IMO 2015 · Problem 5
Let \(\mathbb{R}\) be the set of real numbers. Determine all functions \(f:\mathbb{R}\to\mathbb{R}\) satisfying the equation \[ f(x+f(x+y))+f(xy)=x+f(x+y)+yf(x) \] for all real numbers \(x\) and \(y\).
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Answer
The only solutions are \[ \boxed{f(x)=x\quad\text{for all }x\in\mathbb{R}} \qquad\text{and}\qquad \boxed{f(x)=2-x\quad\text{for all }x\in\mathbb{R}}. \]
Solution
Write \(P(x,y)\) for the given identity, and put \(c=f(0)\). From \(P(0,t)\), \[ f(f(t))=f(t)+c(t-1). \tag{1} \] Also, \(P(x,1)\) gives \[ f(x+f(x+1))=x+f(x+1). \tag{2} \]
Suppose first that \(c\ne0\). If \(f(u)=u\), then (1) implies \[ u=u+c(u-1), \] so \(u=1\). Thus (2) forces \(x+f(x+1)=1\) for every real \(x\), yielding \[ f(t)=2-t. \]
Now suppose that \(c=0\). Equation (1) becomes \[ f(f(t))=f(t). \tag{3} \] The substitutions \(P(-1,1)\) and \(P(1,-1)\) give, respectively, \[ 2f(-1)=-1+f(-1),\qquad f(1)+f(-1)=1-f(1). \] Consequently, \[ f(-1)=-1,\qquad f(1)=1. \tag{4} \]
From \(P(u,-u)\), we obtain \[ f(-u^2)=u-(u+1)f(u). \] Comparing this with the same formula for \(-u\) yields \[ (u+1)f(u)+(u-1)f(-u)=2u \qquad(u\in\mathbb{R}). \tag{5} \]
We claim that whenever \(f(r)=r\), we also have \(f(r+1)=r+1\). Indeed, using (4), the substitutions \(P(1,r-1)\) and \(P(-1,r+1)\) give \[ f(r+1)+f(r-1)=2r \] and \[ f(r-1)+f(-r-1)=-2. \] Subtracting and setting \(u=r+1\), we get \[ f(u)-f(-u)=2u. \] Substituting \(f(-u)=f(u)-2u\) into (5) gives \[ 2u\bigl(f(u)-u\bigr)=0. \] If \(u\ne0\), this implies \(f(u)=u\); if \(u=0\), the same conclusion follows from \(f(0)=0\). The claim is proved.
By (3), every \(r=f(t)\) is a fixed point. The claim therefore implies \[ f(1+f(t))=1+f(t). \] Finally, \(P(1,t-1)\) reads \[ f(1+f(t))+f(t-1)=t+f(t). \] Hence \(f(t-1)=t-1\) for every real \(t\), proving \(f(x)=x\).
Both candidates satisfy the original equation: for \(f(x)=x\), both sides equal \(2x+y+xy\); for \(f(x)=2-x\), both sides equal \(2+y-xy\). Thus both are solutions, and there are no others.
The solution was checked against the official IMO shortlist solutions.
IMO 2015 · Aufgabe 5
Es sei \(\mathbb{R}\) die Menge der reellen Zahlen. Man bestimme alle Funktionen \(f:\mathbb{R}\to\mathbb{R}\), die die Gleichung \[ f(x+f(x+y))+f(xy)=x+f(x+y)+yf(x) \] für alle reellen Zahlen \(x\) und \(y\) erfüllen.
Offizieller deutscher Aufgabentext. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Antwort
Die einzigen Lösungen sind \[ \boxed{f(x)=x\quad\text{für alle }x\in\mathbb{R}} \qquad\text{und}\qquad \boxed{f(x)=2-x\quad\text{für alle }x\in\mathbb{R}}. \]
Lösung
Wir bezeichnen die gegebene Identität mit \(P(x,y)\) und setzen \(c=f(0)\). Aus \(P(0,t)\) folgt \[ f(f(t))=f(t)+c(t-1). \tag{1} \] Außerdem liefert \(P(x,1)\) \[ f(x+f(x+1))=x+f(x+1). \tag{2} \]
Nehmen wir zunächst an, dass \(c\ne0\) gilt. Ist \(f(u)=u\), so folgt aus (1) \[ u=u+c(u-1), \] also \(u=1\). Somit erzwingt (2) für jedes reelle \(x\) die Gleichheit \(x+f(x+1)=1\), woraus \[ f(t)=2-t \] folgt.
Nun sei \(c=0\). Gleichung (1) wird zu \[ f(f(t))=f(t). \tag{3} \] Die Einsetzungen \(P(-1,1)\) und \(P(1,-1)\) liefern der Reihe nach \[ 2f(-1)=-1+f(-1),\qquad f(1)+f(-1)=1-f(1). \] Folglich gilt \[ f(-1)=-1,\qquad f(1)=1. \tag{4} \]
Aus \(P(u,-u)\) erhalten wir \[ f(-u^2)=u-(u+1)f(u). \] Der Vergleich mit derselben Formel für \(-u\) ergibt \[ (u+1)f(u)+(u-1)f(-u)=2u \qquad(u\in\mathbb{R}). \tag{5} \]
Wir behaupten, dass aus \(f(r)=r\) stets auch \(f(r+1)=r+1\) folgt. Tatsächlich ergeben die Einsetzungen \(P(1,r-1)\) und \(P(-1,r+1)\) unter Verwendung von (4) \[ f(r+1)+f(r-1)=2r \] und \[ f(r-1)+f(-r-1)=-2. \] Durch Subtraktion und mit \(u=r+1\) erhalten wir \[ f(u)-f(-u)=2u. \] Setzen wir \(f(-u)=f(u)-2u\) in (5) ein, so ergibt sich \[ 2u\bigl(f(u)-u\bigr)=0. \] Für \(u\ne0\) folgt daraus \(f(u)=u\); für \(u=0\) folgt dasselbe aus \(f(0)=0\). Damit ist die Behauptung bewiesen.
Nach (3) ist jedes \(r=f(t)\) ein Fixpunkt. Die Behauptung liefert daher \[ f(1+f(t))=1+f(t). \] Schließlich lautet \(P(1,t-1)\) \[ f(1+f(t))+f(t-1)=t+f(t). \] Somit gilt \(f(t-1)=t-1\) für jedes reelle \(t\), womit \(f(x)=x\) bewiesen ist.
Beide Kandidaten erfüllen die ursprüngliche Gleichung: Für \(f(x)=x\) sind beide Seiten gleich \(2x+y+xy\); für \(f(x)=2-x\) sind beide Seiten gleich \(2+y-xy\). Somit sind beide Lösungen, und es gibt keine weiteren.
Die Lösung wurde mit den offiziellen Lösungen der IMO-Shortlist abgeglichen.
IMO 2015 · Soru 5
Gerçel sayılar kümesini \(\mathbb{R}\) ile gösterelim. Tüm \(x\) ve \(y\) gerçel sayıları için \[ f(x+f(x+y))+f(xy)=x+f(x+y)+yf(x) \] koşulunu sağlayan tüm \(f:\mathbb{R}\to\mathbb{R}\) fonksiyonlarını bulunuz.
Sorunun resmi Türkçe metni. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Cevap
Yegâne çözümler \[ \boxed{f(x)=x\quad\text{her }x\in\mathbb{R}} \qquad\text{ve}\qquad \boxed{f(x)=2-x\quad\text{her }x\in\mathbb{R}} \] fonksiyonlarıdır.
Çözüm
Verilen özdeşliği \(P(x,y)\) ile gösterelim ve \(c=f(0)\) alalım. \(P(0,t)\) den, \[ f(f(t))=f(t)+c(t-1). \tag{1} \] Ayrıca \(P(x,1)\), \[ f(x+f(x+1))=x+f(x+1) \tag{2} \] eşitliğini verir.
Önce \(c\ne0\) olduğunu varsayalım. \(f(u)=u\) ise (1) den \[ u=u+c(u-1), \] olur; dolayısıyla \(u=1\) dir. Böylece (2), her gerçel \(x\) için \(x+f(x+1)=1\) olmasını zorunlu kılar ve buradan \[ f(t)=2-t \] elde edilir.
Şimdi \(c=0\) olduğunu varsayalım. (1) eşitliği \[ f(f(t))=f(t) \tag{3} \] biçimini alır. \(P(-1,1)\) ve \(P(1,-1)\) yerine koymaları sırasıyla \[ 2f(-1)=-1+f(-1),\qquad f(1)+f(-1)=1-f(1) \] eşitliklerini verir. Dolayısıyla, \[ f(-1)=-1,\qquad f(1)=1. \tag{4} \]
\(P(u,-u)\) dan \[ f(-u^2)=u-(u+1)f(u) \] elde ederiz. Bunu aynı formülün \(-u\) için yazılmış hâliyle karşılaştırarak \[ (u+1)f(u)+(u-1)f(-u)=2u \qquad(u\in\mathbb{R}) \tag{5} \] elde ederiz.
\(f(r)=r\) olduğunda \(f(r+1)=r+1\) de olduğunu iddia ediyoruz. Gerçekten, (4) kullanılarak \(P(1,r-1)\) ve \(P(-1,r+1)\) yerine koymalarından \[ f(r+1)+f(r-1)=2r \] ve \[ f(r-1)+f(-r-1)=-2 \] elde edilir. Çıkarıp \(u=r+1\) alarak \[ f(u)-f(-u)=2u \] elde ederiz. (5) te \(f(-u)=f(u)-2u\) yerine koyarsak \[ 2u\bigl(f(u)-u\bigr)=0 \] olur. \(u\ne0\) ise bu, \(f(u)=u\) sonucunu verir; \(u=0\) ise aynı sonuç \(f(0)=0\) dan elde edilir. İddia kanıtlanmıştır.
(3) uyarınca her \(r=f(t)\) bir sabit noktadır. Dolayısıyla iddia \[ f(1+f(t))=1+f(t) \] sonucunu verir. Son olarak \(P(1,t-1)\), \[ f(1+f(t))+f(t-1)=t+f(t) \] biçimindedir. Böylece her gerçel \(t\) için \(f(t-1)=t-1\) olur ve \(f(x)=x\) kanıtlanır.
Her iki aday da başlangıçtaki denklemi sağlar: \(f(x)=x\) için her iki taraf \(2x+y+xy\) ye; \(f(x)=2-x\) için her iki taraf \(2+y-xy\) ye eşittir. Dolayısıyla her ikisi de çözümdür ve başka çözüm yoktur.
Çözüm, resmi IMO shortlist çözümleriyle karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 2015 · Problema 5
Sea \(\mathbb{R}\) el conjunto de los números reales. Determinar todas las funciones \(f:\mathbb{R}\to\mathbb{R}\) que satisfacen la ecuación \[ f(x+f(x+y))+f(xy)=x+f(x+y)+yf(x) \] para todos los números reales \(x, y\).
Texto oficial en español del problema. Enunciado oficial (PDF)
Respuesta
Las únicas soluciones son \[ \boxed{f(x)=x\quad\text{para todo }x\in\mathbb{R}} \qquad\text{y}\qquad \boxed{f(x)=2-x\quad\text{para todo }x\in\mathbb{R}}. \]
Solución
Denotemos por \(P(x,y)\) la identidad dada y pongamos \(c=f(0)\). De \(P(0,t)\), \[ f(f(t))=f(t)+c(t-1). \tag{1} \] Además, \(P(x,1)\) da \[ f(x+f(x+1))=x+f(x+1). \tag{2} \]
Supongamos primero que \(c\ne0\). Si \(f(u)=u\), entonces (1) implica \[ u=u+c(u-1), \] por lo que \(u=1\). Así, (2) obliga a que \(x+f(x+1)=1\) para todo real \(x\), lo que da \[ f(t)=2-t. \]
Supongamos ahora que \(c=0\). La ecuación (1) se convierte en \[ f(f(t))=f(t). \tag{3} \] Las sustituciones \(P(-1,1)\) y \(P(1,-1)\) dan, respectivamente, \[ 2f(-1)=-1+f(-1),\qquad f(1)+f(-1)=1-f(1). \] En consecuencia, \[ f(-1)=-1,\qquad f(1)=1. \tag{4} \]
De \(P(u,-u)\), obtenemos \[ f(-u^2)=u-(u+1)f(u). \] Comparando esto con la misma fórmula para \(-u\), se obtiene \[ (u+1)f(u)+(u-1)f(-u)=2u \qquad(u\in\mathbb{R}). \tag{5} \]
Afirmamos que, siempre que \(f(r)=r\), también se cumple \(f(r+1)=r+1\). En efecto, utilizando (4), las sustituciones \(P(1,r-1)\) y \(P(-1,r+1)\) dan \[ f(r+1)+f(r-1)=2r \] y \[ f(r-1)+f(-r-1)=-2. \] Restando y poniendo \(u=r+1\), obtenemos \[ f(u)-f(-u)=2u. \] Sustituyendo \(f(-u)=f(u)-2u\) en (5), se obtiene \[ 2u\bigl(f(u)-u\bigr)=0. \] Si \(u\ne0\), esto implica \(f(u)=u\); si \(u=0\), la misma conclusión se deduce de \(f(0)=0\). La afirmación queda demostrada.
Por (3), todo \(r=f(t)\) es un punto fijo. La afirmación implica, por tanto, \[ f(1+f(t))=1+f(t). \] Finalmente, \(P(1,t-1)\) se escribe \[ f(1+f(t))+f(t-1)=t+f(t). \] Por tanto, \(f(t-1)=t-1\) para todo real \(t\), lo que demuestra que \(f(x)=x\).
Ambas candidatas satisfacen la ecuación original: para \(f(x)=x\), ambos miembros son iguales a \(2x+y+xy\); para \(f(x)=2-x\), ambos miembros son iguales a \(2+y-xy\). Así, ambas son soluciones, y no hay otras.
La solución se comprobó con las soluciones oficiales de la shortlist de la IMO.
IMO 2015 · 问题 5
设\(\mathbb{R}\)是全体实数的集合。求所有的函数\(f:\mathbb{R}\to\mathbb{R}\),满足对任意实数\(x,y\),都有 \[ f(x+f(x+y))+f(xy)=x+f(x+y)+yf(x). \]
题目为官方中文译本。 官方试卷 (PDF)
答案
仅有的解为 \[ \boxed{f(x)=x\quad\text{对所有 }x\in\mathbb{R}} \qquad\text{和}\qquad \boxed{f(x)=2-x\quad\text{对所有 }x\in\mathbb{R}}. \]
解答
用\(P(x,y)\)表示题中的恒等式,并令\(c=f(0)\)。由\(P(0,t)\), \[ f(f(t))=f(t)+c(t-1). \tag{1} \] 此外,由\(P(x,1)\)得 \[ f(x+f(x+1))=x+f(x+1). \tag{2} \]
先设\(c\ne0\)。若\(f(u)=u\),则由(1)可得 \[ u=u+c(u-1), \] 故\(u=1\)。因此,(2)迫使每个实数\(x\)都满足\(x+f(x+1)=1\),从而 \[ f(t)=2-t. \]
现在设\(c=0\)。式(1)变为 \[ f(f(t))=f(t). \tag{3} \] 分别代入\(P(-1,1)\)和\(P(1,-1)\),得 \[ 2f(-1)=-1+f(-1),\qquad f(1)+f(-1)=1-f(1). \] 因此, \[ f(-1)=-1,\qquad f(1)=1. \tag{4} \]
由\(P(u,-u)\),得到 \[ f(-u^2)=u-(u+1)f(u). \] 将其与对应于\(-u\)的同一公式比较,得 \[ (u+1)f(u)+(u-1)f(-u)=2u \qquad(u\in\mathbb{R}). \tag{5} \]
我们断言,只要\(f(r)=r\),就有\(f(r+1)=r+1\)。事实上,利用(4),代入\(P(1,r-1)\)和\(P(-1,r+1)\),得 \[ f(r+1)+f(r-1)=2r \] 以及 \[ f(r-1)+f(-r-1)=-2. \] 两式相减,并令\(u=r+1\),得 \[ f(u)-f(-u)=2u. \] 将\(f(-u)=f(u)-2u\)代入(5),得 \[ 2u\bigl(f(u)-u\bigr)=0. \] 若\(u\ne0\),这就给出\(f(u)=u\);若\(u=0\),则由\(f(0)=0\)也得到相同结论。断言得证。
由(3),每个\(r=f(t)\)都是不动点。因此,上述断言给出 \[ f(1+f(t))=1+f(t). \] 最后,\(P(1,t-1)\)为 \[ f(1+f(t))+f(t-1)=t+f(t). \] 故对每个实数\(t\),都有\(f(t-1)=t-1\),从而证明了\(f(x)=x\)。
这两个候选函数都满足原方程:对于\(f(x)=x\),两边都等于\(2x+y+xy\);对于\(f(x)=2-x\),两边都等于\(2+y-xy\)。因此二者均为解,且没有其他解。
解答已与 IMO 官方预选题(shortlist)解答核对。
IMO 2015 · Задача 5
Пусть \(\mathbb{R}\) — множество всех действительных чисел. Найдите все функции \(f:\mathbb{R}\to\mathbb{R}\), удовлетворяющие равенству \[ f(x+f(x+y))+f(xy)=x+f(x+y)+yf(x) \] для всех действительных чисел \(x\) и \(y\).
Официальный русский текст задачи. Официальный текст задач (PDF)
Ответ
Единственными решениями являются \[ \boxed{f(x)=x\quad\text{для всех }x\in\mathbb{R}} \qquad\text{и}\qquad \boxed{f(x)=2-x\quad\text{для всех }x\in\mathbb{R}}. \]
Решение
Обозначим данное тождество через \(P(x,y)\) и положим \(c=f(0)\). Из \(P(0,t)\) получаем \[ f(f(t))=f(t)+c(t-1). \tag{1} \] Кроме того, из \(P(x,1)\) следует \[ f(x+f(x+1))=x+f(x+1). \tag{2} \]
Предположим сначала, что \(c\ne0\). Если \(f(u)=u\), то из (1) следует \[ u=u+c(u-1), \] поэтому \(u=1\). Таким образом, из (2) необходимо следует \(x+f(x+1)=1\) для каждого действительного \(x\), откуда \[ f(t)=2-t. \]
Теперь предположим, что \(c=0\). Равенство (1) принимает вид \[ f(f(t))=f(t). \tag{3} \] Подстановки \(P(-1,1)\) и \(P(1,-1)\) дают соответственно \[ 2f(-1)=-1+f(-1),\qquad f(1)+f(-1)=1-f(1). \] Следовательно, \[ f(-1)=-1,\qquad f(1)=1. \tag{4} \]
Из \(P(u,-u)\) получаем \[ f(-u^2)=u-(u+1)f(u). \] Сравнивая это с той же формулой для \(-u\), получаем \[ (u+1)f(u)+(u-1)f(-u)=2u \qquad(u\in\mathbb{R}). \tag{5} \]
Утверждаем, что из \(f(r)=r\) всегда следует \(f(r+1)=r+1\). Действительно, используя (4), из подстановок \(P(1,r-1)\) и \(P(-1,r+1)\) получаем \[ f(r+1)+f(r-1)=2r \] и \[ f(r-1)+f(-r-1)=-2. \] Вычитая и полагая \(u=r+1\), получаем \[ f(u)-f(-u)=2u. \] Подставляя \(f(-u)=f(u)-2u\) в (5), получаем \[ 2u\bigl(f(u)-u\bigr)=0. \] Если \(u\ne0\), отсюда следует \(f(u)=u\); если \(u=0\), тот же вывод следует из \(f(0)=0\). Утверждение доказано.
В силу (3), каждое \(r=f(t)\) является неподвижной точкой. Поэтому из доказанного утверждения следует \[ f(1+f(t))=1+f(t). \] Наконец, \(P(1,t-1)\) имеет вид \[ f(1+f(t))+f(t-1)=t+f(t). \] Отсюда \(f(t-1)=t-1\) для каждого действительного \(t\), что доказывает \(f(x)=x\).
Обе найденные функции удовлетворяют исходному уравнению: при \(f(x)=x\) обе части равны \(2x+y+xy\); при \(f(x)=2-x\) обе части равны \(2+y-xy\). Таким образом, обе функции являются решениями, и других решений нет.
Решение проверено по официальным решениям шортлиста IMO.
IMO 2015 · المسألة 5
لتكن \(\mathbb{R}\) مجموعة الأعداد الحقيقية. جد جميع الدوال \(f:\mathbb{R}\to\mathbb{R}\) التي تحقق المعادلة \[ f(x+f(x+y))+f(xy)=x+f(x+y)+yf(x) \] لكل عددين حقيقيين \(x\) و \(y\).
نص المسألة هو الترجمة العربية الرسمية. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الإجابة
الحلان الوحيدان هما \[ \boxed{f(x)=x\quad\text{لكل }x\in\mathbb{R}} \qquad\text{و}\qquad \boxed{f(x)=2-x\quad\text{لكل }x\in\mathbb{R}}. \]
الحل
نرمز بـ\(P(x,y)\) إلى المتطابقة المعطاة، ونضع \(c=f(0)\). من \(P(0,t)\)، \[ f(f(t))=f(t)+c(t-1). \tag{1} \] كذلك تعطي \(P(x,1)\) \[ f(x+f(x+1))=x+f(x+1). \tag{2} \]
نفترض أولًا أن \(c\ne0\). إذا كان \(f(u)=u\)، فإن (1) تستلزم \[ u=u+c(u-1), \] ومن ثم \(u=1\). إذن تقتضي (2) أن \(x+f(x+1)=1\) لكل عدد حقيقي \(x\)، فنحصل على \[ f(t)=2-t. \]
نفترض الآن أن \(c=0\). تصبح المعادلة (1) \[ f(f(t))=f(t). \tag{3} \] يعطي التعويضان \(P(-1,1)\) و\(P(1,-1)\)، على الترتيب، \[ 2f(-1)=-1+f(-1),\qquad f(1)+f(-1)=1-f(1). \] وبالتالي، \[ f(-1)=-1,\qquad f(1)=1. \tag{4} \]
من \(P(u,-u)\)، نحصل على \[ f(-u^2)=u-(u+1)f(u). \] بمقارنة هذا بالمساواة نفسها عند التعويض بـ\(-u\) نحصل على \[ (u+1)f(u)+(u-1)f(-u)=2u \qquad(u\in\mathbb{R}). \tag{5} \]
ندعي أنه كلما كان \(f(r)=r\)، كان أيضًا \(f(r+1)=r+1\). بالفعل، باستخدام (4)، يعطي التعويضان \(P(1,r-1)\) و\(P(-1,r+1)\) \[ f(r+1)+f(r-1)=2r \] و \[ f(r-1)+f(-r-1)=-2. \] بالطرح ووضع \(u=r+1\)، نحصل على \[ f(u)-f(-u)=2u. \] وبالتعويض بـ\(f(-u)=f(u)-2u\) في (5) نحصل على \[ 2u\bigl(f(u)-u\bigr)=0. \] إذا كان \(u\ne0\)، فإن هذا يستلزم \(f(u)=u\)؛ وإذا كان \(u=0\)، فإن النتيجة نفسها تتبع من \(f(0)=0\). وبذلك يثبت الادعاء.
بموجب (3)، كل \(r=f(t)\) نقطة ثابتة. لذا يستلزم الادعاء أن \[ f(1+f(t))=1+f(t). \] أخيرًا، تكتب \(P(1,t-1)\) على الصورة \[ f(1+f(t))+f(t-1)=t+f(t). \] ومن ثم \(f(t-1)=t-1\) لكل عدد حقيقي \(t\)، مما يثبت أن \(f(x)=x\).
تحقق كلتا الدالتين المرشحتين المعادلة الأصلية: عندما \(f(x)=x\)، يساوي كلا الطرفين \(2x+y+xy\)؛ وعندما \(f(x)=2-x\)، يساوي كلا الطرفين \(2+y-xy\). إذن كلتاهما حل، ولا توجد حلول أخرى.
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحلول الرسمية لقائمة IMO المختصرة.