IMO 2022 · Problem 2
Let \(\mathbb{R}^+\) denote the set of positive real numbers. Find all functions \(f:\mathbb{R}^+\to\mathbb{R}^+\) such that for each \(x\in\mathbb{R}^+\), there is exactly one \(y\in\mathbb{R}^+\) satisfying \[ xf(y)+yf(x)\leq 2. \]
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Answer
The only such function is \[ \boxed{f(x)=\frac1x\qquad\text{for all }x>0.} \]
Solution
Let \(f\) satisfy the condition. We first prove that, for each \(x>0\), its unique corresponding \(y\) is \(x\) itself.
Fix \(x>0\), and let \(y>0\) satisfy \[ xf(y)+yf(x)\leq 2. \] Suppose \(y\ne x\). By uniqueness for \(x\), the choice \(y=x\) must fail, so \[ xf(x)>1. \] The inequality is symmetric in \(x\) and \(y\). Thus \(x\) is the unique number satisfying the condition for input \(y\). Since \(x\ne y\), the choice of \(y\) itself must fail, giving \[ yf(y)>1. \] But the arithmetic–geometric mean inequality now yields \[ xf(y)+yf(x) \geq 2\sqrt{xf(y)\,yf(x)} =2\sqrt{xf(x)\,yf(y)} >2, \] a contradiction. Consequently, the unique corresponding number is always \(y=x\), and hence \[ xf(x)\leq 1\qquad\text{for every }x>0. \tag{1} \]
We next show that equality always holds in (1). Suppose instead that \(xf(x)<1\) for some \(x>0\), and set \[ y=\frac1{f(x)}. \] Then \(y>x\). Applying (1) at \(y\), we obtain \(f(y)\leq 1/y\), so \[ xf(y)+yf(x) \leq \frac{x}{y}+1 =xf(x)+1 <2. \] Thus this \(y\ne x\) also satisfies the required inequality, contradicting uniqueness. Therefore \(xf(x)=1\) for every \(x>0\), proving the claimed form.
Finally, for \(f(x)=1/x\), \[ xf(y)+yf(x) =\frac{x}{y}+\frac{y}{x} =2+\frac{(x-y)^2}{xy}. \] Since \(xy>0\), this is at most \(2\) exactly when \(y=x\). The required existence and uniqueness therefore hold.
The solution was checked against the official IMO shortlist solutions.
IMO 2022 · Aufgabe 2
Es sei \(\mathbb{R}^+\) die Menge der positiven reellen Zahlen. Man bestimme alle Funktionen \(f:\mathbb{R}^+\to\mathbb{R}^+\), für die es zu jedem \(x\in\mathbb{R}^+\) genau ein \(y\in\mathbb{R}^+\) gibt mit \[ xf(y)+yf(x)\leqslant 2. \]
Offizieller deutscher Aufgabentext. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Antwort
Die einzige solche Funktion ist \[ \boxed{f(x)=\frac1x\qquad\text{für alle }x>0.} \]
Lösung
Es sei \(f\) eine Funktion, die die Bedingung erfüllt. Wir beweisen zunächst, dass für jedes \(x>0\) das eindeutig zugehörige \(y\) gleich \(x\) selbst ist.
Wir halten \(x>0\) fest, und es sei \(y>0\) mit \[ xf(y)+yf(x)\leq 2. \] Angenommen, es gilt \(y\ne x\). Wegen der Eindeutigkeit für \(x\) darf die Wahl \(y=x\) die Bedingung nicht erfüllen, also gilt \[ xf(x)>1. \] Die Ungleichung ist symmetrisch in \(x\) und \(y\). Daher ist \(x\) die einzige Zahl, die die Bedingung für das Argument \(y\) erfüllt. Wegen \(x\ne y\) darf die Wahl von \(y\) selbst die Bedingung nicht erfüllen, woraus \[ yf(y)>1 \] folgt. Doch die Ungleichung zwischen arithmetischem und geometrischem Mittel liefert nun \[ xf(y)+yf(x) \geq 2\sqrt{xf(y)\,yf(x)} =2\sqrt{xf(x)\,yf(y)} >2, \] einen Widerspruch. Folglich ist die eindeutig zugehörige Zahl stets \(y=x\), und daher gilt \[ xf(x)\leq 1\qquad\text{für jedes }x>0. \tag{1} \]
Als Nächstes zeigen wir, dass in (1) stets Gleichheit gilt. Angenommen, stattdessen gilt \(xf(x)<1\) für ein \(x>0\), und wir setzen \[ y=\frac1{f(x)}. \] Dann ist \(y>x\). Wenden wir (1) auf \(y\) an, so erhalten wir \(f(y)\leq 1/y\), also \[ xf(y)+yf(x) \leq \frac{x}{y}+1 =xf(x)+1 <2. \] Somit erfüllt auch dieses \(y\ne x\) die geforderte Ungleichung, im Widerspruch zur Eindeutigkeit. Daher gilt \(xf(x)=1\) für jedes \(x>0\), womit die behauptete Form bewiesen ist.
Schließlich gilt für \(f(x)=1/x\) \[ xf(y)+yf(x) =\frac{x}{y}+\frac{y}{x} =2+\frac{(x-y)^2}{xy}. \] Wegen \(xy>0\) ist dieser Ausdruck genau dann höchstens \(2\), wenn \(y=x\) gilt. Die geforderte Existenz und Eindeutigkeit sind somit erfüllt.
Die Lösung wurde mit den offiziellen Lösungen der IMO-Shortlist abgeglichen.
IMO 2022 · Soru 2
\(\mathbb{R}^+\) ile pozitif gerçel sayıların kümesi gösterilmektedir. Aşağıdaki şartı sağlayan tüm \(f:\mathbb{R}^+\to\mathbb{R}^+\) fonksiyonlarını bulunuz: Her \(x\in\mathbb{R}^+\) için
\[ xf(y)+yf(x)\leqslant 2 \]
koşulunu sağlayan tam olarak bir tane \(y\in\mathbb{R}^+\) vardır.
Sorunun resmi Türkçe metni. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Cevap
Bu koşulu sağlayan tek fonksiyon \[ \boxed{f(x)=\frac1x\qquad\text{tüm }x>0} \] fonksiyonudur.
Çözüm
\(f\) koşulu sağlasın. Önce, her \(x>0\) için ona karşılık gelen tek \(y\)'nin \(x\)'in kendisi olduğunu kanıtlayacağız.
\(x>0\)'ı sabitleyelim ve \(y>0\), \[ xf(y)+yf(x)\leq 2 \] eşitsizliğini sağlasın. \(y\ne x\) olduğunu varsayalım. \(x\) için teklik koşulu gereği, \(y=x\) seçimi eşitsizliği sağlamamalıdır; dolayısıyla \[ xf(x)>1. \] Eşitsizlik \(x\) ve \(y\)'ye göre simetriktir. Bu nedenle \(x\), girdi \(y\) olduğunda koşulu sağlayan tek sayıdır. \(x\ne y\) olduğundan, \(y\)'nin kendisini seçmek eşitsizliği sağlamamalıdır ve buradan \[ yf(y)>1 \] elde edilir. Ancak aritmetik–geometrik ortalama eşitsizliği şimdi \[ xf(y)+yf(x) \geq 2\sqrt{xf(y)\,yf(x)} =2\sqrt{xf(x)\,yf(y)} >2, \] verir ki bu bir çelişkidir. Sonuç olarak, karşılık gelen tek sayı her zaman \(y=x\)'tir ve dolayısıyla \[ xf(x)\leq 1\qquad\text{her }x>0. \tag{1} \]
Şimdi (1)'de her zaman eşitlik olduğunu göstereceğiz. Aksine, bir \(x>0\) için \(xf(x)<1\) olduğunu varsayalım ve \[ y=\frac1{f(x)} \] alalım. O zaman \(y>x\) olur. (1)'i \(y\) için uygulayarak \(f(y)\leq 1/y\) elde ederiz; dolayısıyla \[ xf(y)+yf(x) \leq \frac{x}{y}+1 =xf(x)+1 <2. \] Böylece bu \(y\ne x\) de istenen eşitsizliği sağlar; bu ise teklikle çelişir. Dolayısıyla her \(x>0\) için \(xf(x)=1\) olur ve öne sürülen biçim kanıtlanır.
Son olarak, \(f(x)=1/x\) için \[ xf(y)+yf(x) =\frac{x}{y}+\frac{y}{x} =2+\frac{(x-y)^2}{xy}. \] \(xy>0\) olduğundan bu ifade tam olarak \(y=x\) olduğunda en fazla \(2\)'dir. Dolayısıyla istenen varlık ve teklik koşulları sağlanır.
Çözüm, resmi IMO shortlist çözümleriyle karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 2022 · Problema 2
Sea \(\mathbb{R}^+\) el conjunto de los números reales positivos. Hallar todas las funciones \(f:\mathbb{R}^+\to\mathbb{R}^+\) tales que para cada \(x\in\mathbb{R}^+\), existe exactamente un \(y\in\mathbb{R}^+\) que satisface \[ xf(y)+yf(x)\leqslant 2. \]
Texto oficial en español del problema. Enunciado oficial (PDF)
Respuesta
La única función que cumple la condición es \[ \boxed{f(x)=\frac1x\qquad\text{para todo }x>0.} \]
Solución
Sea \(f\) una función que satisface la condición. Primero demostramos que, para cada \(x>0\), el único \(y\) correspondiente es el propio \(x\).
Fijemos \(x>0\), y sea \(y>0\) tal que \[ xf(y)+yf(x)\leq 2. \] Supongamos que \(y\ne x\). Por la unicidad para \(x\), la elección \(y=x\) no debe satisfacer la desigualdad, de modo que \[ xf(x)>1. \] La desigualdad es simétrica en \(x\) e \(y\). Por tanto, \(x\) es el único número que satisface la condición para el argumento \(y\). Como \(x\ne y\), la elección del propio \(y\) no debe satisfacerla, lo que da \[ yf(y)>1. \] Pero la desigualdad entre las medias aritmética y geométrica da ahora \[ xf(y)+yf(x) \geq 2\sqrt{xf(y)\,yf(x)} =2\sqrt{xf(x)\,yf(y)} >2, \] una contradicción. Por consiguiente, el único número correspondiente es siempre \(y=x\), y por tanto \[ xf(x)\leq 1\qquad\text{para todo }x>0. \tag{1} \]
A continuación demostramos que en (1) siempre se cumple la igualdad. Supongamos, por el contrario, que \(xf(x)<1\) para algún \(x>0\), y tomemos \[ y=\frac1{f(x)}. \] Entonces \(y>x\). Aplicando (1) a \(y\), obtenemos \(f(y)\leq 1/y\), de modo que \[ xf(y)+yf(x) \leq \frac{x}{y}+1 =xf(x)+1 <2. \] Así, este \(y\ne x\) también satisface la desigualdad requerida, lo que contradice la unicidad. Por tanto, \(xf(x)=1\) para todo \(x>0\), lo que demuestra la forma propuesta.
Finalmente, para \(f(x)=1/x\), \[ xf(y)+yf(x) =\frac{x}{y}+\frac{y}{x} =2+\frac{(x-y)^2}{xy}. \] Como \(xy>0\), esta expresión es a lo sumo \(2\) exactamente cuando \(y=x\). Por tanto, se cumplen la existencia y la unicidad requeridas.
La solución se comprobó con las soluciones oficiales de la shortlist de la IMO.
IMO 2022 · 问题 2
令 \(\mathbb{R}^+\) 代表所有正实数所形成的集。找出所有函数 \(f:\mathbb{R}^+\to\mathbb{R}^+\),使得对于任意 \(x\in\mathbb{R}^+\),都恰好有一个 \(y\in\mathbb{R}^+\) 符合 \[ xf(y)+yf(x)\leqslant 2. \]
题目为官方中文译本。 官方试卷 (PDF)
答案
唯一满足条件的函数是 \[ \boxed{f(x)=\frac1x\qquad\text{对所有 }x>0.} \]
解答
设 \(f\) 满足条件。我们首先证明,对每个 \(x>0\),与之对应的唯一的 \(y\) 就是 \(x\) 本身。
固定 \(x>0\),设 \(y>0\) 满足 \[ xf(y)+yf(x)\leq 2. \] 假设 \(y\ne x\)。由对 \(x\) 而言的唯一性,取 \(y=x\) 时必定不满足条件,所以 \[ xf(x)>1. \] 该不等式关于 \(x\) 和 \(y\) 对称。因此,对于输入 \(y\),\(x\) 是满足条件的唯一的数。由于 \(x\ne y\),取 \(y\) 本身时必定不满足条件,从而 \[ yf(y)>1. \] 但此时由算术—几何平均值不等式可得 \[ xf(y)+yf(x) \geq 2\sqrt{xf(y)\,yf(x)} =2\sqrt{xf(x)\,yf(y)} >2, \] 矛盾。因此,与之对应的唯一的数总是 \(y=x\),从而 \[ xf(x)\leq 1\qquad\text{对每个 }x>0. \tag{1} \]
接下来证明 (1) 中总是取等号。反设存在某个 \(x>0\),使得 \(xf(x)<1\),并令 \[ y=\frac1{f(x)}. \] 则 \(y>x\)。将 (1) 应用于 \(y\),得到 \(f(y)\leq 1/y\),所以 \[ xf(y)+yf(x) \leq \frac{x}{y}+1 =xf(x)+1 <2. \] 因此,这个 \(y\ne x\) 也满足所要求的不等式,与唯一性矛盾。所以,对每个 \(x>0\) 都有 \(xf(x)=1\),从而证明了所述形式。
最后,对于 \(f(x)=1/x\),有 \[ xf(y)+yf(x) =\frac{x}{y}+\frac{y}{x} =2+\frac{(x-y)^2}{xy}. \] 由于 \(xy>0\),上式不大于 \(2\) 当且仅当 \(y=x\)。因此,所要求的存在性和唯一性均成立。
解答已与 IMO 官方预选题(shortlist)解答核对。
IMO 2022 · Задача 2
Через \(\mathbb{R}^+\) обозначим множество всех положительных вещественных чисел. Найдите все функции \(f:\mathbb{R}^+\to\mathbb{R}^+\) такие, что для каждого \(x\in\mathbb{R}^+\) существует ровно одно число \(y\in\mathbb{R}^+\), удовлетворяющее неравенству \[ xf(y)+yf(x)\leqslant 2. \]
Официальный русский текст задачи. Официальный текст задач (PDF)
Ответ
Единственная такая функция — \[ \boxed{f(x)=\frac1x\qquad\text{для всех }x>0.} \]
Решение
Пусть \(f\) удовлетворяет условию. Сначала докажем, что для каждого \(x>0\) единственное соответствующее ему число \(y\) равно самому \(x\).
Зафиксируем \(x>0\), и пусть \(y>0\) удовлетворяет неравенству \[ xf(y)+yf(x)\leq 2. \] Предположим, что \(y\ne x\). В силу единственности для \(x\) значение \(y=x\) не должно подходить, поэтому \[ xf(x)>1. \] Неравенство симметрично относительно \(x\) и \(y\). Таким образом, \(x\) — единственное число, удовлетворяющее условию при аргументе \(y\). Поскольку \(x\ne y\), само число \(y\) не должно подходить, откуда \[ yf(y)>1. \] Но теперь неравенство между средним арифметическим и средним геометрическим даёт \[ xf(y)+yf(x) \geq 2\sqrt{xf(y)\,yf(x)} =2\sqrt{xf(x)\,yf(y)} >2, \] что противоречит условию. Следовательно, единственное соответствующее число всегда равно \(y=x\), и потому \[ xf(x)\leq 1\qquad\text{для каждого }x>0. \tag{1} \]
Далее покажем, что в (1) всегда достигается равенство. Предположим, напротив, что \(xf(x)<1\) для некоторого \(x>0\), и положим \[ y=\frac1{f(x)}. \] Тогда \(y>x\). Применяя (1) к \(y\), получаем \(f(y)\leq 1/y\), поэтому \[ xf(y)+yf(x) \leq \frac{x}{y}+1 =xf(x)+1 <2. \] Таким образом, это \(y\ne x\) также удовлетворяет требуемому неравенству, что противоречит единственности. Значит, \(xf(x)=1\) для каждого \(x>0\), что доказывает заявленный вид функции.
Наконец, для \(f(x)=1/x\) \[ xf(y)+yf(x) =\frac{x}{y}+\frac{y}{x} =2+\frac{(x-y)^2}{xy}. \] Поскольку \(xy>0\), это выражение не превосходит \(2\) в точности при \(y=x\). Следовательно, требуемые существование и единственность выполнены.
Решение проверено по официальным решениям шортлиста IMO.
IMO 2022 · المسألة 2
لتكن \(\mathbb{R}^+\) هي مجموعة الأعداد الحقيقية الموجبة. أوجد كل الدوال \(f:\mathbb{R}^+\to\mathbb{R}^+\) بحيث: لكل \(x\in\mathbb{R}^+\) يوجد عدد واحد بالضبط \(y\in\mathbb{R}^+\) تحقق أن: \[ xf(y)+yf(x)\leqslant 2. \]
نص المسألة هو الترجمة العربية الرسمية. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الإجابة
الدالة الوحيدة التي تحقق الشرط هي \[ \boxed{f(x)=\frac1x\qquad\text{لكل }x>0.} \]
الحل
لتكن \(f\) دالة تحقق الشرط. نثبت أولًا أنه لكل \(x>0\)، تكون قيمة \(y\) الوحيدة الموافقة له هي \(x\) نفسه.
نثبّت \(x>0\)، ولتكن \(y>0\) تحقق \[ xf(y)+yf(x)\leq 2. \] لنفترض أن \(y\ne x\). بموجب الوحدانية عند \(x\)، لا بد أن يفشل الاختيار \(y=x\)، ومن ثم \[ xf(x)>1. \] المتباينة متناظرة في \(x\) و \(y\). ولذلك فإن \(x\) هو العدد الوحيد الذي يحقق الشرط عند المدخل \(y\). وبما أن \(x\ne y\)، فلا بد أن يفشل اختيار \(y\) نفسه، فنحصل على \[ yf(y)>1. \] لكن متباينة الوسط الحسابي والوسط الهندسي تعطينا الآن \[ xf(y)+yf(x) \geq 2\sqrt{xf(y)\,yf(x)} =2\sqrt{xf(x)\,yf(y)} >2, \] وهذا تناقض. ومن ثم يكون العدد الموافق الوحيد دائمًا هو \(y=x\)، وبالتالي \[ xf(x)\leq 1\qquad\text{لكل }x>0. \tag{1} \]
نبيّن بعد ذلك أن المساواة تتحقق دائمًا في (1). لنفترض، خلافًا لذلك، أن \(xf(x)<1\) لبعض \(x>0\)، ولنضع \[ y=\frac1{f(x)}. \] عندئذ \(y>x\). بتطبيق (1) عند \(y\)، نحصل على \(f(y)\leq 1/y\)، ولذلك \[ xf(y)+yf(x) \leq \frac{x}{y}+1 =xf(x)+1 <2. \] إذن تحقق هذه القيمة \(y\ne x\) أيضًا المتباينة المطلوبة، مما يناقض الوحدانية. وعليه فإن \(xf(x)=1\) لكل \(x>0\)، وهذا يثبت الصيغة المدّعاة.
أخيرًا، عندما تكون \(f(x)=1/x\)، فإن \[ xf(y)+yf(x) =\frac{x}{y}+\frac{y}{x} =2+\frac{(x-y)^2}{xy}. \] وبما أن \(xy>0\)، فإن هذا المقدار لا يتجاوز \(2\) إذا وفقط إذا كان \(y=x\). وبذلك يتحقق الوجود والوحدانية المطلوبان.
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحلول الرسمية لقائمة IMO المختصرة.