IMO 2004 · Problem 2
Find all polynomials \(f\) with real coefficients such that for all reals \(a,b,c\) such that \(ab+bc+ca=0\) we have the following relations \[ f(a-b)+f(b-c)+f(c-a)=2f(a+b+c). \]
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Answer
\[ \boxed{f(x)=Ax^2+Bx^4,\qquad A,B\in\mathbb R.} \]
Solution
Taking \(a=b=c=0\) gives \(3f(0)=2f(0)\), so \(f(0)=0\). Next, taking \((a,b,c)=(t,0,0)\) gives \[ f(t)+f(-t)=2f(t). \] Thus \(f\) is even.
For any real \(t\), choose \[ a=(1+\sqrt3)t,\qquad b=(1-\sqrt3)t,\qquad c=t. \] These satisfy \[ ab+bc+ca=\bigl(-2+1-\sqrt3+1+\sqrt3\bigr)t^2=0. \] The required equation, together with evenness, therefore yields \[ f(2\sqrt3\,t)+2f(\sqrt3\,t)=2f(3t). \] Replacing \(\sqrt3\,t\) by \(x\), we obtain \[ f(2x)+2f(x)=2f(\sqrt3\,x) \qquad\text{for every real }x. \]
Suppose \(f\) is nonzero. Since it is even and \(f(0)=0\), its degree is \(2n\) for some integer \(n\ge1\). Comparing leading coefficients in the last identity gives \[ 4^n+2=2\cdot3^n. \] If \(n\ge3\), then \[ \frac{4^n}{3^n}\ge\left(\frac43\right)^3 =\frac{64}{27}>2, \] contradicting this equality. Hence \(n\le2\), so necessarily \[ f(x)=Ax^2+Bx^4. \] The zero polynomial also has this form.
It remains to verify that every such polynomial works. Let \(ab+bc+ca=0\), and put \[ x=a-b,\qquad y=b-c,\qquad z=c-a,\qquad s=a+b+c. \] Then \(x+y+z=0\), and \[ x^2+y^2+z^2 =2(a^2+b^2+c^2-ab-bc-ca) =2s^2. \] Consequently, \[ xy+yz+zx=-\frac{x^2+y^2+z^2}{2}=-s^2. \] Using \(x+y+z=0\) again gives \[ x^2y^2+y^2z^2+z^2x^2 =(xy+yz+zx)^2-2xyz(x+y+z)=s^4. \] Therefore, \[ x^4+y^4+z^4 =(x^2+y^2+z^2)^2 -2(x^2y^2+y^2z^2+z^2x^2) =2s^4. \] Thus, for arbitrary real \(A,B\), \[ f(a-b)+f(b-c)+f(c-a) =2As^2+2Bs^4 =2f(a+b+c). \] This proves both necessity and sufficiency.
The solution was checked against Evan Chen's published IMO solution notes.
IMO 2004 · Aufgabe 2
Bestimme alle Polynome \(f\) mit reellen Koeffizienten, für die für alle reellen Zahlen \(a,b,c\) mit \(ab+bc+ca=0\) die folgende Beziehung gilt: \[ f(a-b)+f(b-c)+f(c-a)=2f(a+b+c). \]
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Antwort
\[ \boxed{f(x)=Ax^2+Bx^4,\qquad A,B\in\mathbb R.} \]
Lösung
Setzen wir \(a=b=c=0\), so erhalten wir \(3f(0)=2f(0)\), also \(f(0)=0\). Setzen wir nun \((a,b,c)=(t,0,0)\), so ergibt sich \[ f(t)+f(-t)=2f(t). \] Somit ist \(f\) gerade.
Für eine beliebige reelle Zahl \(t\) wählen wir \[ a=(1+\sqrt3)t,\qquad b=(1-\sqrt3)t,\qquad c=t. \] Diese Zahlen erfüllen \[ ab+bc+ca=\bigl(-2+1-\sqrt3+1+\sqrt3\bigr)t^2=0. \] Die geforderte Gleichung liefert daher zusammen mit der Geradheit von \(f\) \[ f(2\sqrt3\,t)+2f(\sqrt3\,t)=2f(3t). \] Ersetzen wir \(\sqrt3\,t\) durch \(x\), so erhalten wir \[ f(2x)+2f(x)=2f(\sqrt3\,x) \qquad\text{für jede reelle Zahl }x. \]
Angenommen, \(f\) ist nicht das Nullpolynom. Da es gerade ist und \(f(0)=0\) gilt, hat es den Grad \(2n\) für eine ganze Zahl \(n\ge1\). Der Vergleich der führenden Koeffizienten in der letzten Identität ergibt \[ 4^n+2=2\cdot3^n. \] Für \(n\ge3\) gilt \[ \frac{4^n}{3^n}\ge\left(\frac43\right)^3 =\frac{64}{27}>2, \] im Widerspruch zu dieser Gleichheit. Also ist \(n\le2\), sodass notwendigerweise \[ f(x)=Ax^2+Bx^4. \] Auch das Nullpolynom hat diese Form.
Es bleibt zu überprüfen, dass jedes solche Polynom die Bedingung erfüllt. Sei \(ab+bc+ca=0\), und setzen wir \[ x=a-b,\qquad y=b-c,\qquad z=c-a,\qquad s=a+b+c. \] Dann ist \(x+y+z=0\), und es gilt \[ x^2+y^2+z^2 =2(a^2+b^2+c^2-ab-bc-ca) =2s^2. \] Folglich gilt \[ xy+yz+zx=-\frac{x^2+y^2+z^2}{2}=-s^2. \] Erneute Verwendung von \(x+y+z=0\) ergibt \[ x^2y^2+y^2z^2+z^2x^2 =(xy+yz+zx)^2-2xyz(x+y+z)=s^4. \] Somit ist \[ x^4+y^4+z^4 =(x^2+y^2+z^2)^2 -2(x^2y^2+y^2z^2+z^2x^2) =2s^4. \] Für beliebige reelle Zahlen \(A,B\) gilt also \[ f(a-b)+f(b-c)+f(c-a) =2As^2+2Bs^4 =2f(a+b+c). \] Damit sind sowohl die Notwendigkeit als auch die Hinlänglichkeit bewiesen.
Die Lösung wurde mit den veröffentlichten IMO-Lösungsnotizen von Evan Chen abgeglichen.
IMO 2004 · Soru 2
\(ab+bc+ca=0\) koşulunu sağlayan tüm \(a,b,c\) gerçel sayıları için aşağıdaki bağıntıyı sağlayan, gerçel katsayılı tüm \(f\) polinomlarını bulunuz: \[ f(a-b)+f(b-c)+f(c-a)=2f(a+b+c). \]
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Cevap
\[ \boxed{f(x)=Ax^2+Bx^4,\qquad A,B\in\mathbb R.} \]
Çözüm
\(a=b=c=0\) alındığında \(3f(0)=2f(0)\), dolayısıyla \(f(0)=0\) elde edilir. Ardından \((a,b,c)=(t,0,0)\) alındığında \[ f(t)+f(-t)=2f(t) \] elde edilir. Böylece \(f\) çift bir polinomdur.
Herhangi bir \(t\) gerçel sayısı için \[ a=(1+\sqrt3)t,\qquad b=(1-\sqrt3)t,\qquad c=t \] seçelim. Bu sayılar \[ ab+bc+ca=\bigl(-2+1-\sqrt3+1+\sqrt3\bigr)t^2=0 \] eşitliğini sağlar. Dolayısıyla verilen denklem ve çiftlik özelliği birlikte \[ f(2\sqrt3\,t)+2f(\sqrt3\,t)=2f(3t) \] eşitliğini verir. \(\sqrt3\,t\) yerine \(x\) yazarak \[ f(2x)+2f(x)=2f(\sqrt3\,x) \qquad\text{her gerçel sayı için }x \] elde ederiz.
\(f\)'nin sıfır polinomu olmadığını varsayalım. Çift olduğundan ve \(f(0)=0\) olduğundan, derecesi bir \(n\ge1\) tam sayısı için \(2n\)'dir. Son özdeşlikte başkatsayıları karşılaştırarak \[ 4^n+2=2\cdot3^n \] elde ederiz. Eğer \(n\ge3\) ise \[ \frac{4^n}{3^n}\ge\left(\frac43\right)^3 =\frac{64}{27}>2 \] bu da söz konusu eşitlikle çelişir. O hâlde \(n\le2\) olup zorunlu olarak \[ f(x)=Ax^2+Bx^4 \] olur. Sıfır polinomu da bu biçimdedir.
Geriye bu biçimdeki her polinomun koşulu sağladığını doğrulamak kalıyor. \(ab+bc+ca=0\) olsun ve \[ x=a-b,\qquad y=b-c,\qquad z=c-a,\qquad s=a+b+c \] olarak tanımlayalım. O zaman \(x+y+z=0\) ve \[ x^2+y^2+z^2 =2(a^2+b^2+c^2-ab-bc-ca) =2s^2 \] olur. Sonuç olarak, \[ xy+yz+zx=-\frac{x^2+y^2+z^2}{2}=-s^2. \] \(x+y+z=0\) eşitliğini yeniden kullanarak \[ x^2y^2+y^2z^2+z^2x^2 =(xy+yz+zx)^2-2xyz(x+y+z)=s^4 \] elde ederiz. Dolayısıyla, \[ x^4+y^4+z^4 =(x^2+y^2+z^2)^2 -2(x^2y^2+y^2z^2+z^2x^2) =2s^4. \] Böylece, herhangi \(A,B\) gerçel sayıları için, \[ f(a-b)+f(b-c)+f(c-a) =2As^2+2Bs^4 =2f(a+b+c). \] Bu, hem gerekliliği hem de yeterliliği kanıtlar.
Çözüm, Evan Chen'in yayımlanmış IMO çözüm notlarıyla karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 2004 · Problema 2
Halle todos los polinomios \(f\) con coeficientes reales tales que, para todos los números reales \(a,b,c\) que satisfacen \(ab+bc+ca=0\), se cumple la siguiente relación \[ f(a-b)+f(b-c)+f(c-a)=2f(a+b+c). \]
Enunciado traducido del texto oficial en inglés. Enunciado oficial (PDF)
Respuesta
\[ \boxed{f(x)=Ax^2+Bx^4,\qquad A,B\in\mathbb R.} \]
Solución
Tomando \(a=b=c=0\), se obtiene \(3f(0)=2f(0)\), de modo que \(f(0)=0\). A continuación, tomando \((a,b,c)=(t,0,0)\), se obtiene \[ f(t)+f(-t)=2f(t). \] Por tanto, \(f\) es par.
Para cualquier número real \(t\), elijamos \[ a=(1+\sqrt3)t,\qquad b=(1-\sqrt3)t,\qquad c=t. \] Estos números satisfacen \[ ab+bc+ca=\bigl(-2+1-\sqrt3+1+\sqrt3\bigr)t^2=0. \] La ecuación del enunciado, junto con la paridad de \(f\), da entonces \[ f(2\sqrt3\,t)+2f(\sqrt3\,t)=2f(3t). \] Sustituyendo \(\sqrt3\,t\) por \(x\), obtenemos \[ f(2x)+2f(x)=2f(\sqrt3\,x) \qquad\text{para todo número real }x. \]
Supongamos que \(f\) no es el polinomio nulo. Como es par y \(f(0)=0\), su grado es \(2n\) para algún entero \(n\ge1\). Comparando los coeficientes principales en la última identidad, se obtiene \[ 4^n+2=2\cdot3^n. \] Si \(n\ge3\), entonces \[ \frac{4^n}{3^n}\ge\left(\frac43\right)^3 =\frac{64}{27}>2, \] lo que contradice esta igualdad. Por consiguiente, \(n\le2\), de modo que necesariamente \[ f(x)=Ax^2+Bx^4. \] El polinomio nulo también tiene esta forma.
Falta comprobar que todo polinomio de esta forma cumple la condición. Supongamos que \(ab+bc+ca=0\), y pongamos \[ x=a-b,\qquad y=b-c,\qquad z=c-a,\qquad s=a+b+c. \] Entonces \(x+y+z=0\), y \[ x^2+y^2+z^2 =2(a^2+b^2+c^2-ab-bc-ca) =2s^2. \] En consecuencia, \[ xy+yz+zx=-\frac{x^2+y^2+z^2}{2}=-s^2. \] Utilizando de nuevo \(x+y+z=0\), se obtiene \[ x^2y^2+y^2z^2+z^2x^2 =(xy+yz+zx)^2-2xyz(x+y+z)=s^4. \] Por tanto, \[ x^4+y^4+z^4 =(x^2+y^2+z^2)^2 -2(x^2y^2+y^2z^2+z^2x^2) =2s^4. \] Así pues, para cualesquiera números reales \(A,B\), \[ f(a-b)+f(b-c)+f(c-a) =2As^2+2Bs^4 =2f(a+b+c). \] Esto demuestra tanto la necesidad como la suficiencia.
La solución se comprobó con las notas de soluciones de la IMO publicadas por Evan Chen.
IMO 2004 · 问题 2
求所有实系数多项式 \(f\),使得对任意满足 \(ab+bc+ca=0\) 的实数 \(a,b,c\),都有如下等式 \[ f(a-b)+f(b-c)+f(c-a)=2f(a+b+c). \]
题目译自官方英文原文。 官方试卷 (PDF)
答案
\[ \boxed{f(x)=Ax^2+Bx^4,\qquad A,B\in\mathbb R.} \]
解答
取 \(a=b=c=0\),得 \(3f(0)=2f(0)\),故 \(f(0)=0\)。再取 \((a,b,c)=(t,0,0)\),得 \[ f(t)+f(-t)=2f(t). \] 因此 \(f\) 是偶函数。
对任意实数 \(t\),取 \[ a=(1+\sqrt3)t,\qquad b=(1-\sqrt3)t,\qquad c=t. \] 它们满足 \[ ab+bc+ca=\bigl(-2+1-\sqrt3+1+\sqrt3\bigr)t^2=0. \] 因此,由题设等式及偶性可得 \[ f(2\sqrt3\,t)+2f(\sqrt3\,t)=2f(3t). \] 将 \(\sqrt3\,t\) 换成 \(x\),得 \[ f(2x)+2f(x)=2f(\sqrt3\,x) \qquad\text{对每个实数 }x. \]
假设 \(f\) 不是零多项式。由于它是偶函数且 \(f(0)=0\),其次数为 \(2n\),其中 \(n\ge1\) 为整数。比较上一恒等式两边的最高次项系数,得 \[ 4^n+2=2\cdot3^n. \] 若 \(n\ge3\),则 \[ \frac{4^n}{3^n}\ge\left(\frac43\right)^3 =\frac{64}{27}>2, \] 与上述等式矛盾。因此 \(n\le2\),从而必有 \[ f(x)=Ax^2+Bx^4. \] 零多项式也具有这一形式。
下面验证每个这样的多项式都满足条件。设 \(ab+bc+ca=0\),并令 \[ x=a-b,\qquad y=b-c,\qquad z=c-a,\qquad s=a+b+c. \] 则 \(x+y+z=0\),且 \[ x^2+y^2+z^2 =2(a^2+b^2+c^2-ab-bc-ca) =2s^2. \] 于是 \[ xy+yz+zx=-\frac{x^2+y^2+z^2}{2}=-s^2. \] 再次利用 \(x+y+z=0\),得 \[ x^2y^2+y^2z^2+z^2x^2 =(xy+yz+zx)^2-2xyz(x+y+z)=s^4. \] 因此 \[ x^4+y^4+z^4 =(x^2+y^2+z^2)^2 -2(x^2y^2+y^2z^2+z^2x^2) =2s^4. \] 所以,对任意实数 \(A,B\),都有 \[ f(a-b)+f(b-c)+f(c-a) =2As^2+2Bs^4 =2f(a+b+c). \] 这就证明了必要性与充分性。
解答已与 Evan Chen 发布的 IMO 解答笔记核对。
IMO 2004 · Задача 2
Найдите все многочлены \(f\) с действительными коэффициентами, для которых при любых действительных \(a,b,c\), удовлетворяющих условию \(ab+bc+ca=0\), выполняется равенство \[ f(a-b)+f(b-c)+f(c-a)=2f(a+b+c). \]
Условие переведено с официального английского текста. Официальный текст задач (PDF)
Ответ
\[ \boxed{f(x)=Ax^2+Bx^4,\qquad A,B\in\mathbb R.} \]
Решение
Подставляя \(a=b=c=0\), получаем \(3f(0)=2f(0)\), откуда \(f(0)=0\). Далее, подставляя \((a,b,c)=(t,0,0)\), получаем \[ f(t)+f(-t)=2f(t). \] Таким образом, \(f\) — чётный многочлен.
Для произвольного действительного \(t\) выберем \[ a=(1+\sqrt3)t,\qquad b=(1-\sqrt3)t,\qquad c=t. \] Для этих чисел \[ ab+bc+ca=\bigl(-2+1-\sqrt3+1+\sqrt3\bigr)t^2=0. \] Поэтому из требуемого равенства с учётом чётности следует \[ f(2\sqrt3\,t)+2f(\sqrt3\,t)=2f(3t). \] Заменяя \(\sqrt3\,t\) на \(x\), получаем \[ f(2x)+2f(x)=2f(\sqrt3\,x) \qquad\text{для любого действительного }x. \]
Предположим, что \(f\) не является нулевым многочленом. Поскольку он чётный и \(f(0)=0\), его степень равна \(2n\) для некоторого целого \(n\ge1\). Сравнивая старшие коэффициенты в последнем тождестве, получаем \[ 4^n+2=2\cdot3^n. \] Если \(n\ge3\), то \[ \frac{4^n}{3^n}\ge\left(\frac43\right)^3 =\frac{64}{27}>2, \] что противоречит этому равенству. Следовательно, \(n\le2\), так что обязательно \[ f(x)=Ax^2+Bx^4. \] Нулевой многочлен также имеет такой вид.
Остаётся проверить, что каждый такой многочлен подходит. Пусть \(ab+bc+ca=0\), и положим \[ x=a-b,\qquad y=b-c,\qquad z=c-a,\qquad s=a+b+c. \] Тогда \(x+y+z=0\), и \[ x^2+y^2+z^2 =2(a^2+b^2+c^2-ab-bc-ca) =2s^2. \] Следовательно, \[ xy+yz+zx=-\frac{x^2+y^2+z^2}{2}=-s^2. \] Ещё раз используя \(x+y+z=0\), получаем \[ x^2y^2+y^2z^2+z^2x^2 =(xy+yz+zx)^2-2xyz(x+y+z)=s^4. \] Поэтому \[ x^4+y^4+z^4 =(x^2+y^2+z^2)^2 -2(x^2y^2+y^2z^2+z^2x^2) =2s^4. \] Таким образом, для произвольных действительных \(A,B\) \[ f(a-b)+f(b-c)+f(c-a) =2As^2+2Bs^4 =2f(a+b+c). \] Тем самым доказаны и необходимость, и достаточность.
Решение проверено по опубликованным заметкам Эвана Чена с решениями IMO.
IMO 2004 · المسألة 2
أوجد جميع كثيرات الحدود \(f\) ذات المعاملات الحقيقية بحيث تتحقق العلاقة الآتية لكل أعداد حقيقية \(a,b,c\) تحقق \(ab+bc+ca=0\) \[ f(a-b)+f(b-c)+f(c-a)=2f(a+b+c). \]
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الإجابة
\[ \boxed{f(x)=Ax^2+Bx^4,\qquad A,B\in\mathbb R.} \]
الحل
بوضع \(a=b=c=0\) نحصل على \(3f(0)=2f(0)\)، ومن ثم \(f(0)=0\). ثم بوضع \((a,b,c)=(t,0,0)\) نحصل على \[ f(t)+f(-t)=2f(t). \] إذن \(f\) زوجية.
لكل عدد حقيقي \(t\)، نختار \[ a=(1+\sqrt3)t,\qquad b=(1-\sqrt3)t,\qquad c=t. \] وهذه الأعداد تحقق \[ ab+bc+ca=\bigl(-2+1-\sqrt3+1+\sqrt3\bigr)t^2=0. \] لذلك تعطي المعادلة المطلوبة، مع زوجية الدالة، \[ f(2\sqrt3\,t)+2f(\sqrt3\,t)=2f(3t). \] بإحلال \(x\) محل \(\sqrt3\,t\)، نحصل على \[ f(2x)+2f(x)=2f(\sqrt3\,x) \qquad\text{لكل عدد حقيقي }x. \]
لنفترض أن \(f\) ليست كثيرة الحدود الصفرية. بما أنها زوجية وأن \(f(0)=0\)، فإن درجتها \(2n\) لعدد صحيح \(n\ge1\). وبمقارنة معاملي الحدين الرئيسيين في المتطابقة الأخيرة نحصل على \[ 4^n+2=2\cdot3^n. \] إذا كان \(n\ge3\)، فإن \[ \frac{4^n}{3^n}\ge\left(\frac43\right)^3 =\frac{64}{27}>2, \] وهذا يناقض هذه المساواة. إذن \(n\le2\)، وبالتالي يلزم أن \[ f(x)=Ax^2+Bx^4. \] وكثيرة الحدود الصفرية لها هذا الشكل أيضًا.
يبقى أن نتحقق من أن كل كثيرة حدود بهذا الشكل تحقق المطلوب. ليكن \(ab+bc+ca=0\)، ولنضع \[ x=a-b,\qquad y=b-c,\qquad z=c-a,\qquad s=a+b+c. \] عندئذ \(x+y+z=0\)، و \[ x^2+y^2+z^2 =2(a^2+b^2+c^2-ab-bc-ca) =2s^2. \] وبالتالي، \[ xy+yz+zx=-\frac{x^2+y^2+z^2}{2}=-s^2. \] وباستخدام \(x+y+z=0\) مرة أخرى نحصل على \[ x^2y^2+y^2z^2+z^2x^2 =(xy+yz+zx)^2-2xyz(x+y+z)=s^4. \] إذن، \[ x^4+y^4+z^4 =(x^2+y^2+z^2)^2 -2(x^2y^2+y^2z^2+z^2x^2) =2s^4. \] ومن ثم، لأي عددين حقيقيين \(A,B\)، \[ f(a-b)+f(b-c)+f(c-a) =2As^2+2Bs^4 =2f(a+b+c). \] وهذا يثبت الضرورة والكفاية.
تمت مراجعة الحل بمقارنته بملاحظات حلول IMO المنشورة لإيفان تشين.