IMO 1998 · Problem 6
Consider all functions \(f\) from the set \(N\) of all positive integers into itself satisfying \(f(t^2f(s))=s(f(t))^2\) for all \(s\) and \(t\) in \(N\). Determine the least possible value of \(f(1998)\).
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Answer
\[ \boxed{120} \]
Solution
Let \(c=f(1)\). Setting \(t=1\) in the given equation yields \[ f(f(n))=c^2n \qquad(n\in N). \tag{1} \] Consequently, \[ f(c^2n)=f(f(f(n)))=c^2f(n). \tag{2} \] Now substitute \(s=f(u)\) into the original equation. Using (1) and (2), we obtain \[ c^2f(t^2u)=f(c^2t^2u)=f(u)f(t)^2. \tag{3} \]
Define \(g(n)=f(n)/c\), initially a positive rational number. Then \(g(1)=1\), and (3) becomes \[ g(t^2u)=g(t)^2g(u). \tag{4} \] In particular, \(g(t^2)=g(t)^2\). Hence, for any positive integers \(a,b\), \[ g(ab)^2 =g(a^2b^2) =g(a)^2g(b^2) =g(a)^2g(b)^2. \] All values are positive, so \[ g(ab)=g(a)g(b). \tag{5} \]
We next show that every \(g(n)\) is an integer. Write \(g(n)=A/B\) in lowest terms. By (5), for every positive integer \(k\), \[ f(n^k)=c\,g(n)^k=\frac{cA^k}{B^k} \] is an integer. Since \(A^k\) and \(B^k\) are coprime, \(B^k\mid c\) for every \(k\). This forces \(B=1\).
Taking \(n=1\) in (1) gives \(f(c)=c^2\), so \(g(c)=c\). Therefore, using (1) and (5), \[ c^2n=f(f(n)) =c\,g(cg(n)) =c\,g(c)g(g(n)) =c^2g(g(n)). \] Thus \[ g(g(n))=n. \tag{6} \] In particular, \(g\) is injective, and \(g(n)>1\) whenever \(n>1\).
Moreover, \(g\) maps primes to primes. Indeed, if \(p\) were prime and \(g(p)=ab\) with \(a,b>1\), then \[ p=g(g(p))=g(a)g(b), \] where both factors exceed \(1\), a contradiction.
Since \[ 1998=2\cdot3^3\cdot37, \] the numbers \(p=g(2)\), \(q=g(3)\), and \(r=g(37)\) are three distinct primes. Consequently, \[ f(1998)=c\,pq^3r=c\,(pqr)q^2 \ge 1\cdot(2\cdot3\cdot5)\cdot2^2 =120. \]
To attain this bound, define \(F\) on primes by \[ F(2)=3,\quad F(3)=2,\quad F(5)=37,\quad F(37)=5, \] and \(F(p)=p\) for every other prime. Extend \(F\) completely multiplicatively to all positive integers, with \(F(1)=1\). Unique prime factorization makes this well-defined, and applying each prime swap twice shows that \(F(F(n))=n\). Hence \[ F(t^2F(s))=F(t)^2F(F(s))=sF(t)^2, \] so \(F\) satisfies the required equation. Finally, \[ F(1998)=F(2)F(3)^3F(37)=3\cdot2^3\cdot5=120. \] Therefore the least possible value is \(\boxed{120}\).
The solution was checked against Evan Chen's published IMO solution notes.
IMO 1998 · Aufgabe 6
Betrachte alle Funktionen \(f\) von der Menge \(N\) aller positiven ganzen Zahlen in sich selbst, die \(f(t^2f(s))=s(f(t))^2\) für alle \(s\) und \(t\) aus \(N\) erfüllen. Bestimme den kleinstmöglichen Wert von \(f(1998)\).
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Antwort
\[ \boxed{120} \]
Lösung
Sei \(c=f(1)\). Setzen wir \(t=1\) in die gegebene Gleichung ein, so erhalten wir \[ f(f(n))=c^2n \qquad(n\in N). \tag{1} \] Folglich gilt \[ f(c^2n)=f(f(f(n)))=c^2f(n). \tag{2} \] Nun setzen wir \(s=f(u)\) in die ursprüngliche Gleichung ein. Mithilfe von (1) und (2) erhalten wir \[ c^2f(t^2u)=f(c^2t^2u)=f(u)f(t)^2. \tag{3} \]
Wir definieren \(g(n)=f(n)/c\), zunächst als positive rationale Zahl. Dann gilt \(g(1)=1\), und (3) wird zu \[ g(t^2u)=g(t)^2g(u). \tag{4} \] Insbesondere gilt \(g(t^2)=g(t)^2\). Daher gilt für beliebige positive ganze Zahlen \(a,b\) \[ g(ab)^2 =g(a^2b^2) =g(a)^2g(b^2) =g(a)^2g(b)^2. \] Alle Werte sind positiv, also gilt \[ g(ab)=g(a)g(b). \tag{5} \]
Als Nächstes zeigen wir, dass jedes \(g(n)\) eine ganze Zahl ist. Schreiben wir \(g(n)=A/B\) als vollständig gekürzten Bruch. Nach (5) ist für jede positive ganze Zahl \(k\) der Ausdruck \[ f(n^k)=c\,g(n)^k=\frac{cA^k}{B^k} \] eine ganze Zahl. Da \(A^k\) und \(B^k\) teilerfremd sind, gilt \(B^k\mid c\) für jedes \(k\). Daraus folgt zwingend \(B=1\).
Setzen wir \(n=1\) in (1) ein, so ergibt sich \(f(c)=c^2\), also \(g(c)=c\). Mithilfe von (1) und (5) erhalten wir daher \[ c^2n=f(f(n)) =c\,g(cg(n)) =c\,g(c)g(g(n)) =c^2g(g(n)). \] Somit gilt \[ g(g(n))=n. \tag{6} \] Insbesondere ist \(g\) injektiv, und für \(n>1\) gilt stets \(g(n)>1\).
Außerdem bildet \(g\) Primzahlen auf Primzahlen ab. Wäre nämlich \(p\) eine Primzahl und \(g(p)=ab\) mit \(a,b>1\), so wäre \[ p=g(g(p))=g(a)g(b), \] wobei beide Faktoren größer als \(1\) sind, ein Widerspruch.
Wegen \[ 1998=2\cdot3^3\cdot37 \] sind die Zahlen \(p=g(2)\), \(q=g(3)\) und \(r=g(37)\) drei verschiedene Primzahlen. Folglich gilt \[ f(1998)=c\,pq^3r=c\,(pqr)q^2 \ge 1\cdot(2\cdot3\cdot5)\cdot2^2 =120. \]
Um diese Schranke zu erreichen, definieren wir \(F\) auf den Primzahlen durch \[ F(2)=3,\quad F(3)=2,\quad F(5)=37,\quad F(37)=5, \] und \(F(p)=p\) für jede andere Primzahl. Wir setzen \(F\) vollständig multiplikativ auf alle positiven ganzen Zahlen fort, mit \(F(1)=1\). Aufgrund der Eindeutigkeit der Primfaktorzerlegung ist diese Fortsetzung wohldefiniert, und da jede Vertauschung von Primzahlen bei zweimaliger Anwendung rückgängig gemacht wird, gilt \(F(F(n))=n\). Daher gilt \[ F(t^2F(s))=F(t)^2F(F(s))=sF(t)^2, \] also erfüllt \(F\) die geforderte Gleichung. Schließlich gilt \[ F(1998)=F(2)F(3)^3F(37)=3\cdot2^3\cdot5=120. \] Der kleinstmögliche Wert ist somit \(\boxed{120}\).
Die Lösung wurde mit den veröffentlichten IMO-Lösungsnotizen von Evan Chen abgeglichen.
IMO 1998 · Soru 6
Tüm pozitif tam sayılar kümesi \(N\)'den kendisine tanımlı, \(N\)'deki tüm \(s\) ve \(t\) için \(f(t^2f(s))=s(f(t))^2\) eşitliğini sağlayan tüm \(f\) fonksiyonlarını ele alalım. \(f(1998)\)'in alabileceği en küçük değeri bulunuz.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Cevap
\[ \boxed{120} \]
Çözüm
\(c=f(1)\) olsun. Verilen denklemde \(t=1\) alarak \[ f(f(n))=c^2n \qquad(n\in N) \tag{1} \] elde ederiz. Dolayısıyla, \[ f(c^2n)=f(f(f(n)))=c^2f(n). \tag{2} \] Şimdi başlangıçtaki denklemde \(s=f(u)\) koyalım. (1) ve (2)'yi kullanarak \[ c^2f(t^2u)=f(c^2t^2u)=f(u)f(t)^2 \tag{3} \] elde ederiz.
Başlangıçta pozitif bir rasyonel sayı olan \(g(n)=f(n)/c\)'yi tanımlayalım. O zaman \(g(1)=1\) olur ve (3), \[ g(t^2u)=g(t)^2g(u) \tag{4} \] biçimine dönüşür. Özellikle \(g(t^2)=g(t)^2\). Dolayısıyla herhangi pozitif \(a,b\) tam sayıları için \[ g(ab)^2 =g(a^2b^2) =g(a)^2g(b^2) =g(a)^2g(b)^2. \] Tüm değerler pozitif olduğundan \[ g(ab)=g(a)g(b). \tag{5} \]
Şimdi her \(g(n)\)'nin bir tam sayı olduğunu göstereceğiz. \(g(n)=A/B\)'yi en sade biçimde yazalım. (5) gereği, her pozitif \(k\) tam sayısı için \[ f(n^k)=c\,g(n)^k=\frac{cA^k}{B^k} \] bir tam sayıdır. \(A^k\) ve \(B^k\) aralarında asal olduğundan her \(k\) için \(B^k\mid c\). Bu da \(B=1\) olmasını zorunlu kılar.
(1)'de \(n=1\) alarak \(f(c)=c^2\), dolayısıyla \(g(c)=c\) elde ederiz. O hâlde (1) ve (5)'i kullanarak \[ c^2n=f(f(n)) =c\,g(cg(n)) =c\,g(c)g(g(n)) =c^2g(g(n)) \] buluruz. Böylece \[ g(g(n))=n. \tag{6} \] Özellikle \(g\) bire birdir ve \(n>1\) olduğunda \(g(n)>1\).
Ayrıca \(g\), asal sayıları asal sayılara götürür. Gerçekten de \(p\) asal ve \(a,b>1\) olmak üzere \(g(p)=ab\) olsaydı, \[ p=g(g(p))=g(a)g(b) \] olurdu; burada her iki çarpan da \(1\)'den büyüktür ve bu bir çelişkidir.
\[ 1998=2\cdot3^3\cdot37 \] olduğundan \(p=g(2)\), \(q=g(3)\) ve \(r=g(37)\) sayıları birbirinden farklı üç asal sayıdır. Dolayısıyla, \[ f(1998)=c\,pq^3r=c\,(pqr)q^2 \ge 1\cdot(2\cdot3\cdot5)\cdot2^2 =120. \]
Bu sınıra ulaşmak için \(F\)'yi asal sayılar üzerinde \[ F(2)=3,\quad F(3)=2,\quad F(5)=37,\quad F(37)=5 \] ve diğer her asal sayı için \(F(p)=p\) olacak şekilde tanımlayalım. \(F(1)=1\) olmak üzere \(F\)'yi tüm pozitif tam sayılara tam çarpımsal olarak genişletelim. Asal çarpanlara ayrılışın tekliği, bu tanımın iyi tanımlı olmasını sağlar; asal sayıların her bir yer değiştirmesini iki kez uygulamak ise \(F(F(n))=n\) olduğunu gösterir. Dolayısıyla \[ F(t^2F(s))=F(t)^2F(F(s))=sF(t)^2 \] olduğundan \(F\) istenen denklemi sağlar. Son olarak, \[ F(1998)=F(2)F(3)^3F(37)=3\cdot2^3\cdot5=120. \] O hâlde alınabilecek en küçük değer \(\boxed{120}\)'dir.
Çözüm, Evan Chen'in yayımlanmış IMO çözüm notlarıyla karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 1998 · Problema 6
Consideremos todas las funciones \(f\) del conjunto \(N\) de todos los enteros positivos en sí mismo que satisfacen \(f(t^2f(s))=s(f(t))^2\) para todos \(s\) y \(t\) en \(N\). Determinar el menor valor posible de \(f(1998)\).
Enunciado traducido del texto oficial en inglés. Enunciado oficial (PDF)
Respuesta
\[ \boxed{120} \]
Solución
Sea \(c=f(1)\). Tomando \(t=1\) en la ecuación dada, obtenemos \[ f(f(n))=c^2n \qquad(n\in N). \tag{1} \] Por consiguiente, \[ f(c^2n)=f(f(f(n)))=c^2f(n). \tag{2} \] Sustituyamos ahora \(s=f(u)\) en la ecuación original. Usando (1) y (2), obtenemos \[ c^2f(t^2u)=f(c^2t^2u)=f(u)f(t)^2. \tag{3} \]
Definamos \(g(n)=f(n)/c\), que inicialmente es un número racional positivo. Entonces \(g(1)=1\), y (3) se convierte en \[ g(t^2u)=g(t)^2g(u). \tag{4} \] En particular, \(g(t^2)=g(t)^2\). Por tanto, para cualesquiera enteros positivos \(a,b\), \[ g(ab)^2 =g(a^2b^2) =g(a)^2g(b^2) =g(a)^2g(b)^2. \] Todos los valores son positivos, por lo que \[ g(ab)=g(a)g(b). \tag{5} \]
A continuación demostraremos que todo \(g(n)\) es un entero. Escribamos \(g(n)=A/B\) como fracción irreducible. Por (5), para todo entero positivo \(k\), \[ f(n^k)=c\,g(n)^k=\frac{cA^k}{B^k} \] es un entero. Como \(A^k\) y \(B^k\) son coprimos, \(B^k\mid c\) para todo \(k\). Esto obliga a que \(B=1\).
Tomando \(n=1\) en (1), obtenemos \(f(c)=c^2\), por lo que \(g(c)=c\). Por tanto, usando (1) y (5), \[ c^2n=f(f(n)) =c\,g(cg(n)) =c\,g(c)g(g(n)) =c^2g(g(n)). \] Así, \[ g(g(n))=n. \tag{6} \] En particular, \(g\) es inyectiva, y \(g(n)>1\) siempre que \(n>1\).
Además, \(g\) transforma números primos en números primos. En efecto, si \(p\) fuera primo y \(g(p)=ab\) con \(a,b>1\), entonces \[ p=g(g(p))=g(a)g(b), \] donde ambos factores son mayores que \(1\), lo que es una contradicción.
Como \[ 1998=2\cdot3^3\cdot37, \] los números \(p=g(2)\), \(q=g(3)\) y \(r=g(37)\) son tres primos distintos. Por consiguiente, \[ f(1998)=c\,pq^3r=c\,(pqr)q^2 \ge 1\cdot(2\cdot3\cdot5)\cdot2^2 =120. \]
Para alcanzar esta cota, definamos \(F\) sobre los números primos mediante \[ F(2)=3,\quad F(3)=2,\quad F(5)=37,\quad F(37)=5, \] y \(F(p)=p\) para cualquier otro primo. Extendamos \(F\) de forma completamente multiplicativa a todos los enteros positivos, con \(F(1)=1\). La unicidad de la descomposición en factores primos garantiza que esta definición es válida, y aplicar dos veces cada intercambio de primos muestra que \(F(F(n))=n\). Por ello, \[ F(t^2F(s))=F(t)^2F(F(s))=sF(t)^2, \] de modo que \(F\) satisface la ecuación requerida. Por último, \[ F(1998)=F(2)F(3)^3F(37)=3\cdot2^3\cdot5=120. \] Por tanto, el menor valor posible es \(\boxed{120}\).
La solución se comprobó con las notas de soluciones de la IMO publicadas por Evan Chen.
IMO 1998 · 问题 6
考虑所有从正整数集 \(N\) 到其自身的函数 \(f\),满足对 \(N\) 中任意的 \(s\) 和 \(t\),都有 \(f(t^2f(s))=s(f(t))^2\)。求 \(f(1998)\) 的最小可能值。
题目译自官方英文原文。 官方试卷 (PDF)
答案
\[ \boxed{120} \]
解答
令 \(c=f(1)\)。在已知方程中取 \(t=1\),得 \[ f(f(n))=c^2n \qquad(n\in N). \tag{1} \] 因此, \[ f(c^2n)=f(f(f(n)))=c^2f(n). \tag{2} \] 现在将 \(s=f(u)\) 代入原方程。利用 (1) 和 (2),得到 \[ c^2f(t^2u)=f(c^2t^2u)=f(u)f(t)^2. \tag{3} \]
定义 \(g(n)=f(n)/c\),暂且只知它是正有理数。则 \(g(1)=1\),且 (3) 化为 \[ g(t^2u)=g(t)^2g(u). \tag{4} \] 特别地,\(g(t^2)=g(t)^2\)。因此,对于任意正整数 \(a,b\), \[ g(ab)^2 =g(a^2b^2) =g(a)^2g(b^2) =g(a)^2g(b)^2. \] 所有函数值都为正,所以 \[ g(ab)=g(a)g(b). \tag{5} \]
接下来证明每个 \(g(n)\) 都是整数。将 \(g(n)=A/B\) 写成最简分数。由 (5),对每个正整数 \(k\), \[ f(n^k)=c\,g(n)^k=\frac{cA^k}{B^k} \] 都是整数。由于 \(A^k\) 与 \(B^k\) 互素,对每个 \(k\) 都有 \(B^k\mid c\)。这迫使 \(B=1\)。
在 (1) 中取 \(n=1\),得到 \(f(c)=c^2\),故 \(g(c)=c\)。因此,利用 (1) 和 (5), \[ c^2n=f(f(n)) =c\,g(cg(n)) =c\,g(c)g(g(n)) =c^2g(g(n)). \] 于是 \[ g(g(n))=n. \tag{6} \] 特别地,\(g\) 是单射,且只要 \(n>1\),就有 \(g(n)>1\)。
此外,\(g\) 将素数映为素数。事实上,若 \(p\) 为素数且 \(g(p)=ab\),其中 \(a,b>1\),则 \[ p=g(g(p))=g(a)g(b), \] 右边两个因数均大于 \(1\),矛盾。
由于 \[ 1998=2\cdot3^3\cdot37, \] 数 \(p=g(2)\)、\(q=g(3)\) 和 \(r=g(37)\) 是三个互不相同的素数。因此, \[ f(1998)=c\,pq^3r=c\,(pqr)q^2 \ge 1\cdot(2\cdot3\cdot5)\cdot2^2 =120. \]
为达到这个下界,在素数上定义 \(F\) 如下: \[ F(2)=3,\quad F(3)=2,\quad F(5)=37,\quad F(37)=5, \] 并对其余每个素数规定 \(F(p)=p\)。按完全积性将 \(F\) 扩张到所有正整数,并规定 \(F(1)=1\)。素因数分解的唯一性保证了这一定义是良定义的,而每对素数交换两次便恢复原状,因此 \(F(F(n))=n\)。于是 \[ F(t^2F(s))=F(t)^2F(F(s))=sF(t)^2, \] 故 \(F\) 满足所要求的方程。最后, \[ F(1998)=F(2)F(3)^3F(37)=3\cdot2^3\cdot5=120. \] 因此,最小可能值为 \(\boxed{120}\)。
解答已与 Evan Chen 发布的 IMO 解答笔记核对。
IMO 1998 · Задача 6
Рассмотрим все функции \(f\) из множества \(N\) всех положительных целых чисел в себя, удовлетворяющие равенству \(f(t^2f(s))=s(f(t))^2\) для всех \(s\) и \(t\) из \(N\). Найдите наименьшее возможное значение \(f(1998)\).
Условие переведено с официального английского текста. Официальный текст задач (PDF)
Ответ
\[ \boxed{120} \]
Решение
Пусть \(c=f(1)\). Полагая \(t=1\) в данном уравнении, получаем \[ f(f(n))=c^2n \qquad(n\in N). \tag{1} \] Следовательно, \[ f(c^2n)=f(f(f(n)))=c^2f(n). \tag{2} \] Теперь подставим \(s=f(u)\) в исходное уравнение. Используя (1) и (2), получаем \[ c^2f(t^2u)=f(c^2t^2u)=f(u)f(t)^2. \tag{3} \]
Определим \(g(n)=f(n)/c\); пока это положительное рациональное число. Тогда \(g(1)=1\), и (3) принимает вид \[ g(t^2u)=g(t)^2g(u). \tag{4} \] В частности, \(g(t^2)=g(t)^2\). Поэтому для любых положительных целых чисел \(a,b\) \[ g(ab)^2 =g(a^2b^2) =g(a)^2g(b^2) =g(a)^2g(b)^2. \] Все значения положительны, поэтому \[ g(ab)=g(a)g(b). \tag{5} \]
Далее покажем, что каждое \(g(n)\) — целое число. Запишем \(g(n)=A/B\) в виде несократимой дроби. По (5) для любого положительного целого числа \(k\) величина \[ f(n^k)=c\,g(n)^k=\frac{cA^k}{B^k} \] является целым числом. Поскольку \(A^k\) и \(B^k\) взаимно просты, \(B^k\mid c\) для любого \(k\). Отсюда следует \(B=1\).
Полагая \(n=1\) в (1), получаем \(f(c)=c^2\), поэтому \(g(c)=c\). Следовательно, используя (1) и (5), имеем \[ c^2n=f(f(n)) =c\,g(cg(n)) =c\,g(c)g(g(n)) =c^2g(g(n)). \] Таким образом, \[ g(g(n))=n. \tag{6} \] В частности, \(g\) инъективна и \(g(n)>1\) при \(n>1\).
Более того, \(g\) переводит простые числа в простые. Действительно, если бы \(p\) было простым числом и \(g(p)=ab\), где \(a,b>1\), то \[ p=g(g(p))=g(a)g(b), \] где оба множителя больше \(1\), что даёт противоречие.
Поскольку \[ 1998=2\cdot3^3\cdot37, \] числа \(p=g(2)\), \(q=g(3)\) и \(r=g(37)\) — три различных простых числа. Следовательно, \[ f(1998)=c\,pq^3r=c\,(pqr)q^2 \ge 1\cdot(2\cdot3\cdot5)\cdot2^2 =120. \]
Чтобы достичь этой границы, определим \(F\) на простых числах равенствами \[ F(2)=3,\quad F(3)=2,\quad F(5)=37,\quad F(37)=5, \] и положим \(F(p)=p\) для каждого другого простого числа. Продолжим \(F\) на все положительные целые числа как вполне мультипликативную функцию, положив \(F(1)=1\). Единственность разложения на простые множители обеспечивает корректность этого определения, а двукратное применение каждой перестановки простых чисел показывает, что \(F(F(n))=n\). Поэтому \[ F(t^2F(s))=F(t)^2F(F(s))=sF(t)^2, \] то есть \(F\) удовлетворяет требуемому уравнению. Наконец, \[ F(1998)=F(2)F(3)^3F(37)=3\cdot2^3\cdot5=120. \] Таким образом, наименьшее возможное значение равно \(\boxed{120}\).
Решение проверено по опубликованным заметкам Эвана Чена с решениями IMO.
IMO 1998 · المسألة 6
اعتبر جميع الدوال \(f\) من مجموعة الأعداد الصحيحة الموجبة \(N\) إلى نفسها التي تحقق \(f(t^2f(s))=s(f(t))^2\) لكل \(s\) و\(t\) في \(N\). أوجد أصغر قيمة ممكنة لـ\(f(1998)\).
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الإجابة
\[ \boxed{120} \]
الحل
ليكن \(c=f(1)\). بوضع \(t=1\) في المعادلة المعطاة نحصل على \[ f(f(n))=c^2n \qquad(n\in N). \tag{1} \] وعليه، \[ f(c^2n)=f(f(f(n)))=c^2f(n). \tag{2} \] نعوض الآن بـ\(s=f(u)\) في المعادلة الأصلية. باستخدام (1) و(2)، نحصل على \[ c^2f(t^2u)=f(c^2t^2u)=f(u)f(t)^2. \tag{3} \]
نعرّف \(g(n)=f(n)/c\)، وهي في البداية عدد نسبي موجب. عندئذ \(g(1)=1\)، وتصبح (3) \[ g(t^2u)=g(t)^2g(u). \tag{4} \] وعلى وجه الخصوص، \(g(t^2)=g(t)^2\). ومن ثم، لأي عددين صحيحين موجبين \(a,b\)، \[ g(ab)^2 =g(a^2b^2) =g(a)^2g(b^2) =g(a)^2g(b)^2. \] جميع القيم موجبة، لذا \[ g(ab)=g(a)g(b). \tag{5} \]
نثبت بعد ذلك أن كل \(g(n)\) عدد صحيح. نكتب \(g(n)=A/B\) في أبسط صورة. بموجب (5)، لكل عدد صحيح موجب \(k\)، يكون \[ f(n^k)=c\,g(n)^k=\frac{cA^k}{B^k} \] عددًا صحيحًا. وبما أن \(A^k\) و\(B^k\) أوليان فيما بينهما، فإن \(B^k\mid c\) لكل \(k\). وهذا يقتضي أن \(B=1\).
بوضع \(n=1\) في (1) نحصل على \(f(c)=c^2\)، ومن ثم \(g(c)=c\). لذلك، باستخدام (1) و(5)، \[ c^2n=f(f(n)) =c\,g(cg(n)) =c\,g(c)g(g(n)) =c^2g(g(n)). \] إذن \[ g(g(n))=n. \tag{6} \] وعلى وجه الخصوص، \(g\) دالة متباينة، و\(g(n)>1\) كلما كان \(n>1\).
فضلًا عن ذلك، تحول \(g\) الأعداد الأولية إلى أعداد أولية. بالفعل، لو كان \(p\) أوليًا وكان \(g(p)=ab\) حيث \(a,b>1\)، لكان \[ p=g(g(p))=g(a)g(b), \] حيث كلا العاملين أكبر من \(1\)، وهذا تناقض.
بما أن \[ 1998=2\cdot3^3\cdot37, \] فإن الأعداد \(p=g(2)\) و\(q=g(3)\) و\(r=g(37)\) ثلاثة أعداد أولية متمايزة. وعليه، \[ f(1998)=c\,pq^3r=c\,(pqr)q^2 \ge 1\cdot(2\cdot3\cdot5)\cdot2^2 =120. \]
لتحقيق هذا الحد، نعرّف \(F\) على الأعداد الأولية بالعلاقات \[ F(2)=3,\quad F(3)=2,\quad F(5)=37,\quad F(37)=5, \] و\(F(p)=p\) لكل عدد أولي آخر. نمدد \(F\) إلى جميع الأعداد الصحيحة الموجبة لتكون دالة ضرب تامة، مع \(F(1)=1\). يضمن التحليل الوحيد إلى عوامل أولية أن هذا التعريف محدد على نحو سليم، ويبين تطبيق كل تبديل بين عددين أوليين مرتين أن \(F(F(n))=n\). ومن ثم \[ F(t^2F(s))=F(t)^2F(F(s))=sF(t)^2, \] فتحقق \(F\) المعادلة المطلوبة. وأخيرًا، \[ F(1998)=F(2)F(3)^3F(37)=3\cdot2^3\cdot5=120. \] إذن أصغر قيمة ممكنة هي \(\boxed{120}\).
تمت مراجعة الحل بمقارنته بملاحظات حلول IMO المنشورة لإيفان تشين.