IMO 2012 · Problem 4
Find all functions \(f:\mathbb Z\to\mathbb Z\) such that, for all integers \(a,b,c\) that satisfy \(a+b+c=0\), the following equality holds: \[ f(a)^2+f(b)^2+f(c)^2 = 2f(a)f(b)+2f(b)f(c)+2f(c)f(a). \] (Here \(\mathbb Z\) denotes the set of integers.)
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Answer
The solutions are the following three families, with an arbitrary integer \(k\): \[ \boxed{f(n)=kn^2\qquad(n\in\mathbb Z);} \] \[ \boxed{ f(n)= \begin{cases} 0,&n\text{ even},\\ k,&n\text{ odd}; \end{cases}} \] \[ \boxed{ f(n)= \begin{cases} 0,&n\equiv0\pmod4,\\ k,&n\text{ odd},\\ 4k,&n\equiv2\pmod4. \end{cases}} \]
Solution
Setting \(a=b=c=0\) gives \(3f(0)^2=6f(0)^2\), so \(f(0)=0\). Next, applying the equation to \((n,-n,0)\) gives \[ (f(n)-f(-n))^2=0. \] Thus \(f\) is even.
Consequently, applying the original equation to \((x,y,-x-y)\) and rearranging yields \[ \bigl(f(x+y)-f(x)-f(y)\bigr)^2=4f(x)f(y) \qquad(x,y\in\mathbb Z). \tag{1} \] In particular, if \(f(d)=0\), then \[ f(n+d)=f(n)\qquad(n\in\mathbb Z). \tag{2} \]
Put \(k=f(1)\). If \(k=0\), equation (2) with \(d=1\) shows that \(f\) is constant, hence identically zero. This is included in the answer. We may therefore assume \(k\ne0\).
Taking \(x=y=1\) in (1), we obtain \[ (f(2)-2k)^2=4k^2, \] so \[ f(2)\in\{0,4k\}. \]
Case 1: \(f(2)=0\). Equation (2) shows that \(f(n+2)=f(n)\) for every integer \(n\). Since \(f(0)=0\) and \(f(1)=k\), this gives exactly the second family.
We now assume \(f(2)=4k\). Taking \((x,y)=(2,1)\) in (1) gives \[ (f(3)-5k)^2=16k^2, \] and therefore \[ f(3)\in\{k,9k\}. \]
Case 2: \(f(3)=k\). Taking \((x,y)=(3,1)\) in (1) gives \[ f(4)\in\{0,4k\}, \] whereas taking \((x,y)=(2,2)\) gives \[ f(4)\in\{0,16k\}. \] Because \(k\ne0\), these two conditions force \(f(4)=0\). Equation (2) now gives \(f(n+4)=f(n)\) for all integers \(n\). The values \[ f(0)=0,\qquad f(1)=k,\qquad f(2)=4k,\qquad f(3)=k \] therefore give exactly the third family.
Case 3: \(f(3)=9k\). We prove by induction that \[ f(n)=kn^2\qquad(n\ge0). \] This already holds for \(n=0,1,2,3\). Suppose \(n\ge3\) and it holds for every integer from \(0\) through \(n\).
Using \((x,y)=(n,1)\) in (1), we obtain \[ \bigl(f(n+1)-(n^2+1)k\bigr)^2=4n^2k^2, \] hence \[ f(n+1)\in\{(n+1)^2k,(n-1)^2k\}. \tag{3} \] Using \((x,y)=(n-1,2)\) instead gives \[ \bigl(f(n+1)-((n-1)^2+4)k\bigr)^2 =16(n-1)^2k^2, \] hence \[ f(n+1)\in\{(n+1)^2k,(n-3)^2k\}. \tag{4} \] Since \[ (n-1)^2-(n-3)^2=4(n-2)>0 \] and \(k\ne0\), the only common possibility in (3) and (4) is \[ f(n+1)=(n+1)^2k. \] This completes the induction. Evenness extends the formula to all integers, giving the first family.
It remains to verify all three families.
For \(f(n)=kn^2\), we have \[ \bigl(f(x+y)-f(x)-f(y)\bigr)^2 =(2kxy)^2 =4f(x)f(y). \] Since this function is even, this is equivalent to the required equation.
For the second family, whenever \(a+b+c=0\), either none or exactly two of \(a,b,c\) are odd. Thus their function values are, up to permutation, either \((0,0,0)\) or \((k,k,0)\). Both satisfy the equation.
For the third family, consider the residues of \(a,b,c\) modulo \(4\). If one residue is \(0\), the other two are negatives of each other, so their function values are equal. The three values are therefore \((0,u,u)\), up to permutation, which satisfy the equation. If no residue is \(0\), the only residue triples whose sum is \(0\) modulo \(4\) are, up to permutation, \[ (1,1,2)\quad\text{and}\quad(3,3,2). \] Both give function values \((k,k,4k)\), for which \[ k^2+k^2+(4k)^2 =18k^2 =2k^2+2k(4k)+2(4k)k. \] Thus the third family also satisfies the equation, completing the classification.
The solution was checked against the official IMO shortlist solutions.
IMO 2012 · Aufgabe 4
Man bestimme alle Funktionen \(f:\mathbb Z\to\mathbb Z\), so dass für alle ganzen Zahlen \(a,b,c\) mit \(a+b+c=0\) die folgende Gleichung gilt: \[ f(a)^2+f(b)^2+f(c)^2=2f(a)f(b)+2f(b)f(c)+2f(c)f(a). \] (Hier bezeichne \(\mathbb Z\) die Menge der ganzen Zahlen.)
Offizieller deutscher Aufgabentext. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Antwort
Die Lösungen sind die folgenden drei Familien, wobei \(k\) eine beliebige ganze Zahl ist: \[ \boxed{f(n)=kn^2\qquad(n\in\mathbb Z);} \] \[ \boxed{ f(n)= \begin{cases} 0,&n\text{ gerade},\\ k,&n\text{ ungerade}; \end{cases}} \] \[ \boxed{ f(n)= \begin{cases} 0,&n\equiv0\pmod4,\\ k,&n\text{ ungerade},\\ 4k,&n\equiv2\pmod4. \end{cases}} \]
Lösung
Setzen wir \(a=b=c=0\), so erhalten wir \(3f(0)^2=6f(0)^2\), also \(f(0)=0\). Wenden wir die Gleichung als Nächstes auf \((n,-n,0)\) an, so ergibt sich \[ (f(n)-f(-n))^2=0. \] Somit ist \(f\) gerade.
Wenden wir folglich die ursprüngliche Gleichung auf \((x,y,-x-y)\) an und formen um, so erhalten wir \[ \bigl(f(x+y)-f(x)-f(y)\bigr)^2=4f(x)f(y) \qquad(x,y\in\mathbb Z). \tag{1} \] Insbesondere folgt aus \(f(d)=0\), dass \[ f(n+d)=f(n)\qquad(n\in\mathbb Z). \tag{2} \]
Wir setzen \(k=f(1)\). Ist \(k=0\), so zeigt Gleichung (2) mit \(d=1\), dass \(f\) konstant, also identisch null ist. Dies ist in der Antwort enthalten. Wir dürfen daher \(k\ne0\) annehmen.
Mit \(x=y=1\) erhalten wir aus (1) \[ (f(2)-2k)^2=4k^2, \] also \[ f(2)\in\{0,4k\}. \]
Fall 1: \(f(2)=0\). Gleichung (2) zeigt, dass \(f(n+2)=f(n)\) für jede ganze Zahl \(n\) gilt. Wegen \(f(0)=0\) und \(f(1)=k\) ergibt dies genau die zweite Familie.
Wir nehmen nun \(f(2)=4k\) an. Setzen wir \((x,y)=(2,1)\) in (1), so ergibt sich \[ (f(3)-5k)^2=16k^2, \] und daher \[ f(3)\in\{k,9k\}. \]
Fall 2: \(f(3)=k\). Setzen wir \((x,y)=(3,1)\) in (1), so ergibt sich \[ f(4)\in\{0,4k\}, \] während das Einsetzen von \((x,y)=(2,2)\) \[ f(4)\in\{0,16k\} \] ergibt. Wegen \(k\ne0\) erzwingen diese beiden Bedingungen \(f(4)=0\). Gleichung (2) liefert nun \(f(n+4)=f(n)\) für alle ganzen Zahlen \(n\). Die Werte \[ f(0)=0,\qquad f(1)=k,\qquad f(2)=4k,\qquad f(3)=k \] ergeben daher genau die dritte Familie.
Fall 3: \(f(3)=9k\). Wir beweisen durch Induktion, dass \[ f(n)=kn^2\qquad(n\ge0). \] Dies gilt bereits für \(n=0,1,2,3\). Es sei \(n\ge3\), und die Behauptung gelte für jede ganze Zahl von \(0\) bis \(n\).
Mit \((x,y)=(n,1)\) erhalten wir aus (1) \[ \bigl(f(n+1)-(n^2+1)k\bigr)^2=4n^2k^2, \] also \[ f(n+1)\in\{(n+1)^2k,(n-1)^2k\}. \tag{3} \] Verwenden wir stattdessen \((x,y)=(n-1,2)\), so ergibt sich \[ \bigl(f(n+1)-((n-1)^2+4)k\bigr)^2 =16(n-1)^2k^2, \] also \[ f(n+1)\in\{(n+1)^2k,(n-3)^2k\}. \tag{4} \] Wegen \[ (n-1)^2-(n-3)^2=4(n-2)>0 \] und \(k\ne0\) ist die einzige gemeinsame Möglichkeit in (3) und (4) \[ f(n+1)=(n+1)^2k. \] Damit ist die Induktion abgeschlossen. Da die Funktion gerade ist, gilt die Formel für alle ganzen Zahlen, und wir erhalten die erste Familie.
Es bleibt, alle drei Familien zu überprüfen.
Für \(f(n)=kn^2\) gilt \[ \bigl(f(x+y)-f(x)-f(y)\bigr)^2 =(2kxy)^2 =4f(x)f(y). \] Da diese Funktion gerade ist, ist dies zur geforderten Gleichung äquivalent.
Für die zweite Familie gilt: Ist \(a+b+c=0\), so sind entweder keine oder genau zwei der Zahlen \(a,b,c\) ungerade. Ihre Funktionswerte sind somit bis auf Vertauschung entweder \((0,0,0)\) oder \((k,k,0)\). Beide erfüllen die Gleichung.
Für die dritte Familie betrachten wir die Reste von \(a,b,c\) modulo \(4\). Ist ein Rest \(0\), so sind die beiden anderen zueinander entgegengesetzt, und ihre Funktionswerte sind daher gleich. Die drei Werte sind somit bis auf Vertauschung \((0,u,u)\), welche die Gleichung erfüllen. Ist kein Rest \(0\), so sind die einzigen Restetripel, deren Summe modulo \(4\) gleich \(0\) ist, bis auf Vertauschung \[ (1,1,2)\quad\text{und}\quad(3,3,2). \] Beide liefern die Funktionswerte \((k,k,4k)\), für die \[ k^2+k^2+(4k)^2 =18k^2 =2k^2+2k(4k)+2(4k)k \] gilt. Somit erfüllt auch die dritte Familie die Gleichung, womit die Klassifikation abgeschlossen ist.
Die Lösung wurde mit den offiziellen Lösungen der IMO-Shortlist abgeglichen.
IMO 2012 · Soru 4
\(a+b+c=0\) olmak üzere, tüm \(a,b,c\) tam sayıları için \[ f(a)^2+f(b)^2+f(c)^2=2f(a)f(b)+2f(b)f(c)+2f(c)f(a) \] eşitliğini sağlayan bütün \(f:\mathbb Z\to\mathbb Z\) fonksiyonlarını bulunuz.
(Burada \(\mathbb Z\) tam sayılar kümesidir.)
Sorunun resmi Türkçe metni. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Cevap
Çözümler, \(k\) keyfî bir tam sayı olmak üzere, aşağıdaki üç ailedir: \[ \boxed{f(n)=kn^2\qquad(n\in\mathbb Z);} \] \[ \boxed{ f(n)= \begin{cases} 0,&n\text{ çift},\\ k,&n\text{ tek}; \end{cases}} \] \[ \boxed{ f(n)= \begin{cases} 0,&n\equiv0\pmod4,\\ k,&n\text{ tek},\\ 4k,&n\equiv2\pmod4. \end{cases}} \]
Çözüm
\(a=b=c=0\) koyunca \(3f(0)^2=6f(0)^2\) elde edilir; dolayısıyla \(f(0)=0\)’dır. Ardından denklemi \((n,-n,0)\)’a uygulayarak \[ (f(n)-f(-n))^2=0 \] buluruz. Böylece \(f\) çifttir.
Dolayısıyla, başlangıçtaki denklemi \((x,y,-x-y)\)’ye uygulayıp düzenleyince \[ \bigl(f(x+y)-f(x)-f(y)\bigr)^2=4f(x)f(y) \qquad(x,y\in\mathbb Z) \tag{1} \] elde edilir. Özel olarak, \(f(d)=0\) ise \[ f(n+d)=f(n)\qquad(n\in\mathbb Z). \tag{2} \]
\(k=f(1)\) olsun. \(k=0\) ise (2) denklemi \(d=1\) için \(f\)’nin sabit, dolayısıyla özdeş olarak sıfır olduğunu gösterir. Bu, cevapta yer almaktadır. Bu nedenle \(k\ne0\) olduğunu varsayabiliriz.
(1)’de \(x=y=1\) alarak \[ (f(2)-2k)^2=4k^2, \] elde ederiz; dolayısıyla \[ f(2)\in\{0,4k\}. \]
Durum 1: \(f(2)=0\). (2) denklemi, her \(n\) tam sayısı için \(f(n+2)=f(n)\) olduğunu gösterir. \(f(0)=0\) ve \(f(1)=k\) olduğundan, bu tam olarak ikinci aileyi verir.
Şimdi \(f(2)=4k\) olduğunu varsayalım. (1)’de \((x,y)=(2,1)\) alarak \[ (f(3)-5k)^2=16k^2, \] ve dolayısıyla \[ f(3)\in\{k,9k\} \] elde ederiz.
Durum 2: \(f(3)=k\). (1)’de \((x,y)=(3,1)\) alarak \[ f(4)\in\{0,4k\}, \] elde ederken, \((x,y)=(2,2)\) alarak \[ f(4)\in\{0,16k\} \] buluruz. \(k\ne0\) olduğundan, bu iki koşul \(f(4)=0\) olmasını zorunlu kılar. (2) denklemi şimdi tüm \(n\) tam sayıları için \(f(n+4)=f(n)\) verir. Dolayısıyla \[ f(0)=0,\qquad f(1)=k,\qquad f(2)=4k,\qquad f(3)=k \] değerleri tam olarak üçüncü aileyi verir.
Durum 3: \(f(3)=9k\). Tümevarımla \[ f(n)=kn^2\qquad(n\ge0) \] olduğunu kanıtlayacağız. Bu, \(n=0,1,2,3\) için zaten geçerlidir. \(n\ge3\) olduğunu ve eşitliğin \(0\)’dan \(n\)’ye kadar her tam sayı için geçerli olduğunu varsayalım.
(1)’de \((x,y)=(n,1)\) kullanarak \[ \bigl(f(n+1)-(n^2+1)k\bigr)^2=4n^2k^2, \] ve dolayısıyla \[ f(n+1)\in\{(n+1)^2k,(n-1)^2k\} \tag{3} \] elde ederiz. Bunun yerine \((x,y)=(n-1,2)\) kullanmak \[ \bigl(f(n+1)-((n-1)^2+4)k\bigr)^2 =16(n-1)^2k^2, \] ve dolayısıyla \[ f(n+1)\in\{(n+1)^2k,(n-3)^2k\} \tag{4} \] verir. \[ (n-1)^2-(n-3)^2=4(n-2)>0 \] ve \(k\ne0\) olduğundan, (3) ile (4)’teki tek ortak olasılık \[ f(n+1)=(n+1)^2k \] olur. Bu, tümevarımı tamamlar. Çiftlik, formülü tüm tam sayılara genişletir ve birinci aileyi verir.
Geriye üç ailenin de koşulu sağladığını doğrulamak kalır.
\(f(n)=kn^2\) için, \[ \bigl(f(x+y)-f(x)-f(y)\bigr)^2 =(2kxy)^2 =4f(x)f(y) \] elde edilir. Bu fonksiyon çift olduğundan, bu eşitlik istenen denkleme denktir.
İkinci aile için, \(a+b+c=0\) olduğunda \(a,b,c\)’nin ya hiçbiri tek değildir ya da tam ikisi tektir. Dolayısıyla fonksiyon değerleri, sıralama göz ardı edildiğinde, ya \((0,0,0)\) ya da \((k,k,0)\)’dır. Her ikisi de denklemi sağlar.
Üçüncü aile için, \(a,b,c\)’nin \(4\) modülündeki kalanlarını ele alalım. Bir kalan \(0\) ise diğer ikisi birbirinin negatifidir; dolayısıyla bunların fonksiyon değerleri eşittir. Bu nedenle üç değer, sıralama göz ardı edildiğinde, denklemi sağlayan \((0,u,u)\) biçimindedir. Hiçbir kalan \(0\) değilse, toplamı \(4\) modülünde \(0\) olan yegâne kalan üçlüleri, sıralama göz ardı edildiğinde, \[ (1,1,2)\quad\text{ve}\quad(3,3,2) \] olur. Her ikisi de \((k,k,4k)\) fonksiyon değerlerini verir ve bunlar için \[ k^2+k^2+(4k)^2 =18k^2 =2k^2+2k(4k)+2(4k)k \] geçerlidir. Böylece üçüncü aile de denklemi sağlar ve sınıflandırma tamamlanır.
Çözüm, resmi IMO shortlist çözümleriyle karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 2012 · Problema 4
Hallar todas las funciones \(f:\mathbb Z\to\mathbb Z\) que cumplen la siguiente igualdad: \[ f(a)^2+f(b)^2+f(c)^2=2f(a)f(b)+2f(b)f(c)+2f(c)f(a), \] para todos los enteros \(a,b,c\) que satisfacen \(a+b+c=0\).
(\(\mathbb Z\) denota el conjunto de los números enteros.)
Texto oficial en español del problema. Enunciado oficial (PDF)
Respuesta
Las soluciones son las tres familias siguientes, con un entero arbitrario \(k\): \[ \boxed{f(n)=kn^2\qquad(n\in\mathbb Z);} \] \[ \boxed{ f(n)= \begin{cases} 0,&n\text{ par},\\ k,&n\text{ impar}; \end{cases}} \] \[ \boxed{ f(n)= \begin{cases} 0,&n\equiv0\pmod4,\\ k,&n\text{ impar},\\ 4k,&n\equiv2\pmod4. \end{cases}} \]
Solución
Tomando \(a=b=c=0\) se obtiene \(3f(0)^2=6f(0)^2\), por lo que \(f(0)=0\). A continuación, aplicando la ecuación a \((n,-n,0)\) se obtiene \[ (f(n)-f(-n))^2=0. \] Así, \(f\) es par.
En consecuencia, aplicando la ecuación original a \((x,y,-x-y)\) y reordenando, resulta \[ \bigl(f(x+y)-f(x)-f(y)\bigr)^2=4f(x)f(y) \qquad(x,y\in\mathbb Z). \tag{1} \] En particular, si \(f(d)=0\), entonces \[ f(n+d)=f(n)\qquad(n\in\mathbb Z). \tag{2} \]
Ponemos \(k=f(1)\). Si \(k=0\), la ecuación (2) con \(d=1\) muestra que \(f\) es constante y, por tanto, idénticamente nula. Esta función está incluida en la respuesta. Podemos suponer, por tanto, que \(k\ne0\).
Tomando \(x=y=1\) en (1), obtenemos \[ (f(2)-2k)^2=4k^2, \] por lo que \[ f(2)\in\{0,4k\}. \]
Caso 1: \(f(2)=0\). La ecuación (2) muestra que \(f(n+2)=f(n)\) para todo entero \(n\). Como \(f(0)=0\) y \(f(1)=k\), esto da exactamente la segunda familia.
Suponemos ahora que \(f(2)=4k\). Tomando \((x,y)=(2,1)\) en (1) se obtiene \[ (f(3)-5k)^2=16k^2, \] y, por tanto, \[ f(3)\in\{k,9k\}. \]
Caso 2: \(f(3)=k\). Tomando \((x,y)=(3,1)\) en (1) se obtiene \[ f(4)\in\{0,4k\}, \] mientras que tomando \((x,y)=(2,2)\) se obtiene \[ f(4)\in\{0,16k\}. \] Como \(k\ne0\), estas dos condiciones obligan a que \(f(4)=0\). La ecuación (2) da ahora \(f(n+4)=f(n)\) para todos los enteros \(n\). Los valores \[ f(0)=0,\qquad f(1)=k,\qquad f(2)=4k,\qquad f(3)=k \] dan, por tanto, exactamente la tercera familia.
Caso 3: \(f(3)=9k\). Demostramos por inducción que \[ f(n)=kn^2\qquad(n\ge0). \] Esto ya se cumple para \(n=0,1,2,3\). Supongamos que \(n\ge3\) y que se cumple para todos los enteros desde \(0\) hasta \(n\).
Usando \((x,y)=(n,1)\) en (1), obtenemos \[ \bigl(f(n+1)-(n^2+1)k\bigr)^2=4n^2k^2, \] de donde \[ f(n+1)\in\{(n+1)^2k,(n-1)^2k\}. \tag{3} \] Usando en cambio \((x,y)=(n-1,2)\), se obtiene \[ \bigl(f(n+1)-((n-1)^2+4)k\bigr)^2 =16(n-1)^2k^2, \] de donde \[ f(n+1)\in\{(n+1)^2k,(n-3)^2k\}. \tag{4} \] Como \[ (n-1)^2-(n-3)^2=4(n-2)>0 \] y \(k\ne0\), la única posibilidad común a (3) y (4) es \[ f(n+1)=(n+1)^2k. \] Esto completa la inducción. La paridad de la función extiende la fórmula a todos los enteros, dando la primera familia.
Queda verificar las tres familias.
Para \(f(n)=kn^2\), tenemos \[ \bigl(f(x+y)-f(x)-f(y)\bigr)^2 =(2kxy)^2 =4f(x)f(y). \] Como esta función es par, esto equivale a la ecuación requerida.
Para la segunda familia, siempre que \(a+b+c=0\), o bien ninguno de \(a,b,c\) es impar, o bien exactamente dos de ellos lo son. Así, sus valores por la función son, salvo permutación, \((0,0,0)\) o \((k,k,0)\). Ambos satisfacen la ecuación.
Para la tercera familia, consideremos los residuos de \(a,b,c\) módulo \(4\). Si un residuo es \(0\), los otros dos son opuestos entre sí, por lo que sus valores por la función son iguales. Los tres valores son, por tanto, \((0,u,u)\), salvo permutación, y satisfacen la ecuación. Si ningún residuo es \(0\), las únicas ternas de residuos cuya suma es \(0\) módulo \(4\) son, salvo permutación, \[ (1,1,2)\quad\text{y}\quad(3,3,2). \] Ambas dan los valores \((k,k,4k)\) por la función, para los cuales \[ k^2+k^2+(4k)^2 =18k^2 =2k^2+2k(4k)+2(4k)k. \] Así, la tercera familia también satisface la ecuación, lo que completa la clasificación.
La solución se comprobó con las soluciones oficiales de la shortlist de la IMO.
IMO 2012 · 问题 4
求所有的函数 \(f:\mathbb Z\to\mathbb Z\),使得对所有满足 \(a+b+c=0\) 的整数 \(a,b,c\),都有 \[ f(a)^2+f(b)^2+f(c)^2=2f(a)f(b)+2f(b)f(c)+2f(c)f(a). \]
(这里 \(\mathbb Z\) 表示整数集.)
题目为官方中文译本。 官方试卷 (PDF)
答案
所有解为以下三类,其中 \(k\) 为任意整数: \[ \boxed{f(n)=kn^2\qquad(n\in\mathbb Z);} \] \[ \boxed{ f(n)= \begin{cases} 0,&n\text{ 为偶数},\\ k,&n\text{ 为奇数}; \end{cases}} \] \[ \boxed{ f(n)= \begin{cases} 0,&n\equiv0\pmod4,\\ k,&n\text{ 为奇数},\\ 4k,&n\equiv2\pmod4. \end{cases}} \]
解答
令 \(a=b=c=0\),得 \(3f(0)^2=6f(0)^2\),所以 \(f(0)=0\)。接着,将 \((n,-n,0)\) 代入方程,得 \[ (f(n)-f(-n))^2=0. \] 因此 \(f\) 是偶函数。
所以,将 \((x,y,-x-y)\) 代入原方程并整理,得到 \[ \bigl(f(x+y)-f(x)-f(y)\bigr)^2=4f(x)f(y) \qquad(x,y\in\mathbb Z). \tag{1} \] 特别地,若 \(f(d)=0\),则 \[ f(n+d)=f(n)\qquad(n\in\mathbb Z). \tag{2} \]
令 \(k=f(1)\)。若 \(k=0\),则在方程 (2) 中取 \(d=1\),可知 \(f\) 是常函数,从而恒为零。这已包含在答案中。因此以下可以假设 \(k\ne0\)。
在 (1) 中取 \(x=y=1\),得到 \[ (f(2)-2k)^2=4k^2, \] 所以 \[ f(2)\in\{0,4k\}. \]
情形 1:\(f(2)=0\)。 由方程 (2) 可知,对每个整数 \(n\),都有 \(f(n+2)=f(n)\)。由于 \(f(0)=0\),\(f(1)=k\),这恰好给出第二类函数。
现在假设 \(f(2)=4k\)。在 (1) 中取 \((x,y)=(2,1)\),得 \[ (f(3)-5k)^2=16k^2, \] 因此 \[ f(3)\in\{k,9k\}. \]
情形 2:\(f(3)=k\)。 在 (1) 中取 \((x,y)=(3,1)\),得 \[ f(4)\in\{0,4k\}, \] 而取 \((x,y)=(2,2)\),得 \[ f(4)\in\{0,16k\}. \] 由于 \(k\ne0\),这两个条件迫使 \(f(4)=0\)。此时由方程 (2) 得,对所有整数 \(n\),都有 \(f(n+4)=f(n)\)。因此,由函数值 \[ f(0)=0,\qquad f(1)=k,\qquad f(2)=4k,\qquad f(3)=k \] 恰好得到第三类函数。
情形 3:\(f(3)=9k\)。 我们用归纳法证明 \[ f(n)=kn^2\qquad(n\ge0). \] 这对 \(n=0,1,2,3\) 已经成立。假设 \(n\ge3\),且它对从 \(0\) 到 \(n\) 的每个整数都成立。
在 (1) 中取 \((x,y)=(n,1)\),得到 \[ \bigl(f(n+1)-(n^2+1)k\bigr)^2=4n^2k^2, \] 故 \[ f(n+1)\in\{(n+1)^2k,(n-1)^2k\}. \tag{3} \] 改取 \((x,y)=(n-1,2)\),得 \[ \bigl(f(n+1)-((n-1)^2+4)k\bigr)^2 =16(n-1)^2k^2, \] 故 \[ f(n+1)\in\{(n+1)^2k,(n-3)^2k\}. \tag{4} \] 由于 \[ (n-1)^2-(n-3)^2=4(n-2)>0 \] 且 \(k\ne0\),(3) 与 (4) 中唯一共同的可能值为 \[ f(n+1)=(n+1)^2k. \] 归纳完成。由偶性,此公式可推广到所有整数,得到第一类函数。
最后还需验证这三类函数。
对于 \(f(n)=kn^2\),有 \[ \bigl(f(x+y)-f(x)-f(y)\bigr)^2 =(2kxy)^2 =4f(x)f(y). \] 由于该函数是偶函数,这等价于所要求的方程。
对于第二类函数,只要 \(a+b+c=0\),\(a,b,c\) 中就或者没有奇数,或者恰有两个奇数。因此,不计排列顺序,它们的函数值或者为 \((0,0,0)\),或者为 \((k,k,0)\)。两者均满足方程。
对于第三类函数,考虑 \(a,b,c\) 模 \(4\) 的余数。若其中一个余数为 \(0\),则另两个余数互为相反数,因此它们的函数值相等。所以,不计排列顺序,三个函数值为 \((0,u,u)\),满足方程。若没有余数为 \(0\),则不计排列顺序,和在模 \(4\) 意义下为 \(0\) 的余数三元组只有 \[ (1,1,2)\quad\text{和}\quad(3,3,2). \] 两者给出的函数值均为 \((k,k,4k)\),而 \[ k^2+k^2+(4k)^2 =18k^2 =2k^2+2k(4k)+2(4k)k. \] 所以第三类函数也满足方程,分类完成。
解答已与 IMO 官方预选题(shortlist)解答核对。
IMO 2012 · Задача 4
Найдите все функции \(f:\mathbb Z\to\mathbb Z\) такие, что для любых целых чисел \(a,\ b,\ c\), удовлетворяющих условию \(a+b+c=0\), выполняется равенство: \[ f(a)^2+f(b)^2+f(c)^2=2f(a)f(b)+2f(b)f(c)+2f(c)f(a). \]
(Через \(\mathbb Z\) обозначено множество всех целых чисел.)
Официальный русский текст задачи. Официальный текст задач (PDF)
Ответ
Решениями являются следующие три семейства, где \(k\) — произвольное целое число: \[ \boxed{f(n)=kn^2\qquad(n\in\mathbb Z);} \] \[ \boxed{ f(n)= \begin{cases} 0,&n\text{ чётно},\\ k,&n\text{ нечётно}; \end{cases}} \] \[ \boxed{ f(n)= \begin{cases} 0,&n\equiv0\pmod4,\\ k,&n\text{ нечётно},\\ 4k,&n\equiv2\pmod4. \end{cases}} \]
Решение
Подстановка \(a=b=c=0\) даёт \(3f(0)^2=6f(0)^2\), поэтому \(f(0)=0\). Далее, применяя равенство к \((n,-n,0)\), получаем \[ (f(n)-f(-n))^2=0. \] Таким образом, \(f\) — чётная функция.
Следовательно, применяя исходное равенство к \((x,y,-x-y)\) и преобразуя его, получаем \[ \bigl(f(x+y)-f(x)-f(y)\bigr)^2=4f(x)f(y) \qquad(x,y\in\mathbb Z). \tag{1} \] В частности, если \(f(d)=0\), то \[ f(n+d)=f(n)\qquad(n\in\mathbb Z). \tag{2} \]
Положим \(k=f(1)\). Если \(k=0\), равенство (2) при \(d=1\) показывает, что \(f\) постоянна, а значит, тождественно равна нулю. Эта функция включена в ответ. Поэтому далее можно считать, что \(k\ne0\).
Полагая \(x=y=1\) в (1), получаем \[ (f(2)-2k)^2=4k^2, \] поэтому \[ f(2)\in\{0,4k\}. \]
Случай 1: \(f(2)=0\). Из равенства (2) следует, что \(f(n+2)=f(n)\) для каждого целого \(n\). Поскольку \(f(0)=0\) и \(f(1)=k\), это даёт в точности второе семейство.
Теперь предположим, что \(f(2)=4k\). Подставляя \((x,y)=(2,1)\) в (1), получаем \[ (f(3)-5k)^2=16k^2, \] и потому \[ f(3)\in\{k,9k\}. \]
Случай 2: \(f(3)=k\). Подставляя \((x,y)=(3,1)\) в (1), получаем \[ f(4)\in\{0,4k\}, \] а подставляя \((x,y)=(2,2)\), получаем \[ f(4)\in\{0,16k\}. \] Поскольку \(k\ne0\), из этих двух условий следует \(f(4)=0\). Теперь равенство (2) даёт \(f(n+4)=f(n)\) для всех целых \(n\). Поэтому значения \[ f(0)=0,\qquad f(1)=k,\qquad f(2)=4k,\qquad f(3)=k \] дают в точности третье семейство.
Случай 3: \(f(3)=9k\). Докажем по индукции, что \[ f(n)=kn^2\qquad(n\ge0). \] Это уже верно при \(n=0,1,2,3\). Пусть \(n\ge3\) и утверждение верно для каждого целого числа от \(0\) до \(n\) включительно.
Подставляя \((x,y)=(n,1)\) в (1), получаем \[ \bigl(f(n+1)-(n^2+1)k\bigr)^2=4n^2k^2, \] откуда \[ f(n+1)\in\{(n+1)^2k,(n-1)^2k\}. \tag{3} \] Подстановка \((x,y)=(n-1,2)\) вместо этого даёт \[ \bigl(f(n+1)-((n-1)^2+4)k\bigr)^2 =16(n-1)^2k^2, \] откуда \[ f(n+1)\in\{(n+1)^2k,(n-3)^2k\}. \tag{4} \] Поскольку \[ (n-1)^2-(n-3)^2=4(n-2)>0 \] и \(k\ne0\), единственная общая возможность в (3) и (4) — это \[ f(n+1)=(n+1)^2k. \] Индукция завершена. В силу чётности формула распространяется на все целые числа, что даёт первое семейство.
Остаётся проверить все три семейства.
Для \(f(n)=kn^2\) имеем \[ \bigl(f(x+y)-f(x)-f(y)\bigr)^2 =(2kxy)^2 =4f(x)f(y). \] Поскольку эта функция чётна, полученное равенство равносильно требуемому.
Для второго семейства при \(a+b+c=0\) среди \(a,b,c\) либо нет нечётных чисел, либо их ровно два. Таким образом, с точностью до перестановки значения функции на них равны либо \((0,0,0)\), либо \((k,k,0)\). Оба набора удовлетворяют равенству.
Для третьего семейства рассмотрим остатки \(a,b,c\) по модулю \(4\). Если один из остатков равен \(0\), два других противоположны друг другу, поэтому значения функции на них равны. Следовательно, с точностью до перестановки три значения имеют вид \((0,u,u)\) и удовлетворяют равенству. Если ни один из остатков не равен \(0\), единственные тройки остатков с суммой \(0\) по модулю \(4\), с точностью до перестановки, — это \[ (1,1,2)\quad\text{и}\quad(3,3,2). \] Обе дают значения функции \((k,k,4k)\), для которых \[ k^2+k^2+(4k)^2 =18k^2 =2k^2+2k(4k)+2(4k)k. \] Таким образом, третье семейство также удовлетворяет равенству, что завершает классификацию.
Решение проверено по официальным решениям шортлиста IMO.
IMO 2012 · المسألة 4
جد جميع الدوال \(f:\mathbb Z\to\mathbb Z\) التي تحقق المساواة التالية: \[ f(a)^2+f(b)^2+f(c)^2=2f(a)f(b)+2f(b)f(c)+2f(c)f(a). \] لكل الأعداد الصحيحة \(a\)، \(b\)، \(c\) بحيث \(a+b+c=0\).
(نعني بالرمز \(\mathbb Z\) مجموعة الأعداد الصحيحة.)
نص المسألة هو الترجمة العربية الرسمية. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الإجابة
الحلول هي العائلات الثلاث الآتية، حيث \(k\) عدد صحيح اعتباطي: \[ \boxed{f(n)=kn^2\qquad(n\in\mathbb Z);} \] \[ \boxed{ f(n)= \begin{cases} 0,&n\text{ زوجي},\\ k,&n\text{ فردي}; \end{cases}} \] \[ \boxed{ f(n)= \begin{cases} 0,&n\equiv0\pmod4,\\ k,&n\text{ فردي},\\ 4k,&n\equiv2\pmod4. \end{cases}} \]
الحل
بوضع \(a=b=c=0\) نحصل على \(3f(0)^2=6f(0)^2\)، ومن ثم \(f(0)=0\). بعد ذلك، بتطبيق المعادلة على \((n,-n,0)\) نحصل على \[ (f(n)-f(-n))^2=0. \] إذن \(f\) دالة زوجية.
وبالتالي، فإن تطبيق المعادلة الأصلية على \((x,y,-x-y)\) وإعادة ترتيبها يعطيان \[ \bigl(f(x+y)-f(x)-f(y)\bigr)^2=4f(x)f(y) \qquad(x,y\in\mathbb Z). \tag{1} \] وبخاصة، إذا كان \(f(d)=0\)، فإن \[ f(n+d)=f(n)\qquad(n\in\mathbb Z). \tag{2} \]
نضع \(k=f(1)\). إذا كان \(k=0\)، فإن المعادلة (2) مع \(d=1\) تبين أن \(f\) ثابتة، ومن ثم فهي منعدمة على الدوام. وهذا الحل مدرج في الإجابة. لذلك يمكننا افتراض أن \(k\ne0\).
بأخذ \(x=y=1\) في (1)، نحصل على \[ (f(2)-2k)^2=4k^2, \] ومن ثم \[ f(2)\in\{0,4k\}. \]
الحالة 1: \(f(2)=0\). تبين المعادلة (2) أن \(f(n+2)=f(n)\) لكل عدد صحيح \(n\). وبما أن \(f(0)=0\) و \(f(1)=k\)، فإن هذا يعطي العائلة الثانية بالضبط.
نفترض الآن أن \(f(2)=4k\). بأخذ \((x,y)=(2,1)\) في (1) نحصل على \[ (f(3)-5k)^2=16k^2, \] ولذلك \[ f(3)\in\{k,9k\}. \]
الحالة 2: \(f(3)=k\). بأخذ \((x,y)=(3,1)\) في (1) نحصل على \[ f(4)\in\{0,4k\}, \] في حين أن أخذ \((x,y)=(2,2)\) يعطي \[ f(4)\in\{0,16k\}. \] وبما أن \(k\ne0\)، فإن هذين الشرطين يفرضان \(f(4)=0\). وتعطي المعادلة (2) الآن \(f(n+4)=f(n)\) لكل عدد صحيح \(n\). ولذلك فإن القيم \[ f(0)=0,\qquad f(1)=k,\qquad f(2)=4k,\qquad f(3)=k \] تعطي العائلة الثالثة بالضبط.
الحالة 3: \(f(3)=9k\). نثبت بالاستقراء أن \[ f(n)=kn^2\qquad(n\ge0). \] هذا متحقق بالفعل عند \(n=0,1,2,3\). لنفترض أن \(n\ge3\) وأنه متحقق لكل عدد صحيح من \(0\) إلى \(n\).
باستعمال \((x,y)=(n,1)\) في (1)، نحصل على \[ \bigl(f(n+1)-(n^2+1)k\bigr)^2=4n^2k^2, \] ومن ثم \[ f(n+1)\in\{(n+1)^2k,(n-1)^2k\}. \tag{3} \] وباستعمال \((x,y)=(n-1,2)\) بدلا من ذلك، نحصل على \[ \bigl(f(n+1)-((n-1)^2+4)k\bigr)^2 =16(n-1)^2k^2, \] ومن ثم \[ f(n+1)\in\{(n+1)^2k,(n-3)^2k\}. \tag{4} \] وبما أن \[ (n-1)^2-(n-3)^2=4(n-2)>0 \] و \(k\ne0\)، فإن الإمكانية المشتركة الوحيدة في (3) و (4) هي \[ f(n+1)=(n+1)^2k. \] وهذا يتم الاستقراء. وتمدد زوجية الدالة هذه الصيغة إلى جميع الأعداد الصحيحة، فنحصل على العائلة الأولى.
يبقى التحقق من العائلات الثلاث كلها.
بالنسبة إلى \(f(n)=kn^2\)، لدينا \[ \bigl(f(x+y)-f(x)-f(y)\bigr)^2 =(2kxy)^2 =4f(x)f(y). \] وبما أن هذه الدالة زوجية، فإن ذلك يكافئ المعادلة المطلوبة.
بالنسبة إلى العائلة الثانية، كلما كان \(a+b+c=0\)، فإما ألا يكون أي من \(a,b,c\) فرديا، وإما أن يكون اثنان منها بالضبط فرديين. لذا فإن قيم الدالة عندها تكون، مع إهمال الترتيب، إما \((0,0,0)\) وإما \((k,k,0)\). وكلتاهما تحقق المعادلة.
بالنسبة إلى العائلة الثالثة، ننظر في بواقي \(a,b,c\) بترديد \(4\). إذا كان أحد البواقي \(0\)، فإن الباقيين الآخرين متعاكسان، ولذلك تكون قيمتا الدالة عندهما متساويتين. فتكون القيم الثلاث \((0,u,u)\)، مع إهمال الترتيب، وهي تحقق المعادلة. وإذا لم يكن أي باق مساويا لـ \(0\)، فإن ثلاثيات البواقي الوحيدة التي مجموعها \(0\) بترديد \(4\) هي، مع إهمال الترتيب، \[ (1,1,2)\quad\text{و}\quad(3,3,2). \] وكلتاهما تعطي قيم الدالة \((k,k,4k)\)، التي تحقق \[ k^2+k^2+(4k)^2 =18k^2 =2k^2+2k(4k)+2(4k)k. \] إذن تحقق العائلة الثالثة المعادلة أيضا، وبذلك يكتمل التصنيف.
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحلول الرسمية لقائمة IMO المختصرة.