IMO 2010 · Problem 1
Determine all functions \(f:\mathbb R\to\mathbb R\) such that the equality \[ f(\lfloor x\rfloor y)=f(x)\lfloor f(y)\rfloor \] holds for all \(x,y\in\mathbb R\). (Here \(\lfloor z\rfloor\) denotes the greatest integer less than or equal to \(z\).)
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Answer
All constant functions \[ \boxed{f(x)=c\quad\text{for all }x\in\mathbb R,\qquad c\in\{0\}\cup[1,2).} \]
Solution
Setting \(x=1\) in the given equation yields \[ f(y)=f(1)\lfloor f(y)\rfloor \qquad(y\in\mathbb R). \] If \(f(1)=0\), this gives \(f\equiv0\).
Now suppose \(f(1)\ne0\). Taking \(x=y=1\), we obtain \[ f(1)=f(1)\lfloor f(1)\rfloor, \] so \(\lfloor f(1)\rfloor=1\). Therefore, setting \(y=1\) in the original equation gives \[ f(\lfloor x\rfloor)=f(x)\qquad(x\in\mathbb R). \] In particular, \[ f\left(\tfrac12\right)=f(0). \] Next, taking \(x=2\) and \(y=\tfrac12\), we find \[ 0\ne f(1)=f(2)\left\lfloor f\left(\tfrac12\right)\right\rfloor =f(2)\lfloor f(0)\rfloor. \] Consequently, \(\lfloor f(0)\rfloor\ne0\).
Finally, setting \(y=0\) in the original equation gives \[ f(0)=f(x)\lfloor f(0)\rfloor\qquad(x\in\mathbb R). \] Dividing by the nonzero number \(\lfloor f(0)\rfloor\) shows that \(f\) is constant.
For a constant function \(f(x)=c\), the original equation is equivalent to \[ c=c\lfloor c\rfloor. \] This holds precisely when \(c=0\) or \(\lfloor c\rfloor=1\), the latter being equivalent to \(1\le c<2\). Thus every function listed in the answer satisfies the equation, and there are no others.
The solution was checked against the official IMO shortlist solutions.
IMO 2010 · Aufgabe 1
Man bestimme alle Funktionen \(f:\mathbb R\to\mathbb R\), so dass die Gleichung \[ f(\lfloor x\rfloor y)=f(x)\lfloor f(y)\rfloor \] für alle \(x,y\in\mathbb R\) gilt. (Hierbei bezeichnet \(\lfloor z\rfloor\) die größte ganze Zahl, die nicht größer als \(z\) ist.)
Offizieller deutscher Aufgabentext. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Antwort
Alle konstanten Funktionen \[ \boxed{f(x)=c\quad\text{für alle }x\in\mathbb R,\qquad c\in\{0\}\cup[1,2).} \]
Lösung
Setzt man \(x=1\) in die gegebene Gleichung ein, so erhält man \[ f(y)=f(1)\lfloor f(y)\rfloor \qquad(y\in\mathbb R). \] Ist \(f(1)=0\), so folgt daraus \(f\equiv0\).
Sei nun \(f(1)\ne0\). Für \(x=y=1\) erhalten wir \[ f(1)=f(1)\lfloor f(1)\rfloor, \] also \(\lfloor f(1)\rfloor=1\). Setzt man daher \(y=1\) in die ursprüngliche Gleichung ein, so ergibt sich \[ f(\lfloor x\rfloor)=f(x)\qquad(x\in\mathbb R). \] Insbesondere gilt \[ f\left(\tfrac12\right)=f(0). \] Als Nächstes setzen wir \(x=2\) und \(y=\tfrac12\) und erhalten \[ 0\ne f(1)=f(2)\left\lfloor f\left(\tfrac12\right)\right\rfloor =f(2)\lfloor f(0)\rfloor. \] Folglich ist \(\lfloor f(0)\rfloor\ne0\).
Schließlich ergibt das Einsetzen von \(y=0\) in die ursprüngliche Gleichung \[ f(0)=f(x)\lfloor f(0)\rfloor\qquad(x\in\mathbb R). \] Division durch die von null verschiedene Zahl \(\lfloor f(0)\rfloor\) zeigt, dass \(f\) konstant ist.
Für eine konstante Funktion \(f(x)=c\) ist die ursprüngliche Gleichung äquivalent zu \[ c=c\lfloor c\rfloor. \] Dies gilt genau dann, wenn \(c=0\) oder \(\lfloor c\rfloor=1\), wobei Letzteres äquivalent zu \(1\le c<2\) ist. Somit erfüllt jede in der Antwort angegebene Funktion die Gleichung, und es gibt keine weiteren.
Die Lösung wurde mit den offiziellen Lösungen der IMO-Shortlist abgeglichen.
IMO 2010 · Soru 1
Her \(x,y\in\mathbb R\) için, \[ f(\lfloor x\rfloor y)=f(x)\lfloor f(y)\rfloor \] eşitliğini sağlayan tüm \(f:\mathbb R\to\mathbb R\) fonksiyonlarını belirleyiniz. (Burada \(\lfloor z\rfloor\) ile, \(z\) yi aşmayan en büyük tam sayıyı gösteriyoruz.)
Sorunun resmi Türkçe metni. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Cevap
Tüm \[ \boxed{f(x)=c\quad\text{tüm }x\in\mathbb R,\qquad c\in\{0\}\cup[1,2)} \] sabit fonksiyonları.
Çözüm
Verilen eşitlikte \(x=1\) alınırsa \[ f(y)=f(1)\lfloor f(y)\rfloor \qquad(y\in\mathbb R) \] elde edilir. Eğer \(f(1)=0\) ise buradan \(f\equiv0\) bulunur.
Şimdi \(f(1)\ne0\) olduğunu varsayalım. \(x=y=1\) alarak \[ f(1)=f(1)\lfloor f(1)\rfloor, \] elde ederiz; dolayısıyla \(\lfloor f(1)\rfloor=1\) olur. Bu nedenle, başlangıçtaki eşitlikte \(y=1\) alınırsa \[ f(\lfloor x\rfloor)=f(x)\qquad(x\in\mathbb R) \] elde edilir. Özel olarak, \[ f\left(\tfrac12\right)=f(0). \] Ardından, \(x=2\) ve \(y=\tfrac12\) alarak \[ 0\ne f(1)=f(2)\left\lfloor f\left(\tfrac12\right)\right\rfloor =f(2)\lfloor f(0)\rfloor \] buluruz. Sonuç olarak, \(\lfloor f(0)\rfloor\ne0\) olur.
Son olarak, başlangıçtaki eşitlikte \(y=0\) alınırsa \[ f(0)=f(x)\lfloor f(0)\rfloor\qquad(x\in\mathbb R) \] elde edilir. Sıfırdan farklı \(\lfloor f(0)\rfloor\) sayısına bölmek, \(f\) fonksiyonunun sabit olduğunu gösterir.
Sabit bir \(f(x)=c\) fonksiyonu için başlangıçtaki eşitlik \[ c=c\lfloor c\rfloor \] eşitliğine denktir. Bu eşitlik ancak ve ancak \(c=0\) veya \(\lfloor c\rfloor=1\) olduğunda sağlanır; ikinci koşul \(1\le c<2\) ile eşdeğerdir. Böylece cevapta listelenen her fonksiyon eşitliği sağlar ve bunların dışında bir fonksiyon yoktur.
Çözüm, resmi IMO shortlist çözümleriyle karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 2010 · Problema 1
Determine todas las funciones \(f:\mathbb R\to\mathbb R\) tales que \[ f(\lfloor x\rfloor y)=f(x)\lfloor f(y)\rfloor \] para todos los números \(x,y\in\mathbb R\). (\(\lfloor z\rfloor\) denota el mayor entero que es menor o igual que \(z\).)
Texto oficial en español del problema. Enunciado oficial (PDF)
Respuesta
Todas las funciones constantes \[ \boxed{f(x)=c\quad\text{para todo }x\in\mathbb R,\qquad c\in\{0\}\cup[1,2).} \]
Solución
Al tomar \(x=1\) en la ecuación dada se obtiene \[ f(y)=f(1)\lfloor f(y)\rfloor \qquad(y\in\mathbb R). \] Si \(f(1)=0\), esto da \(f\equiv0\).
Supongamos ahora que \(f(1)\ne0\). Tomando \(x=y=1\), obtenemos \[ f(1)=f(1)\lfloor f(1)\rfloor, \] por lo que \(\lfloor f(1)\rfloor=1\). Por tanto, al tomar \(y=1\) en la ecuación original se obtiene \[ f(\lfloor x\rfloor)=f(x)\qquad(x\in\mathbb R). \] En particular, \[ f\left(\tfrac12\right)=f(0). \] A continuación, tomando \(x=2\) e \(y=\tfrac12\), resulta \[ 0\ne f(1)=f(2)\left\lfloor f\left(\tfrac12\right)\right\rfloor =f(2)\lfloor f(0)\rfloor. \] En consecuencia, \(\lfloor f(0)\rfloor\ne0\).
Finalmente, al tomar \(y=0\) en la ecuación original se obtiene \[ f(0)=f(x)\lfloor f(0)\rfloor\qquad(x\in\mathbb R). \] Al dividir por el número no nulo \(\lfloor f(0)\rfloor\), se deduce que \(f\) es constante.
Para una función constante \(f(x)=c\), la ecuación original equivale a \[ c=c\lfloor c\rfloor. \] Esto se cumple exactamente cuando \(c=0\) o \(\lfloor c\rfloor=1\), siendo esta última condición equivalente a \(1\le c<2\). Así, todas las funciones indicadas en la respuesta satisfacen la ecuación, y no hay ninguna otra.
La solución se comprobó con las soluciones oficiales de la shortlist de la IMO.
IMO 2010 · 问题 1
求所有的函数 \(f:\mathbb R\to\mathbb R\),使得等式 \[ f([x]y)=f(x)[f(y)] \] 对所有 \(x,y\in\mathbb R\) 成立。(这里,\([z]\) 表示不超过实数 \(z\) 的最大整数。)
题目为官方中文译本。 官方试卷 (PDF)
答案
所有常值函数 \[ \boxed{f(x)=c\quad\text{对所有 }x\in\mathbb R,\qquad c\in\{0\}\cup[1,2).} \]
解答
在已知等式中令 \(x=1\),得 \[ f(y)=f(1)\lfloor f(y)\rfloor \qquad(y\in\mathbb R). \] 若 \(f(1)=0\),则由此得到 \(f\equiv0\)。
现在假设 \(f(1)\ne0\)。取 \(x=y=1\),得 \[ f(1)=f(1)\lfloor f(1)\rfloor, \] 所以 \(\lfloor f(1)\rfloor=1\)。因此,在原等式中令 \(y=1\),得 \[ f(\lfloor x\rfloor)=f(x)\qquad(x\in\mathbb R). \] 特别地, \[ f\left(\tfrac12\right)=f(0). \] 接着,取 \(x=2\) 及 \(y=\tfrac12\),得 \[ 0\ne f(1)=f(2)\left\lfloor f\left(\tfrac12\right)\right\rfloor =f(2)\lfloor f(0)\rfloor. \] 从而 \(\lfloor f(0)\rfloor\ne0\)。
最后,在原等式中令 \(y=0\),得 \[ f(0)=f(x)\lfloor f(0)\rfloor\qquad(x\in\mathbb R). \] 两边除以非零数 \(\lfloor f(0)\rfloor\),可知 \(f\) 是常值函数。
对于常值函数 \(f(x)=c\),原等式等价于 \[ c=c\lfloor c\rfloor. \] 此式成立当且仅当 \(c=0\) 或 \(\lfloor c\rfloor=1\),后者等价于 \(1\le c<2\)。因此,答案中列出的每个函数都满足等式,且不存在其他函数。
解答已与 IMO 官方预选题(shortlist)解答核对。
IMO 2010 · Задача 1
Найдите все функции \(f:\mathbb R\to\mathbb R\) такие, что \[ f([x]y)=f(x)[f(y)] \] для всех \(x,y\in\mathbb R\). (Через \([z]\) обозначается наибольшее целое число, не превосходящее \(z\).)
Официальный русский текст задачи. Официальный текст задач (PDF)
Ответ
Все постоянные функции \[ \boxed{f(x)=c\quad\text{для всех }x\in\mathbb R,\qquad c\in\{0\}\cup[1,2).} \]
Решение
Подставляя \(x=1\) в данное уравнение, получаем \[ f(y)=f(1)\lfloor f(y)\rfloor \qquad(y\in\mathbb R). \] Если \(f(1)=0\), отсюда следует \(f\equiv0\).
Теперь предположим, что \(f(1)\ne0\). Полагая \(x=y=1\), получаем \[ f(1)=f(1)\lfloor f(1)\rfloor, \] поэтому \(\lfloor f(1)\rfloor=1\). Следовательно, подставляя \(y=1\) в исходное уравнение, получаем \[ f(\lfloor x\rfloor)=f(x)\qquad(x\in\mathbb R). \] В частности, \[ f\left(\tfrac12\right)=f(0). \] Далее, полагая \(x=2\) и \(y=\tfrac12\), находим \[ 0\ne f(1)=f(2)\left\lfloor f\left(\tfrac12\right)\right\rfloor =f(2)\lfloor f(0)\rfloor. \] Следовательно, \(\lfloor f(0)\rfloor\ne0\).
Наконец, подставляя \(y=0\) в исходное уравнение, получаем \[ f(0)=f(x)\lfloor f(0)\rfloor\qquad(x\in\mathbb R). \] Деля на ненулевое число \(\lfloor f(0)\rfloor\), заключаем, что \(f\) постоянна.
Для постоянной функции \(f(x)=c\) исходное уравнение равносильно равенству \[ c=c\lfloor c\rfloor. \] Оно выполняется в точности тогда, когда \(c=0\) или \(\lfloor c\rfloor=1\), причём последнее условие равносильно \(1\le c<2\). Таким образом, каждая функция, указанная в ответе, удовлетворяет уравнению, и других таких функций нет.
Решение проверено по официальным решениям шортлиста IMO.
IMO 2010 · المسألة 1
أوجد جميع الدوال \(f:\mathbb R\longrightarrow\mathbb R\) التي تحقق المساواة \[ f(\lfloor x\rfloor y)=f(x)\lfloor f(y)\rfloor \] لكل \(x,y\in\mathbb R\). (حيث \(\lfloor z\rfloor\) هو صحيح العدد \(z\) و هو أكبر عدد صحيح أصغر أو يساوي العدد \(z\)).
نص المسألة هو الترجمة العربية الرسمية. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الإجابة
جميع الدوال الثابتة \[ \boxed{f(x)=c\quad\text{لكل }x\in\mathbb R,\qquad c\in\{0\}\cup[1,2).} \]
الحل
بوضع \(x=1\) في المعادلة المعطاة نحصل على \[ f(y)=f(1)\lfloor f(y)\rfloor \qquad(y\in\mathbb R). \] إذا كان \(f(1)=0\)، فإن هذا يعطي \(f\equiv0\).
لنفترض الآن أن \(f(1)\ne0\). بأخذ \(x=y=1\)، نحصل على \[ f(1)=f(1)\lfloor f(1)\rfloor, \] ومن ثم \(\lfloor f(1)\rfloor=1\). لذلك، بوضع \(y=1\) في المعادلة الأصلية نحصل على \[ f(\lfloor x\rfloor)=f(x)\qquad(x\in\mathbb R). \] وعلى وجه الخصوص، \[ f\left(\tfrac12\right)=f(0). \] بعد ذلك، بأخذ \(x=2\) و\(y=\tfrac12\)، نجد أن \[ 0\ne f(1)=f(2)\left\lfloor f\left(\tfrac12\right)\right\rfloor =f(2)\lfloor f(0)\rfloor. \] وبالتالي، \(\lfloor f(0)\rfloor\ne0\).
أخيرًا، بوضع \(y=0\) في المعادلة الأصلية نحصل على \[ f(0)=f(x)\lfloor f(0)\rfloor\qquad(x\in\mathbb R). \] وبالقسمة على العدد غير الصفري \(\lfloor f(0)\rfloor\) يتبين أن \(f\) ثابتة.
بالنسبة إلى دالة ثابتة \(f(x)=c\)، تكافئ المعادلة الأصلية \[ c=c\lfloor c\rfloor. \] وتتحقق هذه المساواة إذا وفقط إذا كان \(c=0\) أو \(\lfloor c\rfloor=1\)، والشرط الأخير يكافئ \(1\le c<2\). إذن كل دالة واردة في الإجابة تحقق المعادلة، ولا توجد دوال أخرى.
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحلول الرسمية لقائمة IMO المختصرة.