)=0\). بالتعويض بـ\((x,y)=(a,0)\) و\((-a,0)\) في المعادلة الأصلية نحصل على \[ f(a^2+c)=f(a)^2=0, \qquad f(a^2+c)=f(-a)^2. \] إذن \(f(-a)=0=f(a)\). ومن تباين الدالة ينتج \(-a=a\)، ومن ثم \(a=0\)، وبالتالي \(c=f(0)=0\). لذا تصبح المعادلة (1) \[ f(f(y))=y \qquad (y\in\mathbf{R}). \tag{2} \]
نبيّن الآن أن \(f\) غير متناقصة. ليكن \(s\le t\). نأخذ في المعادلة الأصلية \[ x=\sqrt{t-s},\qquad y=f(s). \] وباستخدام (2)، نحصل على \[ f(t)=f(s)+\left(f\left(\sqrt{t-s}\right)\right)^2\ge f(s). \]
أخيرًا، نثبت عددًا كيفيًا \(u\in\mathbf{R}\). إذا كان \(f(u)>u\)، فإن رتابة الدالة و(2) تعطيان \[ u=f(f(u))\ge f(u)>u, \] وهذا تناقض. وإذا كان \(f(u)<u\)، فإنهما تعطيان \[ u=f(f(u))\le f(u)<u, \] وهذا تناقض أيضًا. وعليه \(f(u)=u\) لكل عدد حقيقي \(u\).
وعكسًا، تحقق \(f(x)=x\) المعادلة، إذ إن \[ f(x^2+f(y))=x^2+y=y+(f(x))^2. \] وهذا يثبت الوحدانية والوجود.
تمت مراجعة الحل بمقارنته بأرشيف حلول IMO لجون سكولز (Kalva).