IMO 2006 · Problem 5
Let \(P(x)\) be a polynomial of degree \(n>1\) with integer coefficients and let \(k\) be a positive integer. Consider the polynomial \(Q(x)=P(P(\ldots P(P(x))\ldots))\), where \(P\) occurs \(k\) times. Prove that there are at most \(n\) integers \(t\) such that \(Q(t)=t\).
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Solution
Write \(P^{\circ j}\) for the \(j\)-fold composition of \(P\), with \(P^{\circ 0}(x)=x\), and let \[ S=\{t\in\mathbb Z:P^{\circ k}(t)=t\}. \] Since \(P^{\circ k}(x)-x\) has degree \(n^k\), the set \(S\) is finite. Moreover, \(P\) maps \(S\) into itself, because for \(t\in S\), \[ P^{\circ k}(P(t))=P(P^{\circ k}(t))=P(t). \]
We first show that \(P\) preserves distances between elements of \(S\). For any integers \(u,v\), the fact that \(P\) has integer coefficients gives \[ u-v\mid P(u)-P(v), \] by factoring each difference \(u^j-v^j\).
Now take distinct \(u,v\in S\), and put \[ d_i=P^{\circ i}(u)-P^{\circ i}(v) \qquad(0\le i\le k). \] Every \(d_i\) is nonzero: otherwise, applying \(P^{\circ(k-i)}\) would give \(u=v\). Also, \(d_i\mid d_{i+1}\) for \(0\le i<k\), while \(d_k=d_0\). Consequently, \[ |d_0|\le |d_1|\le\cdots\le |d_k|=|d_0|, \] so all these inequalities are equalities. In particular, \[ |P(u)-P(v)|=|u-v|. \tag{1} \]
If \(S\) has at most one element, the desired bound is immediate. Otherwise, let \[ a=\min S,\qquad b=\max S, \] so \(a<b\). Since \(P(a),P(b)\in S\), equation (1) implies \[ |P(a)-P(b)|=b-a. \] The only two points of \([a,b]\) at this distance are its endpoints. Thus either \(P(a)=a\) or \(P(a)=b\).
-
If \(P(a)=a\), then for every \(t\in S\), equation (1) (also trivially valid when \(t=a\)) gives \[ P(t)-a=|P(t)-a|=|t-a|=t-a, \] because \(P(t),t\in[a,b]\). Hence \(P(t)=t\), so every element of \(S\) is a root of \(P(x)-x\).
-
If \(P(a)=b\), then for every \(t\in S\), \[ b-P(t)=|P(t)-b|=|t-a|=t-a. \] Hence \(P(t)=a+b-t\), so every element of \(S\) is a root of \(P(x)+x-(a+b)\).
Both polynomials have degree \(n\), since \(n>1\). A nonzero polynomial of degree \(n\) has at most \(n\) distinct roots, so in either case \(|S|\le n\), as required. \(\square\)
The solution was checked against the official IMO shortlist solutions.
IMO 2006 · Aufgabe 5
Es sei \(P(x)\) ein Polynom vom Grad \(n\) mit ganzzahligen Koeffizienten und \(n>1\). Ferner sei \(k\) eine positive ganze Zahl. Wir betrachten das Polynom \[ Q(x)=P(P(\ldots P(P(x))\ldots)), \] wobei \(P\) genau \(k\)-mal auftritt. Man beweise, dass höchstens \(n\) ganze Zahlen \(t\) mit \(Q(t)=t\) existieren.
Offizieller deutscher Aufgabentext. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Lösung
Wir bezeichnen mit \(P^{\circ j}\) die \(j\)-fache Verkettung von \(P\), wobei \(P^{\circ 0}(x)=x\), und setzen \[ S=\{t\in\mathbb Z:P^{\circ k}(t)=t\}. \] Da \(P^{\circ k}(x)-x\) den Grad \(n^k\) hat, ist die Menge \(S\) endlich. Außerdem bildet \(P\) die Menge \(S\) in sich ab, denn für \(t\in S\) gilt \[ P^{\circ k}(P(t))=P(P^{\circ k}(t))=P(t). \]
Wir zeigen zunächst, dass \(P\) die Abstände zwischen Elementen von \(S\) erhält. Für beliebige ganze Zahlen \(u,v\) folgt aus der Ganzzahligkeit der Koeffizienten von \(P\) \[ u-v\mid P(u)-P(v), \] indem man jede Differenz \(u^j-v^j\) faktorisiert.
Wir wählen nun verschiedene \(u,v\in S\) und setzen \[ d_i=P^{\circ i}(u)-P^{\circ i}(v) \qquad(0\le i\le k). \] Jedes \(d_i\) ist von null verschieden: Andernfalls würde die Anwendung von \(P^{\circ(k-i)}\) die Gleichheit \(u=v\) ergeben. Außerdem gilt \(d_i\mid d_{i+1}\) für \(0\le i<k\), während \(d_k=d_0\) ist. Folglich gilt \[ |d_0|\le |d_1|\le\cdots\le |d_k|=|d_0|, \] also gilt in all diesen Ungleichungen Gleichheit. Insbesondere gilt \[ |P(u)-P(v)|=|u-v|. \tag{1} \]
Hat \(S\) höchstens ein Element, so ist die gewünschte Schranke unmittelbar klar. Andernfalls setzen wir \[ a=\min S,\qquad b=\max S, \] also \(a<b\). Da \(P(a),P(b)\in S\), folgt aus Gleichung (1) \[ |P(a)-P(b)|=b-a. \] Die einzigen beiden Punkte von \([a,b]\) mit diesem Abstand sind die Endpunkte. Somit gilt entweder \(P(a)=a\) oder \(P(a)=b\).
-
Ist \(P(a)=a\), so liefert Gleichung (1) für jedes \(t\in S\) (wobei sie auch für \(t=a\) offensichtlich gilt) \[ P(t)-a=|P(t)-a|=|t-a|=t-a, \] da \(P(t),t\in[a,b]\). Daher gilt \(P(t)=t\), sodass jedes Element von \(S\) eine Nullstelle von \(P(x)-x\) ist.
-
Ist \(P(a)=b\), so gilt für jedes \(t\in S\) \[ b-P(t)=|P(t)-b|=|t-a|=t-a. \] Daher gilt \(P(t)=a+b-t\), sodass jedes Element von \(S\) eine Nullstelle von \(P(x)+x-(a+b)\) ist.
Beide Polynome haben den Grad \(n\), da \(n>1\) ist. Ein vom Nullpolynom verschiedenes Polynom vom Grad \(n\) hat höchstens \(n\) verschiedene Nullstellen, also gilt in beiden Fällen \(|S|\le n\), wie verlangt. \(\square\)
Die Lösung wurde mit den offiziellen Lösungen der IMO-Shortlist abgeglichen.
IMO 2006 · Soru 5
Katsayıları tam sayı ve derecesi \(n>1\) olan bir \(P(x)\) polinomu ile bir \(k>0\) tam sayısı veriliyor. \(Q(x)=P(P(\cdots P(P(x))\cdots))\), \(P\) nin \(k\) kez kullanılmasıyla tanımlanan polinom olmak üzere, \(Q(t)=t\) eşitliğini sağlayan \(t\) tam sayılarının sayısının en fazla \(n\) olacağını ispatlayınız.
Sorunun resmi Türkçe metni. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Çözüm
\(P\) nin kendisiyle \(j\) kez bileşkesini \(P^{\circ j}\) ile gösterelim; burada \(P^{\circ 0}(x)=x\) olsun ve \[ S=\{t\in\mathbb Z:P^{\circ k}(t)=t\} \] olarak tanımlayalım. \(P^{\circ k}(x)-x\) polinomunun derecesi \(n^k\) olduğundan, \(S\) kümesi sonludur. Ayrıca \(P\), \(S\) yi kendi içine götürür; çünkü \(t\in S\) için \[ P^{\circ k}(P(t))=P(P^{\circ k}(t))=P(t). \]
Önce \(P\) nin \(S\) nin elemanları arasındaki uzaklıkları koruduğunu gösterelim. Herhangi \(u,v\) tam sayıları için, \(P\) nin tam sayı katsayılı olmasından \[ u-v\mid P(u)-P(v) \] bağıntısı, her bir \(u^j-v^j\) farkının çarpanlarına ayrılmasıyla elde edilir.
Şimdi birbirinden farklı \(u,v\in S\) alalım ve \[ d_i=P^{\circ i}(u)-P^{\circ i}(v) \qquad(0\le i\le k) \] olsun. Her \(d_i\) sıfırdan farklıdır: aksi hâlde \(P^{\circ(k-i)}\) uygulanınca \(u=v\) elde edilirdi. Ayrıca \(0\le i<k\) için \(d_i\mid d_{i+1}\) ve \(d_k=d_0\) olur. Dolayısıyla, \[ |d_0|\le |d_1|\le\cdots\le |d_k|=|d_0|, \] yani bu eşitsizliklerin tümü eşitliktir. Özellikle, \[ |P(u)-P(v)|=|u-v|. \tag{1} \]
\(S\) nin en fazla bir elemanı varsa, istenen üst sınır açıktır. Aksi hâlde, \[ a=\min S,\qquad b=\max S, \] olsun; böylece \(a<b\) olur. \(P(a),P(b)\in S\) olduğundan, (1) eşitliği \[ |P(a)-P(b)|=b-a \] sonucunu verir. \([a,b]\) aralığında aralarındaki uzaklık bu kadar olan iki nokta yalnızca aralığın uç noktalarıdır. Dolayısıyla ya \(P(a)=a\) ya da \(P(a)=b\) olur.
-
\(P(a)=a\) ise, her \(t\in S\) için (1) eşitliği (\(t=a\) olduğunda da açıkça geçerlidir) \[ P(t)-a=|P(t)-a|=|t-a|=t-a, \] sonucunu verir; çünkü \(P(t),t\in[a,b]\) dir. Buradan \(P(t)=t\) olur, yani \(S\) nin her elemanı \(P(x)-x\) polinomunun bir köküdür.
-
\(P(a)=b\) ise, her \(t\in S\) için \[ b-P(t)=|P(t)-b|=|t-a|=t-a. \] Buradan \(P(t)=a+b-t\) olur, yani \(S\) nin her elemanı \(P(x)+x-(a+b)\) polinomunun bir köküdür.
\(n>1\) olduğundan her iki polinomun da derecesi \(n\) dir. Derecesi \(n\) olan sıfırdan farklı bir polinomun en fazla \(n\) farklı kökü vardır; dolayısıyla her iki durumda da, istendiği gibi, \(|S|\le n\) olur. \(\square\)
Çözüm, resmi IMO shortlist çözümleriyle karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 2006 · Problema 5
Sea \(P(x)\) un polinomio de grado \(n>1\) con coeficientes enteros y sea \(k\) un entero positivo. Considere el polinomio \(Q(x)=P(P(\ldots P(P(x))\ldots))\), donde \(P\) aparece \(k\) veces. Demuestre que hay a lo sumo \(n\) enteros \(t\) tales que \(Q(t)=t\).
Texto oficial en español del problema. Enunciado oficial (PDF)
Solución
Denotemos por \(P^{\circ j}\) la composición de \(P\) consigo mismo \(j\) veces, con \(P^{\circ 0}(x)=x\), y sea \[ S=\{t\in\mathbb Z:P^{\circ k}(t)=t\}. \] Como \(P^{\circ k}(x)-x\) tiene grado \(n^k\), el conjunto \(S\) es finito. Además, \(P\) aplica \(S\) en sí mismo, porque, para \(t\in S\), \[ P^{\circ k}(P(t))=P(P^{\circ k}(t))=P(t). \]
Primero demostraremos que \(P\) conserva las distancias entre los elementos de \(S\). Para cualesquiera enteros \(u,v\), el hecho de que \(P\) tenga coeficientes enteros da \[ u-v\mid P(u)-P(v), \] al factorizar cada diferencia \(u^j-v^j\).
Tomemos ahora \(u,v\in S\) distintos, y pongamos \[ d_i=P^{\circ i}(u)-P^{\circ i}(v) \qquad(0\le i\le k). \] Cada \(d_i\) es distinto de cero: de lo contrario, al aplicar \(P^{\circ(k-i)}\) obtendríamos \(u=v\). Además, \(d_i\mid d_{i+1}\) para \(0\le i<k\), mientras que \(d_k=d_0\). Por consiguiente, \[ |d_0|\le |d_1|\le\cdots\le |d_k|=|d_0|, \] por lo que todas estas desigualdades son igualdades. En particular, \[ |P(u)-P(v)|=|u-v|. \tag{1} \]
Si \(S\) tiene a lo sumo un elemento, la cota deseada es inmediata. En caso contrario, sean \[ a=\min S,\qquad b=\max S, \] de modo que \(a<b\). Como \(P(a),P(b)\in S\), la ecuación (1) implica \[ |P(a)-P(b)|=b-a. \] Los únicos dos puntos de \([a,b]\) que están a esta distancia son sus extremos. Por tanto, o bien \(P(a)=a\), o bien \(P(a)=b\).
-
Si \(P(a)=a\), entonces, para todo \(t\in S\), la ecuación (1) (también trivialmente válida cuando \(t=a\)) da \[ P(t)-a=|P(t)-a|=|t-a|=t-a, \] porque \(P(t),t\in[a,b]\). Así pues, \(P(t)=t\), de modo que todo elemento de \(S\) es una raíz de \(P(x)-x\).
-
Si \(P(a)=b\), entonces, para todo \(t\in S\), \[ b-P(t)=|P(t)-b|=|t-a|=t-a. \] Así pues, \(P(t)=a+b-t\), de modo que todo elemento de \(S\) es una raíz de \(P(x)+x-(a+b)\).
Ambos polinomios tienen grado \(n\), puesto que \(n>1\). Un polinomio no nulo de grado \(n\) tiene a lo sumo \(n\) raíces distintas, por lo que, en cualquiera de los dos casos, \(|S|\le n\), como se quería demostrar. \(\square\)
La solución se comprobó con las soluciones oficiales de la shortlist de la IMO.
IMO 2006 · 问题 5
设 \(P(x)\) 为 \(n\) 次(\(n>1\))整系数多项式,\(k\) 是一个正整数。考虑多项式 \(Q(x)=P(P(\cdots P(P(x))\cdots))\),其中 \(P\) 出现 \(k\) 次。证明:最多存在 \(n\) 个整数 \(t\),使得 \(Q(t)=t\)。
题目为官方中文译本。 官方试卷 (PDF)
解答
用 \(P^{\circ j}\) 表示 \(P\) 的 \(j\) 次复合,约定 \(P^{\circ 0}(x)=x\),并令 \[ S=\{t\in\mathbb Z:P^{\circ k}(t)=t\}. \] 由于 \(P^{\circ k}(x)-x\) 的次数为 \(n^k\),集合 \(S\) 是有限集。此外,\(P\) 将 \(S\) 映入自身,因为对 \(t\in S\),有 \[ P^{\circ k}(P(t))=P(P^{\circ k}(t))=P(t). \]
我们先证明 \(P\) 保持 \(S\) 中元素之间的距离不变。对任意整数 \(u,v\),由于 \(P\) 的系数均为整数,有 \[ u-v\mid P(u)-P(v), \] 这是对每个差 \(u^j-v^j\) 作因式分解得到的。
现在取不同的 \(u,v\in S\),并令 \[ d_i=P^{\circ i}(u)-P^{\circ i}(v) \qquad(0\le i\le k). \] 每个 \(d_i\) 都非零:否则,对两边作用 \(P^{\circ(k-i)}\) 就会得到 \(u=v\)。而且,当 \(0\le i<k\) 时,\(d_i\mid d_{i+1}\),同时 \(d_k=d_0\)。因此, \[ |d_0|\le |d_1|\le\cdots\le |d_k|=|d_0|, \] 所以这些不等式均为等式。特别地, \[ |P(u)-P(v)|=|u-v|. \tag{1} \]
若 \(S\) 至多有一个元素,则所求上界显然成立。否则,令 \[ a=\min S,\qquad b=\max S, \] 于是 \(a<b\)。由于 \(P(a),P(b)\in S\),由等式 (1) 得 \[ |P(a)-P(b)|=b-a. \] \([a,b]\) 中距离为此值的两点只能是其两个端点。因此,或者 \(P(a)=a\),或者 \(P(a)=b\)。
-
若 \(P(a)=a\),则对每个 \(t\in S\),由等式 (1)(当 \(t=a\) 时也显然成立)得 \[ P(t)-a=|P(t)-a|=|t-a|=t-a, \] 因为 \(P(t),t\in[a,b]\)。故 \(P(t)=t\),所以 \(S\) 中的每个元素都是 \(P(x)-x\) 的根。
-
若 \(P(a)=b\),则对每个 \(t\in S\),有 \[ b-P(t)=|P(t)-b|=|t-a|=t-a. \] 故 \(P(t)=a+b-t\),所以 \(S\) 中的每个元素都是 \(P(x)+x-(a+b)\) 的根。
由于 \(n>1\),这两个多项式的次数均为 \(n\)。一个 \(n\) 次非零多项式至多有 \(n\) 个不同的根,所以无论哪种情形,都有 \(|S|\le n\),得证。\(\square\)
解答已与 IMO 官方预选题(shortlist)解答核对。
IMO 2006 · Задача 5
Пусть \(P(x)\) – многочлен степени \(n>1\) с целыми коэффициентами, \(k\) – произвольное натуральное число. Рассмотрим многочлен \[ Q(x)=P(P(\ldots P(P(x))\ldots)) \] (здесь \(P\) применен \(k\) раз). Докажите, что существует не более \(n\) целых чисел \(t\) таких, что \(Q(t)=t\).
Официальный русский текст задачи. Официальный текст задач (PDF)
Решение
Обозначим через \(P^{\circ j}\) композицию \(P\) с собой \(j\) раз, полагая \(P^{\circ 0}(x)=x\), и пусть \[ S=\{t\in\mathbb Z:P^{\circ k}(t)=t\}. \] Поскольку \(P^{\circ k}(x)-x\) имеет степень \(n^k\), множество \(S\) конечно. Кроме того, \(P\) отображает \(S\) в себя, поскольку для \(t\in S\) \[ P^{\circ k}(P(t))=P(P^{\circ k}(t))=P(t). \]
Сначала покажем, что \(P\) сохраняет расстояния между элементами \(S\). Для любых целых \(u,v\) из того, что \(P\) имеет целые коэффициенты, следует \[ u-v\mid P(u)-P(v), \] что получается разложением каждой разности \(u^j-v^j\) на множители.
Теперь возьмем различные \(u,v\in S\) и положим \[ d_i=P^{\circ i}(u)-P^{\circ i}(v) \qquad(0\le i\le k). \] Все \(d_i\) отличны от нуля: иначе применение \(P^{\circ(k-i)}\) дало бы \(u=v\). Кроме того, \(d_i\mid d_{i+1}\) при \(0\le i<k\), а \(d_k=d_0\). Следовательно, \[ |d_0|\le |d_1|\le\cdots\le |d_k|=|d_0|, \] поэтому все эти неравенства являются равенствами. В частности, \[ |P(u)-P(v)|=|u-v|. \tag{1} \]
Если \(S\) содержит не более одного элемента, требуемая оценка очевидна. В противном случае пусть \[ a=\min S,\qquad b=\max S, \] так что \(a<b\). Поскольку \(P(a),P(b)\in S\), из равенства (1) следует \[ |P(a)-P(b)|=b-a. \] Единственные две точки отрезка \([a,b]\), находящиеся на таком расстоянии друг от друга, — его концы. Таким образом, либо \(P(a)=a\), либо \(P(a)=b\).
-
Если \(P(a)=a\), то для любого \(t\in S\) равенство (1) (очевидным образом верное и при \(t=a\)) дает \[ P(t)-a=|P(t)-a|=|t-a|=t-a, \] поскольку \(P(t),t\in[a,b]\). Поэтому \(P(t)=t\), так что каждый элемент \(S\) является корнем \(P(x)-x\).
-
Если \(P(a)=b\), то для любого \(t\in S\) \[ b-P(t)=|P(t)-b|=|t-a|=t-a. \] Поэтому \(P(t)=a+b-t\), так что каждый элемент \(S\) является корнем \(P(x)+x-(a+b)\).
Оба многочлена имеют степень \(n\), поскольку \(n>1\). Ненулевой многочлен степени \(n\) имеет не более \(n\) различных корней, поэтому в обоих случаях \(|S|\le n\), что и требовалось доказать. \(\square\)
Решение проверено по официальным решениям шортлиста IMO.
IMO 2006 · المسألة 5
لتكن \(P(x)\) كثيرة حدود من الدرجه \(n\) حيث \(n>1\) ومعاملاتها أعداد صحيحه، وليكن \(k\) عدد صحيح موجب. أعتبر كثيرة الحدود
\(Q(x)=P(P(\ldots P(P(x))\ldots))\)، حيث \(P\) تكررت \(k\) مره.
برهن أنه يوجد على الاكثر \(n\) من الأعداد الصحيحه \(t\) التي تثبتها كثيرة الحدود \(Q(x)\)، اي أن \(Q(t)=t\).
نص المسألة هو الترجمة العربية الرسمية. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الحل
نرمز بـ\(P^{\circ j}\) إلى تركيب \(P\) مع نفسها \(j\) مرات، مع \(P^{\circ 0}(x)=x\)، ولتكن \[ S=\{t\in\mathbb Z:P^{\circ k}(t)=t\}. \] بما أن درجة \(P^{\circ k}(x)-x\) هي \(n^k\)، فإن المجموعة \(S\) منتهية. كذلك، فإن \(P\) ترسل \(S\) إلى نفسها، لأنه لكل \(t\in S\)، \[ P^{\circ k}(P(t))=P(P^{\circ k}(t))=P(t). \]
نبين أولا أن \(P\) تحفظ المسافات بين عناصر \(S\). لأي عددين صحيحين \(u,v\)، فإن كون معاملات \(P\) صحيحة يعطي \[ u-v\mid P(u)-P(v), \] وذلك بتحليل كل فرق \(u^j-v^j\) إلى عوامل.
نأخذ الآن عنصرين مختلفين \(u,v\in S\)، ونضع \[ d_i=P^{\circ i}(u)-P^{\circ i}(v) \qquad(0\le i\le k). \] كل \(d_i\) غير صفري: وإلا فإن تطبيق \(P^{\circ(k-i)}\) يعطي \(u=v\). كذلك، \(d_i\mid d_{i+1}\) لكل \(0\le i<k\)، في حين أن \(d_k=d_0\). وبالتالي، \[ |d_0|\le |d_1|\le\cdots\le |d_k|=|d_0|, \] فتكون جميع هذه المتباينات مساويات. وبوجه خاص، \[ |P(u)-P(v)|=|u-v|. \tag{1} \]
إذا كانت \(S\) تحتوي على عنصر واحد على الأكثر، فالحد المطلوب واضح. وإلا، فلتكن \[ a=\min S,\qquad b=\max S, \] بحيث \(a<b\). وبما أن \(P(a),P(b)\in S\)، فإن المعادلة (1) تقتضي \[ |P(a)-P(b)|=b-a. \] النقطتان الوحيدتان في \([a,b]\) اللتان تفصل بينهما هذه المسافة هما طرفاه. إذن إما \(P(a)=a\) أو \(P(a)=b\).
-
إذا كان \(P(a)=a\)، فإن المعادلة (1) (الصحيحة أيضا بوضوح عندما \(t=a\)) تعطي، لكل \(t\in S\)، \[ P(t)-a=|P(t)-a|=|t-a|=t-a, \] لأن \(P(t),t\in[a,b]\). ومن ثم \(P(t)=t\)، ولذلك فإن كل عنصر من \(S\) جذر لكثيرة الحدود \(P(x)-x\).
-
إذا كان \(P(a)=b\)، فإنه لكل \(t\in S\)، \[ b-P(t)=|P(t)-b|=|t-a|=t-a. \] ومن ثم \(P(t)=a+b-t\)، ولذلك فإن كل عنصر من \(S\) جذر لكثيرة الحدود \(P(x)+x-(a+b)\).
كلتا كثيرتي الحدود من الدرجة \(n\)، لأن \(n>1\). ولكثيرة الحدود غير الصفرية من الدرجة \(n\) عدد من الجذور المختلفة لا يتجاوز \(n\)، ولذلك ففي كلتا الحالتين \(|S|\le n\)، كما هو مطلوب. \(\square\)
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحلول الرسمية لقائمة IMO المختصرة.