IMO 2011 · Problem 3
Let \(f:\mathbb{R}\to\mathbb{R}\) be a real-valued function defined on the set of real numbers that satisfies \[ f(x+y)\le yf(x)+f(f(x)) \] for all real numbers \(x\) and \(y\). Prove that \(f(x)=0\) for all \(x\le 0\).
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Solution
Set \(a=f(0)\) and \(b=f(a)\). Taking \(x=0\) in the given inequality gives \[ f(t)\le at+b\qquad\text{for every }t\in\mathbb R. \] Consequently, taking \(y=-a\) in the original inequality, we obtain \[ f(x-a)\le -af(x)+f(f(x)) \le -af(x)+af(x)+b=b. \] Since \(x-a\) ranges over all real numbers, \[ f(t)\le b\qquad\text{for every }t\in\mathbb R. \] Thus \(b=f(a)\) is the global maximum of \(f\).
The substitution \((x,y)=(a,0)\) now gives \[ b=f(a)\le f(f(a))=f(b)\le b, \] so \(f(b)=b\). Also, taking \((x,y)=(a-1,1)\), we find \[ b=f(a)\le f(a-1)+f(f(a-1))\le 2b, \] and therefore \(b\ge0\).
Using \(f(b)=b\), the substitutions \((x,y)=(b,-b)\) and \((x,y)=(b,a-b)\) give, respectively, \[ a\le -b^2+b, \qquad b\le (a-b)b+b. \] Since \(b\ge0\), these imply \[ 0\le(a-b)b\le -b^3. \] Hence \(b=0\). The identity \(f(b)=b\) then yields \(f(0)=0\), and the global bound above becomes \(f(t)\le0\) for every real \(t\).
Finally, let \(x<0\). Taking \(y=-x\) in the original inequality gives \[ 0=f(0)\le -xf(x)+f(f(x))\le -xf(x). \] Because \(-x>0\), this implies \(f(x)\ge0\). Together with \(f(x)\le0\), it follows that \(f(x)=0\). We already know this at \(x=0\), completing the proof.
The solution was checked against the official IMO shortlist solutions.
IMO 2011 · Aufgabe 3
Sei \(f:\mathbb R\to\mathbb R\) eine Funktion, die die Bedingung \[ f(x+y)\le yf(x)+f(f(x)) \] für alle reellen Zahlen \(x\) und \(y\) erfüllt. Man beweise, dass \(f(x)=0\) für alle \(x\le0\) gilt.
Offizieller deutscher Aufgabentext. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Lösung
Wir setzen \(a=f(0)\) und \(b=f(a)\). Setzen wir \(x=0\) in die gegebene Ungleichung ein, so erhalten wir \[ f(t)\le at+b\qquad\text{für alle }t\in\mathbb R. \] Setzen wir nun \(y=-a\) in die ursprüngliche Ungleichung ein, so ergibt sich folglich \[ f(x-a)\le -af(x)+f(f(x)) \le -af(x)+af(x)+b=b. \] Da \(x-a\) alle reellen Zahlen durchläuft, gilt \[ f(t)\le b\qquad\text{für alle }t\in\mathbb R. \] Somit ist \(b=f(a)\) das globale Maximum von \(f\).
Die Einsetzung \((x,y)=(a,0)\) liefert nun \[ b=f(a)\le f(f(a))=f(b)\le b, \] also \(f(b)=b\). Setzen wir außerdem \((x,y)=(a-1,1)\) ein, so erhalten wir \[ b=f(a)\le f(a-1)+f(f(a-1))\le 2b, \] und daher \(b\ge0\).
Unter Verwendung von \(f(b)=b\) liefern die Einsetzungen \((x,y)=(b,-b)\) und \((x,y)=(b,a-b)\) der Reihe nach \[ a\le -b^2+b, \qquad b\le (a-b)b+b. \] Wegen \(b\ge0\) folgt daraus \[ 0\le(a-b)b\le -b^3. \] Also ist \(b=0\). Die Identität \(f(b)=b\) liefert dann \(f(0)=0\), und die obige globale Schranke wird zu \(f(t)\le0\) für jede reelle Zahl \(t\).
Sei schließlich \(x<0\). Setzen wir \(y=-x\) in die ursprüngliche Ungleichung ein, so erhalten wir \[ 0=f(0)\le -xf(x)+f(f(x))\le -xf(x). \] Wegen \(-x>0\) folgt daraus \(f(x)\ge0\). Zusammen mit \(f(x)\le0\) ergibt sich \(f(x)=0\). Für \(x=0\) wissen wir dies bereits, womit der Beweis vollständig ist.
Die Lösung wurde mit den offiziellen Lösungen der IMO-Shortlist abgeglichen.
IMO 2011 · Soru 3
Gerçel sayılar kümesinden kendisine tanımlı bir \(f:\mathbb R\to\mathbb R\) fonksiyonu, tüm \(x,y\) gerçel sayıları için, \[ f(x+y)\le yf(x)+f(f(x)) \] koşulunu sağlıyor. Her \(x\le0\) için, \(f(x)=0\) olduğunu kanıtlayınız.
Sorunun resmi Türkçe metni. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Çözüm
\(a=f(0)\) ve \(b=f(a)\) olsun. Verilen eşitsizlikte \(x=0\) alırsak \[ f(t)\le at+b\qquad\text{her }t\in\mathbb R \] için elde edilir. Dolayısıyla, başlangıçtaki eşitsizlikte \(y=-a\) alarak \[ f(x-a)\le -af(x)+f(f(x)) \le -af(x)+af(x)+b=b \] buluruz. \(x-a\) tüm gerçel sayıları taradığından, \[ f(t)\le b\qquad\text{her }t\in\mathbb R \] için geçerlidir. Böylece \(b=f(a)\), \(f\) nin tüm tanım kümesindeki en büyük değeridir.
Şimdi \((x,y)=(a,0)\) yerine koyması \[ b=f(a)\le f(f(a))=f(b)\le b \] verir; dolayısıyla \(f(b)=b\) dir. Ayrıca, \((x,y)=(a-1,1)\) alırsak \[ b=f(a)\le f(a-1)+f(f(a-1))\le 2b \] buluruz ve dolayısıyla \(b\ge0\) olur.
\(f(b)=b\) eşitliğini kullanarak, \((x,y)=(b,-b)\) ve \((x,y)=(b,a-b)\) yerine koymaları sırasıyla \[ a\le -b^2+b, \qquad b\le (a-b)b+b \] verir. \(b\ge0\) olduğundan bunlardan \[ 0\le(a-b)b\le -b^3 \] elde edilir. Öyleyse \(b=0\) dır. Bu durumda \(f(b)=b\) özdeşliği \(f(0)=0\) verir ve yukarıdaki genel üst sınır, her gerçel \(t\) için \(f(t)\le0\) haline gelir.
Son olarak, \(x<0\) olsun. Başlangıçtaki eşitsizlikte \(y=-x\) alırsak \[ 0=f(0)\le -xf(x)+f(f(x))\le -xf(x) \] elde ederiz. \(-x>0\) olduğundan buradan \(f(x)\ge0\) çıkar. \(f(x)\le0\) ile birlikte \(f(x)=0\) sonucuna ulaşılır. Bunu \(x=0\) için zaten biliyoruz; böylece kanıt tamamlanır.
Çözüm, resmi IMO shortlist çözümleriyle karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 2011 · Problema 3
Sea \(f\) una función del conjunto de los números reales en si mismo que satisface \[ f(x+y)\le yf(x)+f(f(x)) \] para todo par de números reales \(x,\ y\). Demostrar que \(f(x)=0\) para todo \(x\le0\).
Texto oficial en español del problema. Enunciado oficial (PDF)
Solución
Pongamos \(a=f(0)\) y \(b=f(a)\). Tomando \(x=0\) en la desigualdad dada obtenemos \[ f(t)\le at+b\qquad\text{para todo }t\in\mathbb R. \] En consecuencia, tomando \(y=-a\) en la desigualdad original, obtenemos \[ f(x-a)\le -af(x)+f(f(x)) \le -af(x)+af(x)+b=b. \] Como \(x-a\) recorre todos los números reales, \[ f(t)\le b\qquad\text{para todo }t\in\mathbb R. \] Así, \(b=f(a)\) es el máximo global de \(f\).
La sustitución \((x,y)=(a,0)\) da ahora \[ b=f(a)\le f(f(a))=f(b)\le b, \] por lo que \(f(b)=b\). Además, tomando \((x,y)=(a-1,1)\), encontramos \[ b=f(a)\le f(a-1)+f(f(a-1))\le 2b, \] y, por tanto, \(b\ge0\).
Usando \(f(b)=b\), las sustituciones \((x,y)=(b,-b)\) y \((x,y)=(b,a-b)\) dan, respectivamente, \[ a\le -b^2+b, \qquad b\le (a-b)b+b. \] Como \(b\ge0\), estas implican \[ 0\le(a-b)b\le -b^3. \] Por tanto, \(b=0\). La identidad \(f(b)=b\) da entonces \(f(0)=0\), y la cota global anterior se convierte en \(f(t)\le0\) para todo número real \(t\).
Finalmente, sea \(x<0\). Tomando \(y=-x\) en la desigualdad original obtenemos \[ 0=f(0)\le -xf(x)+f(f(x))\le -xf(x). \] Como \(-x>0\), esto implica \(f(x)\ge0\). Junto con \(f(x)\le0\), se deduce que \(f(x)=0\). Ya sabemos que esto se cumple en \(x=0\), con lo que queda completada la demostración.
La solución se comprobó con las soluciones oficiales de la shortlist de la IMO.
IMO 2011 · 问题 3
设 \(f:\mathbb{R}\to\mathbb{R}\) 是一个定义在实数集上的实值函数,满足对所有实数 \(x\),\(y\),都有 \[ f(x+y)\le y f(x)+f(f(x)), \] 证明:对所有实数 \(x\le0\),有 \(f(x)=0\)。
题目为官方中文译本。 官方试卷 (PDF)
解答
令 \(a=f(0)\),\(b=f(a)\)。在已知不等式中取 \(x=0\),得 \[ f(t)\le at+b\qquad\text{对每个 }t\in\mathbb R. \] 因此,在原不等式中取 \(y=-a\),得到 \[ f(x-a)\le -af(x)+f(f(x)) \le -af(x)+af(x)+b=b. \] 由于 \(x-a\) 遍历所有实数, \[ f(t)\le b\qquad\text{对每个 }t\in\mathbb R. \] 于是 \(b=f(a)\) 是 \(f\) 的全局最大值。
现在代入 \((x,y)=(a,0)\),得 \[ b=f(a)\le f(f(a))=f(b)\le b, \] 所以 \(f(b)=b\)。另外,取 \((x,y)=(a-1,1)\),得到 \[ b=f(a)\le f(a-1)+f(f(a-1))\le 2b, \] 因此 \(b\ge0\)。
利用 \(f(b)=b\),分别代入 \((x,y)=(b,-b)\) 和 \((x,y)=(b,a-b)\),得 \[ a\le -b^2+b, \qquad b\le (a-b)b+b. \] 由于 \(b\ge0\),由此可得 \[ 0\le(a-b)b\le -b^3. \] 因此 \(b=0\)。由等式 \(f(b)=b\) 随即得到 \(f(0)=0\),而上述全局上界变为:对每个实数 \(t\),都有 \(f(t)\le0\)。
最后,设 \(x<0\)。在原不等式中取 \(y=-x\),得 \[ 0=f(0)\le -xf(x)+f(f(x))\le -xf(x). \] 因为 \(-x>0\),这说明 \(f(x)\ge0\)。结合 \(f(x)\le0\),可得 \(f(x)=0\)。我们已经知道,这在 \(x=0\) 时也成立,证明完毕。
解答已与 IMO 官方预选题(shortlist)解答核对。
IMO 2011 · Задача 3
Пусть \(f:\mathbb R\to\mathbb R\) — функция, определенная на множестве действительных чисел и принимающая действительные значения, такая, что \[ f(x+y)\le yf(x)+f(f(x)) \] для всех действительных \(x\) и \(y\). Докажите, что \(f(x)=0\) для всех \(x\le0\).
Официальный русский текст задачи. Официальный текст задач (PDF)
Решение
Положим \(a=f(0)\) и \(b=f(a)\). Подставляя \(x=0\) в данное неравенство, получаем \[ f(t)\le at+b\qquad\text{для любого }t\in\mathbb R. \] Следовательно, подставляя \(y=-a\) в исходное неравенство, получаем \[ f(x-a)\le -af(x)+f(f(x)) \le -af(x)+af(x)+b=b. \] Поскольку \(x-a\) пробегает все действительные числа, \[ f(t)\le b\qquad\text{для любого }t\in\mathbb R. \] Таким образом, \(b=f(a)\) — наибольшее значение функции \(f\) на всей области определения.
Теперь подстановка \((x,y)=(a,0)\) дает \[ b=f(a)\le f(f(a))=f(b)\le b, \] поэтому \(f(b)=b\). Кроме того, подставляя \((x,y)=(a-1,1)\), находим \[ b=f(a)\le f(a-1)+f(f(a-1))\le 2b, \] и, следовательно, \(b\ge0\).
Используя \(f(b)=b\), из подстановок \((x,y)=(b,-b)\) и \((x,y)=(b,a-b)\) получаем соответственно \[ a\le -b^2+b, \qquad b\le (a-b)b+b. \] Поскольку \(b\ge0\), отсюда следует \[ 0\le(a-b)b\le -b^3. \] Значит, \(b=0\). Тогда равенство \(f(b)=b\) дает \(f(0)=0\), а полученная выше оценка на всей области определения принимает вид \(f(t)\le0\) для любого действительного \(t\).
Наконец, пусть \(x<0\). Подставляя \(y=-x\) в исходное неравенство, получаем \[ 0=f(0)\le -xf(x)+f(f(x))\le -xf(x). \] Поскольку \(-x>0\), отсюда следует \(f(x)\ge0\). Вместе с \(f(x)\le0\) это дает \(f(x)=0\). При \(x=0\) это уже известно, что завершает доказательство.
Решение проверено по официальным решениям шортлиста IMO.
IMO 2011 · المسألة 3
لتكن \(f:\mathbb R\to\mathbb R\) دالة من مجموعة الأعداد الحقيقية إلى نفسها و تحقق ما يلي \[ f(x+y)\le yf(x)+f(f(x)) \] لكل الأعداد الحقيقية \(x\) و \(y\). برهن أن \(f(x)=0\) لكل \(x\le0\).
نص المسألة هو الترجمة العربية الرسمية. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الحل
نضع \(a=f(0)\) و\(b=f(a)\). بأخذ \(x=0\) في المتباينة المعطاة نحصل على \[ f(t)\le at+b\qquad\text{لكل }t\in\mathbb R. \] وبالتالي، بأخذ \(y=-a\) في المتباينة الأصلية، نحصل على \[ f(x-a)\le -af(x)+f(f(x)) \le -af(x)+af(x)+b=b. \] وبما أن \(x-a\) يأخذ جميع القيم الحقيقية، فإن \[ f(t)\le b\qquad\text{لكل }t\in\mathbb R. \] إذن \(b=f(a)\) هي القيمة العظمى المطلقة للدالة \(f\).
بالتعويض الآن بـ\((x,y)=(a,0)\) نحصل على \[ b=f(a)\le f(f(a))=f(b)\le b, \] ومن ثم \(f(b)=b\). كذلك، بأخذ \((x,y)=(a-1,1)\)، نجد \[ b=f(a)\le f(a-1)+f(f(a-1))\le 2b, \] ولذلك \(b\ge0\).
باستخدام \(f(b)=b\)، يعطينا التعويضان \((x,y)=(b,-b)\) و\((x,y)=(b,a-b)\)، على الترتيب، \[ a\le -b^2+b, \qquad b\le (a-b)b+b. \] وبما أن \(b\ge0\)، ينتج عنهما \[ 0\le(a-b)b\le -b^3. \] ومن ثم \(b=0\). وعندئذ تعطي المساواة \(f(b)=b\) أن \(f(0)=0\)، ويصبح الحد العام أعلاه \(f(t)\le0\) لكل عدد حقيقي \(t\).
أخيرًا، ليكن \(x<0\). بأخذ \(y=-x\) في المتباينة الأصلية نحصل على \[ 0=f(0)\le -xf(x)+f(f(x))\le -xf(x). \] بما أن \(-x>0\)، فإن هذا يقتضي \(f(x)\ge0\). وبالجمع بين ذلك وبين \(f(x)\le0\)، ينتج أن \(f(x)=0\). وقد أثبتنا ذلك بالفعل عند \(x=0\)، فيكتمل البرهان.
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحلول الرسمية لقائمة IMO المختصرة.