IMO 2019 · Problem 1
Let \(\mathbb{Z}\) be the set of integers. Determine all functions \(f:\mathbb{Z}\to\mathbb{Z}\) such that, for all integers \(a\) and \(b\), \[ f(2a)+2f(b)=f(f(a+b)). \]
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Answer
The solutions are \[ \boxed{f(n)=0\text{ for all }n\in\mathbb Z} \] and \[ \boxed{f(n)=2n+c\text{ for all }n\in\mathbb Z,\quad c\in\mathbb Z.} \]
Solution
Let \(c=f(0)\). Setting \(a=0\) in the given equation gives \[ f(f(b))=c+2f(b). \] Consequently, the original equation becomes \[ f(2a)+2f(b)=c+2f(a+b). \tag{1} \] Taking \(b=0\) in (1), we obtain \[ f(2a)=2f(a)-c. \] Substituting this back into (1) and dividing by \(2\) yields \[ f(a+b)=f(a)+f(b)-c \qquad(a,b\in\mathbb Z). \]
Define \(g(n)=f(n)-c\). Then \(g(0)=0\) and \[ g(a+b)=g(a)+g(b). \] Write \(k=g(1)\in\mathbb Z\). Induction gives \(g(n)=kn\) for every nonnegative integer \(n\). Also, \[ g(n)+g(-n)=g(0)=0, \] so the same formula holds for negative integers. Thus \[ f(n)=kn+c\qquad(n\in\mathbb Z). \]
Substituting this expression into the original equation gives \[ 2k(a+b)+3c=k^2(a+b)+(k+1)c. \] Taking \(a+b=0\) gives \((k-2)c=0\). Taking \(a+b=1\) and subtracting the preceding equality gives \(k(k-2)=0\). Hence either:
- \(k=0\), in which case \(c=0\) and \(f\equiv0\);
- \(k=2\), in which case \(c\) is any integer.
Finally, \(f\equiv0\) plainly satisfies the equation. For \(f(n)=2n+c\), \[ f(2a)+2f(b)=4(a+b)+3c =f\bigl(2(a+b)+c\bigr) =f(f(a+b)). \] Therefore every listed function is a solution, and there are no others.
The solution was checked against the official IMO shortlist solutions.
IMO 2019 · Aufgabe 1
Es sei \(\mathbb{Z}\) die Menge der ganzen Zahlen. Man bestimme alle Funktionen \(f:\mathbb{Z}\to\mathbb{Z}\), so dass \[ f(2a)+2f(b)=f(f(a+b)) \] für alle ganzen Zahlen \(a\) und \(b\) gilt.
Offizieller deutscher Aufgabentext. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Antwort
Die Lösungen sind \[ \boxed{f(n)=0\text{ für alle }n\in\mathbb Z} \] und \[ \boxed{f(n)=2n+c\text{ für alle }n\in\mathbb Z,\quad c\in\mathbb Z.} \]
Lösung
Sei \(c=f(0)\). Setzen wir \(a=0\) in die gegebene Gleichung ein, so erhalten wir \[ f(f(b))=c+2f(b). \] Damit wird die ursprüngliche Gleichung zu \[ f(2a)+2f(b)=c+2f(a+b). \tag{1} \] Setzen wir in (1) \(b=0\), so erhalten wir \[ f(2a)=2f(a)-c. \] Einsetzen in (1) und Division durch \(2\) ergibt \[ f(a+b)=f(a)+f(b)-c \qquad(a,b\in\mathbb Z). \]
Definiere \(g(n)=f(n)-c\). Dann gilt \(g(0)=0\) und \[ g(a+b)=g(a)+g(b). \] Setze \(k=g(1)\in\mathbb Z\). Durch Induktion folgt \(g(n)=kn\) für jede nichtnegative ganze Zahl \(n\). Außerdem gilt \[ g(n)+g(-n)=g(0)=0, \] also gilt dieselbe Formel auch für negative ganze Zahlen. Somit ist \[ f(n)=kn+c\qquad(n\in\mathbb Z). \]
Setzen wir diesen Ausdruck in die ursprüngliche Gleichung ein, so erhalten wir \[ 2k(a+b)+3c=k^2(a+b)+(k+1)c. \] Für \(a+b=0\) ergibt sich \((k-2)c=0\). Setzen wir \(a+b=1\) und subtrahieren die vorhergehende Gleichheit, so folgt \(k(k-2)=0\). Also gilt einer der folgenden Fälle:
- \(k=0\); dann ist \(c=0\) und \(f\equiv0\);
- \(k=2\); dann ist \(c\) eine beliebige ganze Zahl.
Schließlich erfüllt \(f\equiv0\) offensichtlich die Gleichung. Für \(f(n)=2n+c\) gilt \[ f(2a)+2f(b)=4(a+b)+3c =f\bigl(2(a+b)+c\bigr) =f(f(a+b)). \] Somit ist jede der angegebenen Funktionen eine Lösung, und es gibt keine weiteren.
Die Lösung wurde mit den offiziellen Lösungen der IMO-Shortlist abgeglichen.
IMO 2019 · Soru 1
Tam sayılar kümesi \(\mathbb{Z}\) ile gösterilsin. Tüm \(a\) ve \(b\) tam sayıları için \[ f(2a)+2f(b)=f(f(a+b)) \] koşulunu sağlayan tüm \(f:\mathbb{Z}\to\mathbb{Z}\) fonksiyonlarını bulunuz.
Sorunun resmi Türkçe metni. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Cevap
Çözümler \[ \boxed{f(n)=0\text{ tüm }n\in\mathbb Z} \] ve \[ \boxed{f(n)=2n+c\text{ tüm }n\in\mathbb Z,\quad c\in\mathbb Z} \] için tanımlanan fonksiyonlarıdır.
Çözüm
\(c=f(0)\) olsun. Verilen denklemde \(a=0\) alındığında \[ f(f(b))=c+2f(b) \] elde edilir. Dolayısıyla başlangıçtaki denklem \[ f(2a)+2f(b)=c+2f(a+b) \tag{1} \] biçimini alır. (1)'de \(b=0\) alarak \[ f(2a)=2f(a)-c \] elde ederiz. Bunu yeniden (1)'de yerine koyup \(2\)'ye bölünce \[ f(a+b)=f(a)+f(b)-c \qquad(a,b\in\mathbb Z) \] bulunur.
\(g(n)=f(n)-c\) olarak tanımlayalım. O zaman \(g(0)=0\) ve \[ g(a+b)=g(a)+g(b) \] olur. \(k=g(1)\in\mathbb Z\) yazalım. Tümevarımla, negatif olmayan her \(n\) tam sayısı için \(g(n)=kn\) elde edilir. Ayrıca, \[ g(n)+g(-n)=g(0)=0, \] olduğundan aynı formül negatif tam sayılar için de geçerlidir. Böylece \[ f(n)=kn+c\qquad(n\in\mathbb Z) \] olur.
Bu ifadeyi başlangıçtaki denklemde yerine koyunca \[ 2k(a+b)+3c=k^2(a+b)+(k+1)c \] elde edilir. \(a+b=0\) alınırsa \((k-2)c=0\) bulunur. \(a+b=1\) alıp önceki eşitliği çıkarınca \(k(k-2)=0\) elde edilir. Dolayısıyla şu iki durumdan biri geçerlidir:
- \(k=0\); bu durumda \(c=0\) ve \(f\equiv0\) olur;
- \(k=2\); bu durumda \(c\) herhangi bir tam sayıdır.
Son olarak, \(f\equiv0\) denklemi açıkça sağlar. \(f(n)=2n+c\) için ise \[ f(2a)+2f(b)=4(a+b)+3c =f\bigl(2(a+b)+c\bigr) =f(f(a+b)) \] olur. Bu nedenle listelenen fonksiyonların her biri bir çözümdür ve başka çözüm yoktur.
Çözüm, resmi IMO shortlist çözümleriyle karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 2019 · Problema 1
Sea \(\mathbb{Z}\) el conjunto de los números enteros. Determinar todas las funciones \(f:\mathbb{Z}\to\mathbb{Z}\) tales que, para todos los enteros \(a\) y \(b\), \[ f(2a)+2f(b)=f(f(a+b)). \]
Texto oficial en español del problema. Enunciado oficial (PDF)
Respuesta
Las soluciones son \[ \boxed{f(n)=0\text{ para todo }n\in\mathbb Z} \] y \[ \boxed{f(n)=2n+c\text{ para todo }n\in\mathbb Z,\quad c\in\mathbb Z.} \]
Solución
Sea \(c=f(0)\). Al tomar \(a=0\) en la ecuación dada se obtiene \[ f(f(b))=c+2f(b). \] Por consiguiente, la ecuación original se convierte en \[ f(2a)+2f(b)=c+2f(a+b). \tag{1} \] Tomando \(b=0\) en (1), obtenemos \[ f(2a)=2f(a)-c. \] Sustituyendo esta expresión en (1) y dividiendo por \(2\), resulta \[ f(a+b)=f(a)+f(b)-c \qquad(a,b\in\mathbb Z). \]
Definimos \(g(n)=f(n)-c\). Entonces \(g(0)=0\) y \[ g(a+b)=g(a)+g(b). \] Sea \(k=g(1)\in\mathbb Z\). Por inducción se obtiene \(g(n)=kn\) para todo entero no negativo \(n\). Además, \[ g(n)+g(-n)=g(0)=0, \] por lo que la misma fórmula vale para los enteros negativos. Así pues, \[ f(n)=kn+c\qquad(n\in\mathbb Z). \]
Sustituyendo esta expresión en la ecuación original se obtiene \[ 2k(a+b)+3c=k^2(a+b)+(k+1)c. \] Tomando \(a+b=0\) se obtiene \((k-2)c=0\). Tomando \(a+b=1\) y restando la igualdad anterior se obtiene \(k(k-2)=0\). Por tanto, se da uno de los siguientes casos:
- \(k=0\), en cuyo caso \(c=0\) y \(f\equiv0\);
- \(k=2\), en cuyo caso \(c\) es un entero cualquiera.
Finalmente, \(f\equiv0\) satisface claramente la ecuación. Para \(f(n)=2n+c\), \[ f(2a)+2f(b)=4(a+b)+3c =f\bigl(2(a+b)+c\bigr) =f(f(a+b)). \] Por lo tanto, todas las funciones indicadas son soluciones y no hay ninguna otra.
La solución se comprobó con las soluciones oficiales de la shortlist de la IMO.
IMO 2019 · 问题 1
用\(\mathbb{Z}\)表示全体整数构成的集合. 求所有函数\(f:\mathbb{Z}\to\mathbb{Z}\), 满足对任意整数\(a\)和\(b\), 都有 \[ f(2a)+2f(b)=f(f(a+b)). \]
题目为官方中文译本。 官方试卷 (PDF)
答案
所有解为 \[ \boxed{f(n)=0\text{ 对所有 }n\in\mathbb Z} \] 和 \[ \boxed{f(n)=2n+c\text{ 对所有 }n\in\mathbb Z,\quad c\in\mathbb Z.} \]
解答
令\(c=f(0)\)。在所给方程中令\(a=0\),得 \[ f(f(b))=c+2f(b). \] 因此,原方程化为 \[ f(2a)+2f(b)=c+2f(a+b). \tag{1} \] 在 (1) 中令\(b=0\),得到 \[ f(2a)=2f(a)-c. \] 将此式代回 (1) 并除以\(2\),得 \[ f(a+b)=f(a)+f(b)-c \qquad(a,b\in\mathbb Z). \]
定义\(g(n)=f(n)-c\)。则\(g(0)=0\),且 \[ g(a+b)=g(a)+g(b). \] 记\(k=g(1)\in\mathbb Z\)。由数学归纳法可得,对每个非负整数\(n\),均有\(g(n)=kn\)。又有 \[ g(n)+g(-n)=g(0)=0, \] 所以同一公式对负整数也成立。因此 \[ f(n)=kn+c\qquad(n\in\mathbb Z). \]
将此表达式代入原方程,得 \[ 2k(a+b)+3c=k^2(a+b)+(k+1)c. \] 令\(a+b=0\),得\((k-2)c=0\)。令\(a+b=1\),再减去前一个等式,得\(k(k-2)=0\)。因此有以下两种情形:
- \(k=0\),此时\(c=0\),且\(f\equiv0\);
- \(k=2\),此时\(c\)可以是任意整数。
最后,\(f\equiv0\)显然满足方程。对于\(f(n)=2n+c\),有 \[ f(2a)+2f(b)=4(a+b)+3c =f\bigl(2(a+b)+c\bigr) =f(f(a+b)). \] 因此,所列的每个函数都是解,且不存在其他解。
解答已与 IMO 官方预选题(shortlist)解答核对。
IMO 2019 · Задача 1
Пусть \(\mathbb{Z}\) — множество всех целых чисел. Найдите все функции \(f:\mathbb{Z}\to\mathbb{Z}\) такие, что для любых целых чисел \(a\) и \(b\) верно равенство \[ f(2a)+2f(b)=f(f(a+b)). \]
Официальный русский текст задачи. Официальный текст задач (PDF)
Ответ
Решениями являются \[ \boxed{f(n)=0\text{ для всех }n\in\mathbb Z} \] и \[ \boxed{f(n)=2n+c\text{ для всех }n\in\mathbb Z,\quad c\in\mathbb Z.} \]
Решение
Пусть \(c=f(0)\). Подставляя \(a=0\) в данное уравнение, получаем \[ f(f(b))=c+2f(b). \] Следовательно, исходное уравнение принимает вид \[ f(2a)+2f(b)=c+2f(a+b). \tag{1} \] Полагая \(b=0\) в (1), получаем \[ f(2a)=2f(a)-c. \] Подставляя это выражение обратно в (1) и деля на \(2\), получаем \[ f(a+b)=f(a)+f(b)-c \qquad(a,b\in\mathbb Z). \]
Определим \(g(n)=f(n)-c\). Тогда \(g(0)=0\) и \[ g(a+b)=g(a)+g(b). \] Обозначим \(k=g(1)\in\mathbb Z\). По индукции получаем \(g(n)=kn\) для любого неотрицательного целого \(n\). Кроме того, \[ g(n)+g(-n)=g(0)=0, \] поэтому та же формула верна и для отрицательных целых чисел. Таким образом, \[ f(n)=kn+c\qquad(n\in\mathbb Z). \]
Подставляя это выражение в исходное уравнение, получаем \[ 2k(a+b)+3c=k^2(a+b)+(k+1)c. \] Полагая \(a+b=0\), получаем \((k-2)c=0\). Полагая \(a+b=1\) и вычитая предыдущее равенство, получаем \(k(k-2)=0\). Следовательно, возможны два случая:
- \(k=0\), тогда \(c=0\) и \(f\equiv0\);
- \(k=2\), тогда \(c\) — любое целое число.
Наконец, \(f\equiv0\) очевидным образом удовлетворяет уравнению. Для \(f(n)=2n+c\) имеем \[ f(2a)+2f(b)=4(a+b)+3c =f\bigl(2(a+b)+c\bigr) =f(f(a+b)). \] Итак, каждая из перечисленных функций является решением, и других решений нет.
Решение проверено по официальным решениям шортлиста IMO.
IMO 2019 · المسألة 1
لتكن \(\mathbb Z\) هي مجموعة الأعداد الصحيحة. أوجد جميع الدوال \(f:\mathbb Z\to\mathbb Z\) بحيث أنه لكل الأعداد الصحيحة \(a,b\) \[ f(2a)+2f(b)=f(f(a+b)) \]
نص المسألة هو الترجمة العربية الرسمية. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الإجابة
الحلول هي \[ \boxed{f(n)=0\text{ لكل }n\in\mathbb Z} \] و \[ \boxed{f(n)=2n+c\text{ لكل }n\in\mathbb Z,\quad c\in\mathbb Z.} \]
الحل
لتكن \(c=f(0)\). بوضع \(a=0\) في المعادلة المعطاة نحصل على \[ f(f(b))=c+2f(b). \] وبالتالي، تصبح المعادلة الأصلية \[ f(2a)+2f(b)=c+2f(a+b). \tag{1} \] بأخذ \(b=0\) في (1)، نحصل على \[ f(2a)=2f(a)-c. \] وبالتعويض بهذه العلاقة في (1) والقسمة على \(2\) نجد \[ f(a+b)=f(a)+f(b)-c \qquad(a,b\in\mathbb Z). \]
نعرّف \(g(n)=f(n)-c\). عندئذ \(g(0)=0\) و \[ g(a+b)=g(a)+g(b). \] لنكتب \(k=g(1)\in\mathbb Z\). بالاستقراء نحصل على \(g(n)=kn\) لكل عدد صحيح غير سالب \(n\). كذلك، \[ g(n)+g(-n)=g(0)=0, \] ومن ثم تصح الصيغة نفسها للأعداد الصحيحة السالبة. إذن \[ f(n)=kn+c\qquad(n\in\mathbb Z). \]
بالتعويض بهذا التعبير في المعادلة الأصلية نحصل على \[ 2k(a+b)+3c=k^2(a+b)+(k+1)c. \] بأخذ \(a+b=0\) نجد \((k-2)c=0\). وبأخذ \(a+b=1\) وطرح المساواة السابقة نجد \(k(k-2)=0\). وعليه فإما:
- \(k=0\)، وفي هذه الحالة \(c=0\) و\(f\equiv0\)؛
- \(k=2\)، وفي هذه الحالة يكون \(c\) أي عدد صحيح.
أخيرًا، من الواضح أن \(f\equiv0\) تحقق المعادلة. أما عندما تكون \(f(n)=2n+c\)، فإن \[ f(2a)+2f(b)=4(a+b)+3c =f\bigl(2(a+b)+c\bigr) =f(f(a+b)). \] إذن كل دالة مذكورة هي حل، ولا توجد حلول أخرى.
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحلول الرسمية لقائمة IMO المختصرة.