IMO 1999 · Problem 6
Determine all functions \(f:\mathbb{R}\longrightarrow\mathbb{R}\) such that \[ f(x-f(y))=f(f(y))+xf(y)+f(x)-1 \] for all real numbers \(x,y\).
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Answer
The unique solution is \[ \boxed{f(x)=1-\frac{x^2}{2}\qquad(x\in\mathbb{R}).} \]
Solution
Let \(S=f(\mathbb{R})\) and \(c=f(0)\). The given equation says that \[ f(x-t)=f(t)+xt+f(x)-1 \qquad(x\in\mathbb{R},\ t\in S). \] Setting \(x=t\), we obtain \[ c=2f(t)+t^2-1, \] so \[ f(t)=\frac{c+1-t^2}{2}\qquad(t\in S). \] Consequently, \[ f(x-t)=f(x)+xt-\frac{t^2}{2}+\frac{c-1}{2}. \]
Define \[ g(x)=f(x)+\frac{x^2}{2}, \qquad d=\frac{c-1}{2}. \] The preceding identity becomes \[ g(x-t)=g(x)+d \qquad(x\in\mathbb{R},\ t\in S). \tag{1} \] In particular, \(g(x+s)=g(x)-d\) for every \(s\in S\). Thus, for any \(s,t\in S\), \[ g(x+s-t)=g(x+s)+d=g(x). \tag{2} \]
We now prove that every real number is a difference of two elements of \(S\).
First, \(f\) cannot be constant: if \(f\equiv k\), the original equation with \(x=-1\) would give \(k=k-1\). Hence we can choose distinct \(s_0,t_0\in S\). Put \(h=s_0-t_0\ne0\). By (2), \(g(x+h)=g(x)\), and therefore \[ f(x+h)-f(x) =-\frac{(x+h)^2-x^2}{2} =-hx-\frac{h^2}{2}. \] As \(x\) ranges over \(\mathbb{R}\), the right-hand side takes every real value because \(h\ne0\). Both \(f(x+h)\) and \(f(x)\) belong to \(S\), proving the claim.
It now follows from (2) that \[ g(x+r)=g(x)\qquad(x,r\in\mathbb{R}), \] so \(g\) is constant. Equation (1) then forces \(d=0\), whence \(c=1\). Since \(g(0)=c=1\), we conclude that \[ f(x)=1-\frac{x^2}{2} \qquad(x\in\mathbb{R}). \]
Finally, this function satisfies the equation. Indeed, writing \(t=f(y)\), we have \[ f(t)+xt+f(x)-1 =\left(1-\frac{t^2}{2}\right)+xt+ \left(1-\frac{x^2}{2}\right)-1 =1-\frac{(x-t)^2}{2} =f(x-f(y)). \] Thus the displayed function is exactly the required solution.
The solution was checked against Evan Chen's published IMO solution notes.
IMO 1999 · Aufgabe 6
Bestimme alle Funktionen \(f:\mathbb{R}\longrightarrow\mathbb{R}\), für die \[ f(x-f(y))=f(f(y))+xf(y)+f(x)-1 \] für alle reellen Zahlen \(x,y\) gilt.
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Antwort
Die einzige Lösung ist \[ \boxed{f(x)=1-\frac{x^2}{2}\qquad(x\in\mathbb{R}).} \]
Lösung
Seien \(S=f(\mathbb{R})\) und \(c=f(0)\). Die gegebene Gleichung besagt, dass \[ f(x-t)=f(t)+xt+f(x)-1 \qquad(x\in\mathbb{R},\ t\in S). \] Setzen wir \(x=t\), so erhalten wir \[ c=2f(t)+t^2-1, \] also \[ f(t)=\frac{c+1-t^2}{2}\qquad(t\in S). \] Folglich gilt \[ f(x-t)=f(x)+xt-\frac{t^2}{2}+\frac{c-1}{2}. \]
Definiere \[ g(x)=f(x)+\frac{x^2}{2}, \qquad d=\frac{c-1}{2}. \] Die vorangehende Identität wird damit zu \[ g(x-t)=g(x)+d \qquad(x\in\mathbb{R},\ t\in S). \tag{1} \] Insbesondere gilt \(g(x+s)=g(x)-d\) für jedes \(s\in S\). Somit gilt für beliebige \(s,t\in S\) \[ g(x+s-t)=g(x+s)+d=g(x). \tag{2} \]
Wir zeigen nun, dass jede reelle Zahl die Differenz zweier Elemente von \(S\) ist.
Zunächst kann \(f\) nicht konstant sein: Wäre \(f\equiv k\), so ergäbe die ursprüngliche Gleichung mit \(x=-1\) die Gleichheit \(k=k-1\). Also können wir verschiedene \(s_0,t_0\in S\) wählen. Setze \(h=s_0-t_0\ne0\). Nach (2) gilt \(g(x+h)=g(x)\), und daher \[ f(x+h)-f(x) =-\frac{(x+h)^2-x^2}{2} =-hx-\frac{h^2}{2}. \] Wenn \(x\) ganz \(\mathbb{R}\) durchläuft, nimmt die rechte Seite wegen \(h\ne0\) jeden reellen Wert an. Sowohl \(f(x+h)\) als auch \(f(x)\) gehören zu \(S\), womit die Behauptung bewiesen ist.
Aus (2) folgt nun \[ g(x+r)=g(x)\qquad(x,r\in\mathbb{R}), \] also ist \(g\) konstant. Gleichung (1) erzwingt dann \(d=0\), woraus \(c=1\) folgt. Wegen \(g(0)=c=1\) schließen wir, dass \[ f(x)=1-\frac{x^2}{2} \qquad(x\in\mathbb{R}). \]
Schließlich erfüllt diese Funktion die Gleichung. Schreiben wir nämlich \(t=f(y)\), so gilt \[ f(t)+xt+f(x)-1 =\left(1-\frac{t^2}{2}\right)+xt+ \left(1-\frac{x^2}{2}\right)-1 =1-\frac{(x-t)^2}{2} =f(x-f(y)). \] Somit ist die angegebene Funktion genau die gesuchte Lösung.
Die Lösung wurde mit den veröffentlichten IMO-Lösungsnotizen von Evan Chen abgeglichen.
IMO 1999 · Soru 6
Tüm \(x,y\) gerçel sayıları için \[ f(x-f(y))=f(f(y))+xf(y)+f(x)-1 \] eşitliğini sağlayan tüm \(f:\mathbb{R}\longrightarrow\mathbb{R}\) fonksiyonlarını belirleyiniz.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Cevap
Tek çözüm \[ \boxed{f(x)=1-\frac{x^2}{2}\qquad(x\in\mathbb{R})} \] fonksiyonudur.
Çözüm
\(S=f(\mathbb{R})\) ve \(c=f(0)\) olsun. Verilen denklem \[ f(x-t)=f(t)+xt+f(x)-1 \qquad(x\in\mathbb{R},\ t\in S) \] eşitliğini ifade eder. \(x=t\) koyarak \[ c=2f(t)+t^2-1 \] elde ederiz; dolayısıyla \[ f(t)=\frac{c+1-t^2}{2}\qquad(t\in S). \] Sonuç olarak, \[ f(x-t)=f(x)+xt-\frac{t^2}{2}+\frac{c-1}{2}. \]
Şöyle tanımlayalım: \[ g(x)=f(x)+\frac{x^2}{2}, \qquad d=\frac{c-1}{2} \] Önceki özdeşlik \[ g(x-t)=g(x)+d \qquad(x\in\mathbb{R},\ t\in S) \tag{1} \] hâline gelir. Özellikle, her \(s\in S\) için \(g(x+s)=g(x)-d\) olur. Böylece, herhangi \(s,t\in S\) için \[ g(x+s-t)=g(x+s)+d=g(x). \tag{2} \]
Şimdi her gerçel sayının \(S\) kümesinin iki elemanının farkı olduğunu kanıtlayacağız.
Öncelikle \(f\) sabit olamaz: \(f\equiv k\) olsaydı, başlangıçtaki denklemde \(x=-1\) alınarak \(k=k-1\) elde edilirdi. Bu nedenle birbirinden farklı \(s_0,t_0\in S\) seçebiliriz. \(h=s_0-t_0\ne0\) koyalım. (2) gereği \(g(x+h)=g(x)\) olur ve dolayısıyla \[ f(x+h)-f(x) =-\frac{(x+h)^2-x^2}{2} =-hx-\frac{h^2}{2}. \] \(x\), \(\mathbb{R}\) üzerinde değişirken, \(h\ne0\) olduğu için sağ taraf her gerçel değeri alır. Hem \(f(x+h)\) hem de \(f(x)\), \(S\) kümesine aittir; böylece iddia kanıtlanır.
Artık (2) eşitliğinden \[ g(x+r)=g(x)\qquad(x,r\in\mathbb{R}) \] elde edilir; dolayısıyla \(g\) sabittir. Bu durumda (1) denklemi \(d=0\) olmasını gerektirir ve buradan \(c=1\) olur. \(g(0)=c=1\) olduğundan \[ f(x)=1-\frac{x^2}{2} \qquad(x\in\mathbb{R}) \] sonucuna varırız.
Son olarak, bu fonksiyon denklemi sağlar. Gerçekten de \(t=f(y)\) yazarak \[ f(t)+xt+f(x)-1 =\left(1-\frac{t^2}{2}\right)+xt+ \left(1-\frac{x^2}{2}\right)-1 =1-\frac{(x-t)^2}{2} =f(x-f(y)) \] elde ederiz. Böylece verilen fonksiyon tam olarak istenen çözümdür.
Çözüm, Evan Chen'in yayımlanmış IMO çözüm notlarıyla karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 1999 · Problema 6
Determinar todas las funciones \(f:\mathbb{R}\longrightarrow\mathbb{R}\) tales que \[ f(x-f(y))=f(f(y))+xf(y)+f(x)-1 \] para todos los números reales \(x,y\).
Enunciado traducido del texto oficial en inglés. Enunciado oficial (PDF)
Respuesta
La única solución es \[ \boxed{f(x)=1-\frac{x^2}{2}\qquad(x\in\mathbb{R}).} \]
Solución
Sean \(S=f(\mathbb{R})\) y \(c=f(0)\). La ecuación dada afirma que \[ f(x-t)=f(t)+xt+f(x)-1 \qquad(x\in\mathbb{R},\ t\in S). \] Tomando \(x=t\), obtenemos \[ c=2f(t)+t^2-1, \] por lo que \[ f(t)=\frac{c+1-t^2}{2}\qquad(t\in S). \] Por consiguiente, \[ f(x-t)=f(x)+xt-\frac{t^2}{2}+\frac{c-1}{2}. \]
Definamos \[ g(x)=f(x)+\frac{x^2}{2}, \qquad d=\frac{c-1}{2}. \] La identidad anterior se convierte en \[ g(x-t)=g(x)+d \qquad(x\in\mathbb{R},\ t\in S). \tag{1} \] En particular, \(g(x+s)=g(x)-d\) para todo \(s\in S\). Así pues, para cualesquiera \(s,t\in S\), \[ g(x+s-t)=g(x+s)+d=g(x). \tag{2} \]
Demostraremos ahora que todo número real es la diferencia de dos elementos de \(S\).
En primer lugar, \(f\) no puede ser constante: si \(f\equiv k\), la ecuación original con \(x=-1\) daría \(k=k-1\). Por tanto, podemos elegir \(s_0,t_0\in S\) distintos. Pongamos \(h=s_0-t_0\ne0\). Por (2), \(g(x+h)=g(x)\), y por tanto \[ f(x+h)-f(x) =-\frac{(x+h)^2-x^2}{2} =-hx-\frac{h^2}{2}. \] Cuando \(x\) recorre \(\mathbb{R}\), el segundo miembro toma todos los valores reales porque \(h\ne0\). Tanto \(f(x+h)\) como \(f(x)\) pertenecen a \(S\), lo que demuestra la afirmación.
Ahora se deduce de (2) que \[ g(x+r)=g(x)\qquad(x,r\in\mathbb{R}), \] por lo que \(g\) es constante. La ecuación (1) obliga entonces a que \(d=0\), de donde \(c=1\). Como \(g(0)=c=1\), concluimos que \[ f(x)=1-\frac{x^2}{2} \qquad(x\in\mathbb{R}). \]
Finalmente, esta función satisface la ecuación. En efecto, escribiendo \(t=f(y)\), tenemos \[ f(t)+xt+f(x)-1 =\left(1-\frac{t^2}{2}\right)+xt+ \left(1-\frac{x^2}{2}\right)-1 =1-\frac{(x-t)^2}{2} =f(x-f(y)). \] Así pues, la función indicada es exactamente la solución requerida.
La solución se comprobó con las notas de soluciones de la IMO publicadas por Evan Chen.
IMO 1999 · 问题 6
求所有函数 \(f:\mathbb{R}\longrightarrow\mathbb{R}\),使得 \[ f(x-f(y))=f(f(y))+xf(y)+f(x)-1 \] 对所有实数 \(x,y\) 都成立。
题目译自官方英文原文。 官方试卷 (PDF)
答案
唯一的解为 \[ \boxed{f(x)=1-\frac{x^2}{2}\qquad(x\in\mathbb{R}).} \]
解答
设 \(S=f(\mathbb{R})\),\(c=f(0)\)。题设方程表明 \[ f(x-t)=f(t)+xt+f(x)-1 \qquad(x\in\mathbb{R},\ t\in S). \] 令 \(x=t\),得到 \[ c=2f(t)+t^2-1, \] 所以 \[ f(t)=\frac{c+1-t^2}{2}\qquad(t\in S). \] 因此, \[ f(x-t)=f(x)+xt-\frac{t^2}{2}+\frac{c-1}{2}. \]
定义 \[ g(x)=f(x)+\frac{x^2}{2}, \qquad d=\frac{c-1}{2}. \] 前面的恒等式化为 \[ g(x-t)=g(x)+d \qquad(x\in\mathbb{R},\ t\in S). \tag{1} \] 特别地,对每个 \(s\in S\),都有 \(g(x+s)=g(x)-d\)。因此,对于任意 \(s,t\in S\), \[ g(x+s-t)=g(x+s)+d=g(x). \tag{2} \]
下面证明,每个实数都可以表示为 \(S\) 中两个元素之差。
首先,\(f\) 不可能是常函数:若 \(f\equiv k\),在原方程中取 \(x=-1\),就会得到 \(k=k-1\)。因此,可以选取不同的 \(s_0,t_0\in S\)。令 \(h=s_0-t_0\ne0\)。由 (2),\(g(x+h)=g(x)\),所以 \[ f(x+h)-f(x) =-\frac{(x+h)^2-x^2}{2} =-hx-\frac{h^2}{2}. \] 当 \(x\) 遍历 \(\mathbb{R}\) 时,由于 \(h\ne0\),右端可以取遍所有实数。而 \(f(x+h)\) 和 \(f(x)\) 都属于 \(S\),断言得证。
现在由 (2) 可知 \[ g(x+r)=g(x)\qquad(x,r\in\mathbb{R}), \] 所以 \(g\) 是常函数。于是方程 (1) 迫使 \(d=0\),从而 \(c=1\)。由于 \(g(0)=c=1\),可得 \[ f(x)=1-\frac{x^2}{2} \qquad(x\in\mathbb{R}). \]
最后,这个函数满足题设方程。事实上,记 \(t=f(y)\),则有 \[ f(t)+xt+f(x)-1 =\left(1-\frac{t^2}{2}\right)+xt+ \left(1-\frac{x^2}{2}\right)-1 =1-\frac{(x-t)^2}{2} =f(x-f(y)). \] 因此,上述函数恰为所求的唯一解。
解答已与 Evan Chen 发布的 IMO 解答笔记核对。
IMO 1999 · Задача 6
Найдите все функции \(f:\mathbb{R}\longrightarrow\mathbb{R}\), для которых \[ f(x-f(y))=f(f(y))+xf(y)+f(x)-1 \] при всех действительных числах \(x,y\).
Условие переведено с официального английского текста. Официальный текст задач (PDF)
Ответ
Единственное решение — \[ \boxed{f(x)=1-\frac{x^2}{2}\qquad(x\in\mathbb{R}).} \]
Решение
Пусть \(S=f(\mathbb{R})\) и \(c=f(0)\). Данное уравнение означает, что \[ f(x-t)=f(t)+xt+f(x)-1 \qquad(x\in\mathbb{R},\ t\in S). \] Полагая \(x=t\), получаем \[ c=2f(t)+t^2-1, \] откуда \[ f(t)=\frac{c+1-t^2}{2}\qquad(t\in S). \] Следовательно, \[ f(x-t)=f(x)+xt-\frac{t^2}{2}+\frac{c-1}{2}. \]
Определим \[ g(x)=f(x)+\frac{x^2}{2}, \qquad d=\frac{c-1}{2}. \] Предыдущее тождество принимает вид \[ g(x-t)=g(x)+d \qquad(x\in\mathbb{R},\ t\in S). \tag{1} \] В частности, \(g(x+s)=g(x)-d\) для любого \(s\in S\). Поэтому для любых \(s,t\in S\) \[ g(x+s-t)=g(x+s)+d=g(x). \tag{2} \]
Теперь докажем, что любое действительное число является разностью двух элементов \(S\).
Прежде всего, \(f\) не может быть постоянной: если бы \(f\equiv k\), то исходное уравнение при \(x=-1\) давало бы \(k=k-1\). Следовательно, можно выбрать различные \(s_0,t_0\in S\). Положим \(h=s_0-t_0\ne0\). В силу (2) имеем \(g(x+h)=g(x)\), а значит, \[ f(x+h)-f(x) =-\frac{(x+h)^2-x^2}{2} =-hx-\frac{h^2}{2}. \] Когда \(x\) пробегает \(\mathbb{R}\), правая часть принимает все действительные значения, поскольку \(h\ne0\). Оба числа \(f(x+h)\) и \(f(x)\) принадлежат \(S\), что доказывает утверждение.
Теперь из (2) следует, что \[ g(x+r)=g(x)\qquad(x,r\in\mathbb{R}), \] поэтому \(g\) постоянна. Тогда уравнение (1) влечёт \(d=0\), откуда \(c=1\). Поскольку \(g(0)=c=1\), заключаем, что \[ f(x)=1-\frac{x^2}{2} \qquad(x\in\mathbb{R}). \]
Наконец, эта функция удовлетворяет уравнению. Действительно, обозначив \(t=f(y)\), получаем \[ f(t)+xt+f(x)-1 =\left(1-\frac{t^2}{2}\right)+xt+ \left(1-\frac{x^2}{2}\right)-1 =1-\frac{(x-t)^2}{2} =f(x-f(y)). \] Таким образом, указанная функция и есть единственное искомое решение.
Решение проверено по опубликованным заметкам Эвана Чена с решениями IMO.
IMO 1999 · المسألة 6
أوجد جميع الدوال \(f:\mathbb{R}\longrightarrow\mathbb{R}\) التي تحقق \[ f(x-f(y))=f(f(y))+xf(y)+f(x)-1 \] لجميع الأعداد الحقيقية \(x,y\).
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الإجابة
الحل الوحيد هو \[ \boxed{f(x)=1-\frac{x^2}{2}\qquad(x\in\mathbb{R}).} \]
الحل
لتكن \(S=f(\mathbb{R})\) و\(c=f(0)\). تنص المعادلة المعطاة على أن \[ f(x-t)=f(t)+xt+f(x)-1 \qquad(x\in\mathbb{R},\ t\in S). \] بوضع \(x=t\)، نحصل على \[ c=2f(t)+t^2-1, \] ومن ثم \[ f(t)=\frac{c+1-t^2}{2}\qquad(t\in S). \] وبالتالي، \[ f(x-t)=f(x)+xt-\frac{t^2}{2}+\frac{c-1}{2}. \]
نعرّف \[ g(x)=f(x)+\frac{x^2}{2}, \qquad d=\frac{c-1}{2}. \] تصبح المتطابقة السابقة \[ g(x-t)=g(x)+d \qquad(x\in\mathbb{R},\ t\in S). \tag{1} \] وعلى وجه الخصوص، \(g(x+s)=g(x)-d\) لكل \(s\in S\). ومن ثم، لأي \(s,t\in S\)، \[ g(x+s-t)=g(x+s)+d=g(x). \tag{2} \]
نثبت الآن أن كل عدد حقيقي هو فرق عنصرين من \(S\).
أولًا، لا يمكن أن تكون \(f\) ثابتة: فلو كانت \(f\equiv k\)، لأعطت المعادلة الأصلية عند \(x=-1\) النتيجة \(k=k-1\). لذا يمكننا اختيار عنصرين مختلفين \(s_0,t_0\in S\). نضع \(h=s_0-t_0\ne0\). من (2)، لدينا \(g(x+h)=g(x)\)، وبالتالي \[ f(x+h)-f(x) =-\frac{(x+h)^2-x^2}{2} =-hx-\frac{h^2}{2}. \] عندما يأخذ \(x\) جميع قيم \(\mathbb{R}\)، يأخذ الطرف الأيمن كل قيمة حقيقية لأن \(h\ne0\). وكل من \(f(x+h)\) و\(f(x)\) ينتمي إلى \(S\)، مما يثبت الادعاء.
يترتب الآن على (2) أن \[ g(x+r)=g(x)\qquad(x,r\in\mathbb{R}), \] ومن ثم فإن \(g\) ثابتة. تقتضي المعادلة (1) عندئذٍ أن \(d=0\)، ومنه \(c=1\). وبما أن \(g(0)=c=1\)، نستنتج أن \[ f(x)=1-\frac{x^2}{2} \qquad(x\in\mathbb{R}). \]
أخيرًا، تحقق هذه الدالة المعادلة. بالفعل، بكتابة \(t=f(y)\)، نحصل على \[ f(t)+xt+f(x)-1 =\left(1-\frac{t^2}{2}\right)+xt+ \left(1-\frac{x^2}{2}\right)-1 =1-\frac{(x-t)^2}{2} =f(x-f(y)). \] إذن الدالة المعروضة هي بالضبط الحل المطلوب.
تمت مراجعة الحل بمقارنته بملاحظات حلول IMO المنشورة لإيفان تشين.