IMO 2013 · Problem 5
Let \(\mathbb{Q}_{>0}\) be the set of positive rational numbers. Let \(f:\mathbb{Q}_{>0}\to\mathbb{R}\) be a function satisfying the following three conditions:
(i) for all \(x,y\in\mathbb{Q}_{>0}\), we have \(f(x)f(y)\ge f(xy)\);
(ii) for all \(x,y\in\mathbb{Q}_{>0}\), we have \(f(x+y)\ge f(x)+f(y)\);
(iii) there exists a rational number \(a>1\) such that \(f(a)=a\).
Prove that \(f(x)=x\) for all \(x\in\mathbb{Q}_{>0}\).
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Solution
Fix a rational number \(a>1\) satisfying \(f(a)=a\). Applying (i) to \(a\) and \(1\), we obtain \[ a f(1)\ge a, \] so \(f(1)\ge1\).
We first prove that \(f\) is positive everywhere. Repeated application of (ii) gives \[ f(nt)\ge n f(t) \qquad(n\in\mathbb Z_{>0},\ t\in\mathbb Q_{>0}). \] In particular, \(f(n)\ge n f(1)\ge n>0\). By (i), \[ f(n)f(1/n)\ge f(1)\ge1, \] and hence \(f(1/n)>0\). Thus, for any positive integers \(m,n\), \[ f(m/n)\ge m f(1/n)>0. \] Consequently, \(f\) is strictly increasing: if \(u<v\) are positive rationals, then (ii) yields \[ f(v)\ge f(u)+f(v-u)>f(u). \]
Next, we prove that \(f(x)\le x\) for every positive rational \(x\). By (i) and induction, \[ f(a^k)\le a^k \qquad(k\in\mathbb Z_{>0}), \] because \(f(a^{k+1})\le f(a^k)f(a)=a f(a^k)\).
Fix \(x\in\mathbb Q_{>0}\), and for sufficiently large positive integers \(k\), put \[ n_k=\left\lfloor\frac{a^k}{x}\right\rfloor\ge1. \] Since \(n_kx\le a^k<(n_k+1)x\), repeated application of (ii) and monotonicity give \[ n_k f(x)\le f(n_kx)\le f(a^k)\le a^k<(n_k+1)x. \] Therefore \[ f(x)<x+\frac{x}{n_k}. \] As \(a>1\), we have \(n_k\to\infty\), so this implies \(f(x)\le x\).
Finally, for any \(x\in\mathbb Q_{>0}\), positivity, (i), and the upper bound just proved imply \[ 1\le f(1)\le f(x)f(1/x) \le \frac{f(x)}{x}\le1. \] Every inequality must therefore be an equality, and in particular \(f(x)=x\), as required.
The solution was checked against the official IMO shortlist solutions.
IMO 2013 · Aufgabe 5
Es sei \(\mathbb{Q}_{>0}\) die Menge der positiven rationalen Zahlen. Ferner sei \(f:\mathbb{Q}_{>0}\to\mathbb{R}\) eine Funktion, welche die folgenden drei Bedingungen erfüllt:
(i) Für alle \(x,y\in\mathbb{Q}_{>0}\) gilt \(f(x)f(y)\ge f(xy)\).
(ii) Für alle \(x,y\in\mathbb{Q}_{>0}\) gilt \(f(x+y)\ge f(x)+f(y)\).
(iii) Es gibt eine rationale Zahl \(a>1\), für die \(f(a)=a\) gilt.
Man beweise, dass \(f(x)=x\) für alle \(x\in\mathbb{Q}_{>0}\) gilt.
Offizieller deutscher Aufgabentext. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Lösung
Wir wählen eine rationale Zahl \(a>1\) mit \(f(a)=a\) fest. Wenden wir (i) auf \(a\) und \(1\) an, so erhalten wir \[ a f(1)\ge a, \] also \(f(1)\ge1\).
Wir beweisen zunächst, dass \(f\) überall positiv ist. Wiederholte Anwendung von (ii) ergibt \[ f(nt)\ge n f(t) \qquad(n\in\mathbb Z_{>0},\ t\in\mathbb Q_{>0}). \] Insbesondere gilt \(f(n)\ge n f(1)\ge n>0\). Nach (i) gilt \[ f(n)f(1/n)\ge f(1)\ge1, \] und somit \(f(1/n)>0\). Für beliebige positive ganze Zahlen \(m,n\) gilt daher \[ f(m/n)\ge m f(1/n)>0. \] Folglich ist \(f\) streng monoton wachsend: Sind \(u<v\) positive rationale Zahlen, so liefert (ii) \[ f(v)\ge f(u)+f(v-u)>f(u). \]
Als Nächstes beweisen wir, dass \(f(x)\le x\) für jede positive rationale Zahl \(x\) gilt. Aus (i) folgt durch Induktion \[ f(a^k)\le a^k \qquad(k\in\mathbb Z_{>0}), \] denn \(f(a^{k+1})\le f(a^k)f(a)=a f(a^k)\).
Wir wählen \(x\in\mathbb Q_{>0}\) fest und setzen für hinreichend große positive ganze Zahlen \(k\) \[ n_k=\left\lfloor\frac{a^k}{x}\right\rfloor\ge1. \] Wegen \(n_kx\le a^k<(n_k+1)x\) ergeben wiederholte Anwendung von (ii) und die Monotonie \[ n_k f(x)\le f(n_kx)\le f(a^k)\le a^k<(n_k+1)x. \] Daher gilt \[ f(x)<x+\frac{x}{n_k}. \] Da \(a>1\), gilt \(n_k\to\infty\), so dass daraus \(f(x)\le x\) folgt.
Schließlich ergeben die Positivität, (i) und die soeben bewiesene obere Schranke für jedes \(x\in\mathbb Q_{>0}\) \[ 1\le f(1)\le f(x)f(1/x) \le \frac{f(x)}{x}\le1. \] Somit muss in jeder Ungleichung Gleichheit gelten, und insbesondere ist \(f(x)=x\), wie behauptet.
Die Lösung wurde mit den offiziellen Lösungen der IMO-Shortlist abgeglichen.
IMO 2013 · Soru 5
Pozitif rasyonel sayılar kümesini \(\mathbb{Q}_{>0}\) ile gösterelim. Bir \(f:\mathbb{Q}_{>0}\to\mathbb{R}\) fonksiyonu aşağıdaki üç koşulu sağlamaktadır:
(i) her \(x,y\in\mathbb{Q}_{>0}\) için, \(f(x)f(y)\ge f(xy)\);
(ii) her \(x,y\in\mathbb{Q}_{>0}\) için, \(f(x+y)\ge f(x)+f(y)\);
(iii) \(f(a)=a\) olacak şekilde bir \(a>1\) rasyonel sayısı vardır.
Her \(x\in\mathbb{Q}_{>0}\) için \(f(x)=x\) olduğunu gösteriniz.
Sorunun resmi Türkçe metni. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Çözüm
\(f(a)=a\) koşulunu sağlayan bir \(a>1\) rasyonel sayısını sabitleyelim. (i)'yi \(a\) ve \(1\)'e uygulayarak \[ a f(1)\ge a \] elde ederiz; dolayısıyla \(f(1)\ge1\).
Önce \(f\)'nin her yerde pozitif olduğunu kanıtlayacağız. (ii)'yi art arda uygulayarak \[ f(nt)\ge n f(t) \qquad(n\in\mathbb Z_{>0},\ t\in\mathbb Q_{>0}) \] elde ederiz. Özel olarak, \(f(n)\ge n f(1)\ge n>0\). (i)'den, \[ f(n)f(1/n)\ge f(1)\ge1 \] ve dolayısıyla \(f(1/n)>0\) olur. Böylece herhangi \(m,n\) pozitif tam sayıları için, \[ f(m/n)\ge m f(1/n)>0. \] Sonuç olarak \(f\) kesin artandır: \(u<v\) pozitif rasyonel sayılar ise (ii), \[ f(v)\ge f(u)+f(v-u)>f(u) \] eşitsizliğini verir.
Şimdi her pozitif rasyonel \(x\) için \(f(x)\le x\) olduğunu kanıtlayacağız. (i) ve tümevarım yoluyla, \[ f(a^k)\le a^k \qquad(k\in\mathbb Z_{>0}) \] elde edilir; çünkü \(f(a^{k+1})\le f(a^k)f(a)=a f(a^k)\).
\(x\in\mathbb Q_{>0}\) sabit olsun ve yeterince büyük pozitif tam sayılar \(k\) için \[ n_k=\left\lfloor\frac{a^k}{x}\right\rfloor\ge1 \] olarak tanımlayalım. \(n_kx\le a^k<(n_k+1)x\) olduğundan, (ii)'nin art arda uygulanması ve monotonluk, \[ n_k f(x)\le f(n_kx)\le f(a^k)\le a^k<(n_k+1)x \] eşitsizliklerini verir. Dolayısıyla \[ f(x)<x+\frac{x}{n_k}. \] \(a>1\) olduğundan \(n_k\to\infty\); dolayısıyla buradan \(f(x)\le x\) çıkar.
Son olarak, herhangi bir \(x\in\mathbb Q_{>0}\) için pozitiflik, (i) ve az önce kanıtladığımız üst sınır, \[ 1\le f(1)\le f(x)f(1/x) \le \frac{f(x)}{x}\le1 \] eşitsizliklerini verir. Bu nedenle her eşitsizlik bir eşitlik olmalıdır ve özel olarak, istendiği gibi \(f(x)=x\) olur.
Çözüm, resmi IMO shortlist çözümleriyle karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 2013 · Problema 5
Sea \(\mathbb{Q}_{>0}\) el conjunto de los números racionales mayores que cero. Sea \(f:\mathbb{Q}_{>0}\to\mathbb{R}\) una función que satisface las tres siguientes condiciones:
(i) \(f(x)f(y)\ge f(xy)\) para todos los \(x,y\in\mathbb{Q}_{>0}\);
(ii) \(f(x+y)\ge f(x)+f(y)\) para todos los \(x,y\in\mathbb{Q}_{>0}\);
(iii) existe un número racional \(a>1\) tal que \(f(a)=a\).
Demostrar que \(f(x)=x\) para todo \(x\in\mathbb{Q}_{>0}\).
Texto oficial en español del problema. Enunciado oficial (PDF)
Solución
Fijemos un número racional \(a>1\) que satisface \(f(a)=a\). Aplicando (i) a \(a\) y \(1\), obtenemos \[ a f(1)\ge a, \] por lo que \(f(1)\ge1\).
Primero demostramos que \(f\) es positiva en todo su dominio. La aplicación reiterada de (ii) da \[ f(nt)\ge n f(t) \qquad(n\in\mathbb Z_{>0},\ t\in\mathbb Q_{>0}). \] En particular, \(f(n)\ge n f(1)\ge n>0\). Por (i), \[ f(n)f(1/n)\ge f(1)\ge1, \] y, por tanto, \(f(1/n)>0\). Así, para cualesquiera enteros positivos \(m,n\), \[ f(m/n)\ge m f(1/n)>0. \] Por consiguiente, \(f\) es estrictamente creciente: si \(u<v\) son racionales positivos, entonces (ii) da \[ f(v)\ge f(u)+f(v-u)>f(u). \]
A continuación demostramos que \(f(x)\le x\) para todo racional positivo \(x\). Por (i) e inducción, \[ f(a^k)\le a^k \qquad(k\in\mathbb Z_{>0}), \] porque \(f(a^{k+1})\le f(a^k)f(a)=a f(a^k)\).
Fijemos \(x\in\mathbb Q_{>0}\) y, para enteros positivos \(k\) suficientemente grandes, pongamos \[ n_k=\left\lfloor\frac{a^k}{x}\right\rfloor\ge1. \] Como \(n_kx\le a^k<(n_k+1)x\), la aplicación reiterada de (ii) y la monotonía dan \[ n_k f(x)\le f(n_kx)\le f(a^k)\le a^k<(n_k+1)x. \] Por tanto, \[ f(x)<x+\frac{x}{n_k}. \] Como \(a>1\), tenemos \(n_k\to\infty\), de modo que esto implica \(f(x)\le x\).
Finalmente, para cualquier \(x\in\mathbb Q_{>0}\), la positividad, (i) y la cota superior que acabamos de demostrar implican \[ 1\le f(1)\le f(x)f(1/x) \le \frac{f(x)}{x}\le1. \] Por tanto, todas las desigualdades deben ser igualdades y, en particular, \(f(x)=x\), como se quería demostrar.
La solución se comprobó con las soluciones oficiales de la shortlist de la IMO.
IMO 2013 · 问题 5
记 \(\mathbb{Q}_{>0}\) 是所有正有理数组成的集合。设函数 \(f:\mathbb{Q}_{>0}\to\mathbb{R}\) 满足如下三个条件:
(i) 对所有的 \(x,y\in\mathbb{Q}_{>0}\),都有 \(f(x)f(y)\ge f(xy)\);
(ii) 对所有的 \(x,y\in\mathbb{Q}_{>0}\),都有 \(f(x+y)\ge f(x)+f(y)\);
(iii) 存在有理数 \(a>1\),使得 \(f(a)=a\)。
证明:对所有的 \(x\in\mathbb{Q}_{>0}\),都有 \(f(x)=x\)。
题目为官方中文译本。 官方试卷 (PDF)
解答
固定一个满足 \(f(a)=a\) 的有理数 \(a>1\)。对 \(a\) 和 \(1\) 应用 (i),得到 \[ a f(1)\ge a, \] 所以 \(f(1)\ge1\)。
我们先证明 \(f\) 处处为正。反复应用 (ii),得 \[ f(nt)\ge n f(t) \qquad(n\in\mathbb Z_{>0},\ t\in\mathbb Q_{>0}). \] 特别地,\(f(n)\ge n f(1)\ge n>0\)。由 (i), \[ f(n)f(1/n)\ge f(1)\ge1, \] 因此 \(f(1/n)>0\)。于是,对于任意正整数 \(m,n\), \[ f(m/n)\ge m f(1/n)>0. \] 由此可知,\(f\) 严格递增:若正有理数 \(u<v\),则由 (ii) 得 \[ f(v)\ge f(u)+f(v-u)>f(u). \]
接下来,我们证明对于每个正有理数 \(x\),都有 \(f(x)\le x\)。由 (i) 及数学归纳法, \[ f(a^k)\le a^k \qquad(k\in\mathbb Z_{>0}), \] 因为 \(f(a^{k+1})\le f(a^k)f(a)=a f(a^k)\)。
固定 \(x\in\mathbb Q_{>0}\),对于充分大的正整数 \(k\),令 \[ n_k=\left\lfloor\frac{a^k}{x}\right\rfloor\ge1. \] 由于 \(n_kx\le a^k<(n_k+1)x\),反复应用 (ii) 并利用单调性,得 \[ n_k f(x)\le f(n_kx)\le f(a^k)\le a^k<(n_k+1)x. \] 因此 \[ f(x)<x+\frac{x}{n_k}. \] 由于 \(a>1\),有 \(n_k\to\infty\),所以这就推出 \(f(x)\le x\)。
最后,对于任意 \(x\in\mathbb Q_{>0}\),由正值性、(i) 及刚刚证明的上界,得 \[ 1\le f(1)\le f(x)f(1/x) \le \frac{f(x)}{x}\le1. \] 因此,每个不等式都必须取等号,特别地,\(f(x)=x\),得证。
解答已与 IMO 官方预选题(shortlist)解答核对。
IMO 2013 · Задача 5
Обозначим через \(\mathbb{Q}_{>0}\) множество всех положительных рациональных чисел. Пусть \(f:\mathbb{Q}_{>0}\to\mathbb{R}\) — функция, удовлетворяющая следующим трем условиям:
(i) для всех \(x,y\in\mathbb{Q}_{>0}\) выполнено неравенство \(f(x)f(y)\ge f(xy)\);
(ii) для всех \(x,y\in\mathbb{Q}_{>0}\) выполнено неравенство \(f(x+y)\ge f(x)+f(y)\);
(iii) существует рациональное число \(a>1\) такое, что \(f(a)=a\).
Докажите, что \(f(x)=x\) для всех \(x\in\mathbb{Q}_{>0}\).
Официальный русский текст задачи. Официальный текст задач (PDF)
Решение
Зафиксируем рациональное число \(a>1\), удовлетворяющее равенству \(f(a)=a\). Применяя (i) к \(a\) и \(1\), получаем \[ a f(1)\ge a, \] откуда \(f(1)\ge1\).
Сначала докажем, что \(f\) всюду положительна. Многократное применение (ii) даёт \[ f(nt)\ge n f(t) \qquad(n\in\mathbb Z_{>0},\ t\in\mathbb Q_{>0}). \] В частности, \(f(n)\ge n f(1)\ge n>0\). По (i), \[ f(n)f(1/n)\ge f(1)\ge1, \] и, следовательно, \(f(1/n)>0\). Таким образом, для любых натуральных чисел \(m,n\) \[ f(m/n)\ge m f(1/n)>0. \] Следовательно, \(f\) строго возрастает: если \(u<v\) — положительные рациональные числа, то из (ii) получаем \[ f(v)\ge f(u)+f(v-u)>f(u). \]
Теперь докажем, что \(f(x)\le x\) для любого положительного рационального \(x\). Из (i) по индукции получаем \[ f(a^k)\le a^k \qquad(k\in\mathbb Z_{>0}), \] поскольку \(f(a^{k+1})\le f(a^k)f(a)=a f(a^k)\).
Зафиксируем \(x\in\mathbb Q_{>0}\) и для достаточно больших натуральных \(k\) положим \[ n_k=\left\lfloor\frac{a^k}{x}\right\rfloor\ge1. \] Поскольку \(n_kx\le a^k<(n_k+1)x\), многократное применение (ii) и монотонность дают \[ n_k f(x)\le f(n_kx)\le f(a^k)\le a^k<(n_k+1)x. \] Поэтому \[ f(x)<x+\frac{x}{n_k}. \] Так как \(a>1\), имеем \(n_k\to\infty\), откуда следует \(f(x)\le x\).
Наконец, для любого \(x\in\mathbb Q_{>0}\) из положительности, (i) и только что доказанной верхней оценки следует \[ 1\le f(1)\le f(x)f(1/x) \le \frac{f(x)}{x}\le1. \] Следовательно, все неравенства обращаются в равенства, и, в частности, \(f(x)=x\), что и требовалось доказать.
Решение проверено по официальным решениям шортлиста IMO.
IMO 2013 · المسألة 5
لتكن \(\mathbb{Q}_{>0}\) مجموعة الأعداد النسبية الموجبة. الدّالّة \(f:\mathbb{Q}_{>0}\to\mathbb{R}\) تحقّق الشّروط الثّلاثة التّالية:
(i) لكلّ \(x,y\in\mathbb{Q}_{>0}\) ، لدينا \(f(x).f(y)\ge f(xy)\) ؛
(ii) لكلّ \(x,y\in\mathbb{Q}_{>0}\) ، لدينا \(f(x+y)\ge f(x)+f(y)\) ؛
(iii) يوجد عدد نسبي \(a>1\) يحقّق \(f(a)=a\) .
برهن أنّ \(f(x)=x\) لكلّ \(x\in\mathbb{Q}_{>0}\) .
نص المسألة هو الترجمة العربية الرسمية. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الحل
نثبت عددًا نسبيًا \(a>1\) يحقق \(f(a)=a\). بتطبيق (i) على \(a\) و\(1\)، نحصل على \[ a f(1)\ge a, \] ومن ثم \(f(1)\ge1\).
نثبت أولًا أن \(f\) موجبة في كل نقطة من مجالها. يعطي التطبيق المتكرر لـ(ii) \[ f(nt)\ge n f(t) \qquad(n\in\mathbb Z_{>0},\ t\in\mathbb Q_{>0}). \] وعلى وجه الخصوص، \(f(n)\ge n f(1)\ge n>0\). وبحسب (i)، \[ f(n)f(1/n)\ge f(1)\ge1, \] ومن ثم \(f(1/n)>0\). إذن، لأي عددين صحيحين موجبين \(m,n\)، \[ f(m/n)\ge m f(1/n)>0. \] وعليه، فإن \(f\) متزايدة تمامًا: إذا كان \(u<v\) عددين نسبيين موجبين، فإن (ii) تعطي \[ f(v)\ge f(u)+f(v-u)>f(u). \]
نثبت بعد ذلك أن \(f(x)\le x\) لكل عدد نسبي موجب \(x\). من (i) وبالاستقراء، \[ f(a^k)\le a^k \qquad(k\in\mathbb Z_{>0}), \] لأن \(f(a^{k+1})\le f(a^k)f(a)=a f(a^k)\).
نثبت \(x\in\mathbb Q_{>0}\)، وللأعداد الصحيحة الموجبة \(k\) الكبيرة بما يكفي، نضع \[ n_k=\left\lfloor\frac{a^k}{x}\right\rfloor\ge1. \] وبما أن \(n_kx\le a^k<(n_k+1)x\)، فإن التطبيق المتكرر لـ(ii) ورتابة الدالة يعطيان \[ n_k f(x)\le f(n_kx)\le f(a^k)\le a^k<(n_k+1)x. \] وبالتالي \[ f(x)<x+\frac{x}{n_k}. \] وبما أن \(a>1\)، فإن \(n_k\to\infty\)، ومن ثم يستلزم ذلك \(f(x)\le x\).
أخيرًا، لكل \(x\in\mathbb Q_{>0}\)، تستلزم الإيجابية و(i) والحد العلوي الذي أثبتناه للتو أن \[ 1\le f(1)\le f(x)f(1/x) \le \frac{f(x)}{x}\le1. \] ولذلك يجب أن تتحقق المساواة في كل متباينة، وعلى وجه الخصوص \(f(x)=x\)، كما هو مطلوب.
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحلول الرسمية لقائمة IMO المختصرة.