IMO 1994 · Problem 5
Let \(S\) be the set of real numbers strictly greater than \(-1\). Find all functions \(f:S\to S\) satisfying the two conditions:
- \(f(x+f(y)+xf(y))=y+f(x)+yf(x)\) for all \(x\) and \(y\) in \(S\);
- \(\dfrac{f(x)}{x}\) is strictly increasing on each of the intervals \(-1<x<0\) and \(0<x\).
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Answer
The unique solution is \[ \boxed{f(x)=-\frac{x}{1+x}\qquad(x>-1).} \]
Solution
We first prove that every fixed point of \(f\) must be \(0\).
Suppose that \(f(a)=a\), and put \[ b=2a+a^2=(1+a)^2-1. \] Since \(a>-1\), we have \(b>-1\). Substituting \(x=y=a\) into the functional equation gives \[ f(b)=b. \] If \(a>0\), then \[ b-a=a(1+a)>0, \] so \(0<a<b\). If \(-1<a<0\), then \(b-a<0\), so \[ -1<b<a<0. \] Thus, whenever \(a\ne0\), the distinct numbers \(a,b\) lie in the same interval on which \(f(t)/t\) is strictly increasing. But \[ \frac{f(a)}a=\frac{f(b)}b=1, \] a contradiction. Consequently, every fixed point is \(0\).
Now take any \(x\in S\), and set \[ z=x+f(x)+xf(x). \] This number belongs to \(S\), because \[ 1+z=(1+x)(1+f(x))>0. \] The functional equation with \(y=x\) gives \[ f(z)=x+f(x)+xf(x)=z. \] Hence \(z\) is a fixed point and therefore \(z=0\). It follows that \[ x+(1+x)f(x)=0, \qquad\text{so}\qquad f(x)=-\frac{x}{1+x}. \]
It remains to verify this function. For every \(x>-1\), \[ 1+f(x)=\frac1{1+x}>0, \] so \(f\) maps \(S\) into \(S\). Moreover, for \(x,y\in S\), \[ x+f(y)+xf(y)=\frac{x-y}{1+y}, \qquad 1+\frac{x-y}{1+y}=\frac{1+x}{1+y}>0. \] Therefore \[ f(x+f(y)+xf(y)) =f\!\left(\frac{x-y}{1+y}\right) =\frac{y-x}{1+x} =y+f(x)+yf(x). \] Finally, for \(x\ne0\), \[ \frac{f(x)}x=-\frac1{1+x}. \] If \(-1<u<v\), then \[ -\frac1{1+v}+\frac1{1+u} =\frac{v-u}{(1+u)(1+v)}>0. \] Thus the required quotient is strictly increasing on each specified interval. Both conditions hold.
The solution was checked against John Scholes' IMO solution archive (Kalva).
IMO 1994 · Aufgabe 5
Sei \(S\) die Menge der reellen Zahlen, die echt größer als \(-1\) sind. Man bestimme alle Funktionen \(f:S\to S\), die die folgenden beiden Bedingungen erfüllen:
- \(f(x+f(y)+xf(y))=y+f(x)+yf(x)\) für alle \(x\) und \(y\) aus \(S\);
- \(\dfrac{f(x)}{x}\) ist auf jedem der Intervalle \(-1<x<0\) und \(0<x\) streng monoton wachsend.
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Antwort
Die einzige Lösung ist \[ \boxed{f(x)=-\frac{x}{1+x}\qquad(x>-1).} \]
Lösung
Wir beweisen zunächst, dass jeder Fixpunkt von \(f\) gleich \(0\) sein muss.
Angenommen, es gilt \(f(a)=a\), und setzen wir \[ b=2a+a^2=(1+a)^2-1. \] Wegen \(a>-1\) gilt \(b>-1\). Setzt man \(x=y=a\) in die Funktionalgleichung ein, so erhält man \[ f(b)=b. \] Ist \(a>0\), so gilt \[ b-a=a(1+a)>0, \] also \(0<a<b\). Ist \(-1<a<0\), so gilt \(b-a<0\), also \[ -1<b<a<0. \] Für \(a\ne0\) liegen die verschiedenen Zahlen \(a,b\) somit im selben Intervall, auf dem \(f(t)/t\) streng monoton wachsend ist. Es gilt aber \[ \frac{f(a)}a=\frac{f(b)}b=1, \] ein Widerspruch. Folglich ist jeder Fixpunkt gleich \(0\).
Nun wählen wir ein beliebiges \(x\in S\) und setzen \[ z=x+f(x)+xf(x). \] Diese Zahl gehört zu \(S\), denn \[ 1+z=(1+x)(1+f(x))>0. \] Die Funktionalgleichung mit \(y=x\) ergibt \[ f(z)=x+f(x)+xf(x)=z. \] Also ist \(z\) ein Fixpunkt und daher \(z=0\). Daraus folgt \[ x+(1+x)f(x)=0, \qquad\text{also}\qquad f(x)=-\frac{x}{1+x}. \]
Es bleibt zu überprüfen, dass diese Funktion die Bedingungen erfüllt. Für jedes \(x>-1\) gilt \[ 1+f(x)=\frac1{1+x}>0, \] also bildet \(f\) die Menge \(S\) in sich ab. Außerdem gilt für \(x,y\in S\) \[ x+f(y)+xf(y)=\frac{x-y}{1+y}, \qquad 1+\frac{x-y}{1+y}=\frac{1+x}{1+y}>0. \] Daher ist \[ f(x+f(y)+xf(y)) =f\!\left(\frac{x-y}{1+y}\right) =\frac{y-x}{1+x} =y+f(x)+yf(x). \] Schließlich gilt für \(x\ne0\) \[ \frac{f(x)}x=-\frac1{1+x}. \] Ist \(-1<u<v\), so gilt \[ -\frac1{1+v}+\frac1{1+u} =\frac{v-u}{(1+u)(1+v)}>0. \] Somit ist der geforderte Quotient auf jedem der angegebenen Intervalle streng monoton wachsend. Beide Bedingungen sind erfüllt.
Die Lösung wurde mit dem IMO-Lösungsarchiv von John Scholes (Kalva) abgeglichen.
IMO 1994 · Soru 5
\(S\), \(-1\)'den büyük gerçel sayılar kümesi olsun. Aşağıdaki iki koşulu sağlayan tüm \(f:S\to S\) fonksiyonlarını bulunuz:
- \(S\)'deki tüm \(x\) ve \(y\) için \(f(x+f(y)+xf(y))=y+f(x)+yf(x)\);
- \(\dfrac{f(x)}{x}\), \(-1<x<0\) ve \(0<x\) aralıklarının her birinde kesin artandır.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Cevap
Tek çözüm \[ \boxed{f(x)=-\frac{x}{1+x}\qquad(x>-1)} \] fonksiyonudur.
Çözüm
Önce \(f\)'nin her sabit noktasının \(0\) olması gerektiğini kanıtlayalım.
\(f(a)=a\) olduğunu varsayalım ve \[ b=2a+a^2=(1+a)^2-1 \] olsun. \(a>-1\) olduğundan \(b>-1\)'dir. Fonksiyonel denklemde \(x=y=a\) koyarsak \[ f(b)=b \] elde ederiz. \(a>0\) ise, \[ b-a=a(1+a)>0, \] dolayısıyla \(0<a<b\)'dir. \(-1<a<0\) ise \(b-a<0\) olur, dolayısıyla \[ -1<b<a<0. \] Böylece \(a\ne0\) olduğunda, birbirinden farklı \(a,b\) sayıları \(f(t)/t\)'nin kesin artan olduğu aynı aralıkta yer alır. Oysa \[ \frac{f(a)}a=\frac{f(b)}b=1, \] olması bir çelişkidir. Sonuç olarak, her sabit nokta \(0\)'dır.
Şimdi herhangi bir \(x\in S\) alalım ve \[ z=x+f(x)+xf(x) \] olsun. Bu sayı \(S\)'ye aittir, çünkü \[ 1+z=(1+x)(1+f(x))>0. \] Fonksiyonel denklemde \(y=x\) alırsak \[ f(z)=x+f(x)+xf(x)=z \] elde ederiz. Buna göre \(z\) bir sabit noktadır ve dolayısıyla \(z=0\)'dır. Buradan \[ x+(1+x)f(x)=0, \qquad\text{dolayısıyla}\qquad f(x)=-\frac{x}{1+x} \] elde edilir.
Geriye bu fonksiyonun koşulları sağladığını doğrulamak kalır. Her \(x>-1\) için \[ 1+f(x)=\frac1{1+x}>0, \] olduğundan \(f\), \(S\)'yi \(S\)'ye gönderir. Ayrıca, \(x,y\in S\) için \[ x+f(y)+xf(y)=\frac{x-y}{1+y}, \qquad 1+\frac{x-y}{1+y}=\frac{1+x}{1+y}>0. \] Dolayısıyla \[ f(x+f(y)+xf(y)) =f\!\left(\frac{x-y}{1+y}\right) =\frac{y-x}{1+x} =y+f(x)+yf(x). \] Son olarak, \(x\ne0\) için \[ \frac{f(x)}x=-\frac1{1+x}. \] \(-1<u<v\) ise, \[ -\frac1{1+v}+\frac1{1+u} =\frac{v-u}{(1+u)(1+v)}>0. \] Böylece söz konusu oran, belirtilen aralıkların her birinde kesin artandır. Her iki koşul da sağlanır.
Çözüm, John Scholes'un IMO çözüm arşiviyle (Kalva) karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 1994 · Problema 5
Sea \(S\) el conjunto de los números reales estrictamente mayores que \(-1\). Hallar todas las funciones \(f:S\to S\) que satisfacen las dos condiciones siguientes:
- \(f(x+f(y)+xf(y))=y+f(x)+yf(x)\) para todos los \(x\) e \(y\) de \(S\);
- \(\dfrac{f(x)}{x}\) es estrictamente creciente en cada uno de los intervalos \(-1<x<0\) y \(0<x\).
Enunciado traducido del texto oficial en inglés. Enunciado oficial (PDF)
Respuesta
La única solución es \[ \boxed{f(x)=-\frac{x}{1+x}\qquad(x>-1).} \]
Solución
Primero demostraremos que todo punto fijo de \(f\) debe ser \(0\).
Supongamos que \(f(a)=a\), y sea \[ b=2a+a^2=(1+a)^2-1. \] Como \(a>-1\), tenemos \(b>-1\). Sustituyendo \(x=y=a\) en la ecuación funcional, obtenemos \[ f(b)=b. \] Si \(a>0\), entonces \[ b-a=a(1+a)>0, \] por lo que \(0<a<b\). Si \(-1<a<0\), entonces \(b-a<0\), por lo que \[ -1<b<a<0. \] Así, siempre que \(a\ne0\), los números distintos \(a,b\) pertenecen al mismo intervalo en el que \(f(t)/t\) es estrictamente creciente. Pero \[ \frac{f(a)}a=\frac{f(b)}b=1, \] lo que es una contradicción. Por consiguiente, todo punto fijo es \(0\).
Tomemos ahora un \(x\in S\) cualquiera y sea \[ z=x+f(x)+xf(x). \] Este número pertenece a \(S\), pues \[ 1+z=(1+x)(1+f(x))>0. \] La ecuación funcional con \(y=x\) da \[ f(z)=x+f(x)+xf(x)=z. \] Por tanto, \(z\) es un punto fijo y, en consecuencia, \(z=0\). Se deduce que \[ x+(1+x)f(x)=0, \qquad\text{por lo que}\qquad f(x)=-\frac{x}{1+x}. \]
Queda verificar esta función. Para todo \(x>-1\), \[ 1+f(x)=\frac1{1+x}>0, \] por lo que \(f\) lleva \(S\) en \(S\). Además, para \(x,y\in S\), \[ x+f(y)+xf(y)=\frac{x-y}{1+y}, \qquad 1+\frac{x-y}{1+y}=\frac{1+x}{1+y}>0. \] Por tanto, \[ f(x+f(y)+xf(y)) =f\!\left(\frac{x-y}{1+y}\right) =\frac{y-x}{1+x} =y+f(x)+yf(x). \] Finalmente, para \(x\ne0\), \[ \frac{f(x)}x=-\frac1{1+x}. \] Si \(-1<u<v\), entonces \[ -\frac1{1+v}+\frac1{1+u} =\frac{v-u}{(1+u)(1+v)}>0. \] Así, el cociente requerido es estrictamente creciente en cada uno de los intervalos especificados. Se cumplen ambas condiciones.
La solución se comprobó con el archivo de soluciones de la IMO de John Scholes (Kalva).
IMO 1994 · 问题 5
设 \(S\) 为所有严格大于 \(-1\) 的实数组成的集合。求所有满足以下两个条件的函数 \(f:S\to S\):
- 对任意 \(S\) 中的 \(x\) 和 \(y\),都有 \(f(x+f(y)+xf(y))=y+f(x)+yf(x)\);
- \(\dfrac{f(x)}{x}\) 在区间 \(-1<x<0\) 和 \(0<x\) 上分别严格递增。
题目译自官方英文原文。 官方试卷 (PDF)
答案
唯一的解为 \[ \boxed{f(x)=-\frac{x}{1+x}\qquad(x>-1).} \]
解答
首先证明,\(f\) 的每个不动点都必为 \(0\)。
假设 \(f(a)=a\),并记 \[ b=2a+a^2=(1+a)^2-1. \] 由于 \(a>-1\),所以 \(b>-1\)。在函数方程中代入 \(x=y=a\),得 \[ f(b)=b. \] 若 \(a>0\),则 \[ b-a=a(1+a)>0, \] 所以 \(0<a<b\)。若 \(-1<a<0\),则 \(b-a<0\),所以 \[ -1<b<a<0. \] 因此,只要 \(a\ne0\),互不相同的两个数 \(a,b\) 就位于 \(f(t)/t\) 严格递增的同一个区间内。但 \[ \frac{f(a)}a=\frac{f(b)}b=1, \] 矛盾。因此,每个不动点都是 \(0\)。
现在任取 \(x\in S\),并设 \[ z=x+f(x)+xf(x). \] 这个数属于 \(S\),因为 \[ 1+z=(1+x)(1+f(x))>0. \] 在函数方程中令 \(y=x\),得 \[ f(z)=x+f(x)+xf(x)=z. \] 故 \(z\) 是不动点,因此 \(z=0\)。从而 \[ x+(1+x)f(x)=0, \qquad\text{所以}\qquad f(x)=-\frac{x}{1+x}. \]
下面验证这个函数。对于每个 \(x>-1\), \[ 1+f(x)=\frac1{1+x}>0, \] 所以 \(f\) 将 \(S\) 映入 \(S\)。此外,对于 \(x,y\in S\), \[ x+f(y)+xf(y)=\frac{x-y}{1+y}, \qquad 1+\frac{x-y}{1+y}=\frac{1+x}{1+y}>0. \] 因此 \[ f(x+f(y)+xf(y)) =f\!\left(\frac{x-y}{1+y}\right) =\frac{y-x}{1+x} =y+f(x)+yf(x). \] 最后,对于 \(x\ne0\), \[ \frac{f(x)}x=-\frac1{1+x}. \] 若 \(-1<u<v\),则 \[ -\frac1{1+v}+\frac1{1+u} =\frac{v-u}{(1+u)(1+v)}>0. \] 因此,所要求的商在每个指定区间上都严格递增。两个条件均成立。
解答已与 John Scholes 的 IMO 解答档案(Kalva)核对。
IMO 1994 · Задача 5
Пусть \(S\) — множество действительных чисел, строго больших \(-1\). Найдите все функции \(f:S\to S\), удовлетворяющие двум условиям:
- \(f(x+f(y)+xf(y))=y+f(x)+yf(x)\) для всех \(x\) и \(y\) из \(S\);
- \(\dfrac{f(x)}{x}\) строго возрастает на каждом из промежутков \(-1<x<0\) и \(0<x\).
Условие переведено с официального английского текста. Официальный текст задач (PDF)
Ответ
Единственное решение: \[ \boxed{f(x)=-\frac{x}{1+x}\qquad(x>-1).} \]
Решение
Сначала докажем, что любая неподвижная точка функции \(f\) должна быть равна \(0\).
Предположим, что \(f(a)=a\), и положим \[ b=2a+a^2=(1+a)^2-1. \] Поскольку \(a>-1\), имеем \(b>-1\). Подставляя \(x=y=a\) в функциональное уравнение, получаем \[ f(b)=b. \] Если \(a>0\), то \[ b-a=a(1+a)>0, \] поэтому \(0<a<b\). Если \(-1<a<0\), то \(b-a<0\), поэтому \[ -1<b<a<0. \] Таким образом, при \(a\ne0\) различные числа \(a,b\) лежат в одном и том же промежутке, на котором \(f(t)/t\) строго возрастает. Но \[ \frac{f(a)}a=\frac{f(b)}b=1, \] что приводит к противоречию. Следовательно, любая неподвижная точка равна \(0\).
Теперь возьмём произвольное \(x\in S\) и положим \[ z=x+f(x)+xf(x). \] Это число принадлежит \(S\), поскольку \[ 1+z=(1+x)(1+f(x))>0. \] Функциональное уравнение при \(y=x\) даёт \[ f(z)=x+f(x)+xf(x)=z. \] Значит, \(z\) — неподвижная точка, и потому \(z=0\). Отсюда следует, что \[ x+(1+x)f(x)=0, \qquad\text{откуда}\qquad f(x)=-\frac{x}{1+x}. \]
Остаётся проверить эту функцию. Для каждого \(x>-1\) \[ 1+f(x)=\frac1{1+x}>0, \] поэтому \(f\) отображает \(S\) в \(S\). Кроме того, для \(x,y\in S\) \[ x+f(y)+xf(y)=\frac{x-y}{1+y}, \qquad 1+\frac{x-y}{1+y}=\frac{1+x}{1+y}>0. \] Следовательно, \[ f(x+f(y)+xf(y)) =f\!\left(\frac{x-y}{1+y}\right) =\frac{y-x}{1+x} =y+f(x)+yf(x). \] Наконец, при \(x\ne0\) \[ \frac{f(x)}x=-\frac1{1+x}. \] Если \(-1<u<v\), то \[ -\frac1{1+v}+\frac1{1+u} =\frac{v-u}{(1+u)(1+v)}>0. \] Таким образом, требуемое отношение строго возрастает на каждом из указанных промежутков. Оба условия выполнены.
Решение проверено по архиву решений IMO Джона Скоулза (Kalva).
IMO 1994 · المسألة 5
لتكن \(S\) مجموعة الأعداد الحقيقية الأكبر تمامًا من \(-1\). أوجد جميع الدوال \(f:S\to S\) التي تحقق الشرطين:
- \(f(x+f(y)+xf(y))=y+f(x)+yf(x)\) لكل \(x\) و\(y\) في \(S\)؛
- \(\dfrac{f(x)}{x}\) متزايدة تمامًا على كل من الفترتين \(-1<x<0\) و\(0<x\).
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الإجابة
الحل الوحيد هو \[ \boxed{f(x)=-\frac{x}{1+x}\qquad(x>-1).} \]
الحل
نثبت أولًا أن كل نقطة ثابتة للدالة \(f\) لا بد أن تكون \(0\).
افترض أن \(f(a)=a\)، ولنضع \[ b=2a+a^2=(1+a)^2-1. \] بما أن \(a>-1\)، فإن \(b>-1\). بالتعويض بـ\(x=y=a\) في المعادلة الدالية، نحصل على \[ f(b)=b. \] إذا كان \(a>0\)، فإن \[ b-a=a(1+a)>0, \] ومن ثم \(0<a<b\). وإذا كان \(-1<a<0\)، فإن \(b-a<0\)، ومن ثم \[ -1<b<a<0. \] وهكذا، كلما كان \(a\ne0\)، فإن العددين المتمايزين \(a,b\) يقعان في الفترة نفسها التي تكون عليها \(f(t)/t\) متزايدة تمامًا. لكن \[ \frac{f(a)}a=\frac{f(b)}b=1, \] وهذا تناقض. وبالتالي، فإن كل نقطة ثابتة هي \(0\).
نأخذ الآن أي \(x\in S\)، ونضع \[ z=x+f(x)+xf(x). \] هذا العدد ينتمي إلى \(S\)، لأن \[ 1+z=(1+x)(1+f(x))>0. \] تعطي المعادلة الدالية عند \(y=x\) أن \[ f(z)=x+f(x)+xf(x)=z. \] إذن \(z\) نقطة ثابتة، ومن ثم \(z=0\). ويترتب على ذلك أن \[ x+(1+x)f(x)=0, \qquad\text{ومن ثم}\qquad f(x)=-\frac{x}{1+x}. \]
يبقى التحقق من هذه الدالة. لكل \(x>-1\)، \[ 1+f(x)=\frac1{1+x}>0, \] لذا فإن \(f\) تأخذ عناصر \(S\) إلى عناصر \(S\). علاوة على ذلك، لكل \(x,y\in S\)، \[ x+f(y)+xf(y)=\frac{x-y}{1+y}, \qquad 1+\frac{x-y}{1+y}=\frac{1+x}{1+y}>0. \] لذلك \[ f(x+f(y)+xf(y)) =f\!\left(\frac{x-y}{1+y}\right) =\frac{y-x}{1+x} =y+f(x)+yf(x). \] وأخيرًا، لكل \(x\ne0\)، \[ \frac{f(x)}x=-\frac1{1+x}. \] إذا كان \(-1<u<v\)، فإن \[ -\frac1{1+v}+\frac1{1+u} =\frac{v-u}{(1+u)(1+v)}>0. \] إذن النسبة المطلوبة متزايدة تمامًا على كل من الفترتين المحددتين. وبذلك يتحقق كلا الشرطين.
تمت مراجعة الحل بمقارنته بأرشيف حلول IMO لجون سكولز (Kalva).