IMO 2024 · Problem 6
Let \(\mathbb{Q}\) be the set of rational numbers. A function \(f:\mathbb{Q}\to\mathbb{Q}\) is called aquaesulian if the following property holds: for every \(x,y\in\mathbb{Q}\), \[ f(x+f(y))=f(x)+y \qquad\text{or}\qquad f(f(x)+y)=x+f(y). \] Show that there exists an integer \(c\) such that for any aquaesulian function \(f\) there are at most \(c\) different rational numbers of the form \(f(r)+f(-r)\) for some rational number \(r\), and find the smallest possible value of \(c\).
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Answer
\[ \boxed{c=2}. \]
Solution
Let \(f\) be aquaesulian. Taking \(x=y\) in the given condition yields \[ f(x+f(x))=x+f(x) \qquad(x\in\mathbb{Q}). \tag{1} \]
First, \(f\) is injective. Indeed, suppose \(f(a)=f(b)=t\). By (1), \[ f(a+t)=a+t,\qquad f(b+t)=b+t. \] The original condition applied to \((a,b)\) gives either \[ f(a+t)=t+b \quad\text{or}\quad f(b+t)=a+t. \] In either case, \(a=b\). Moreover, (1) with \(x=0\) gives \[ f(f(0))=f(0), \] so injectivity implies \(f(0)=0\).
Let \[ S=\{s\in\mathbb{Q}:f(s)=s\}. \] We show that \(S\) is an additive subgroup of \(\mathbb{Q}\). We already have \(0\in S\). If \(s,t\in S\), both alternatives in the original condition give \[ f(s+t)=s+t, \] so \(s+t\in S\). If \(s\in S\), applying the condition to \((s,-s)\) gives either \[ f(s+f(-s))=0 \quad\text{or}\quad 0=s+f(-s). \] In the first case, injectivity and \(f(0)=0\) also imply \(s+f(-s)=0\). Thus \(-s\in S\).
We next prove that \[ f(x+s)=f(x)+s \qquad(x\in\mathbb{Q},\ s\in S). \tag{2} \] By (1) and the subgroup property, both \[ x+f(x+s)=\bigl(x+s+f(x+s)\bigr)-s \] and \[ x+s+f(x)=\bigl(x+f(x)\bigr)+s \] belong to \(S\). Applying the original condition to \((x,x+s)\), and using that \(f\) fixes both these arguments, gives in either alternative \[ x+f(x+s)=x+s+f(x). \] This proves (2).
Since \(y+f(y)\in S\), equation (2) gives \[ f(x+f(y))=f(x-y)+y+f(y). \] Similarly, \[ f(y+f(x))=f(y-x)+x+f(x). \] Consequently, the original condition implies that, for all \(x,y\in\mathbb{Q}\), \[ f(x-y)=f(x)-f(y) \quad\text{or}\quad f(y-x)=f(y)-f(x). \tag{3} \]
Define \[ e(x)=f(x)+f(-x). \] Applying (3) to the pair \((u+v,u)\) shows that \[ f(u+v)-f(u)-f(v)\in\{0,-e(v)\}. \] Interchanging \(u\) and \(v\) shows that the same expression belongs to \(\{0,-e(u)\}\). Therefore \[ e(u)\ne e(v) \quad\Longrightarrow\quad f(u+v)=f(u)+f(v). \tag{4} \]
Suppose now that \(e\) takes two distinct nonzero values: \[ e(u)=a,\qquad e(v)=b,\qquad a\ne b,\quad ab\ne0. \] By (4), and then by (4) applied to \(-u,-v\), \[ f(u+v)=f(u)+f(v),\qquad f(-u-v)=f(-u)+f(-v). \] Adding gives \[ e(u+v)=a+b. \] Since \(b\ne0\), we have \(e(u+v)\ne a=e(-u)\). Applying (4) to \(u+v,-u\) therefore yields \[ f(v)=f(u+v)+f(-u) =f(u)+f(v)+f(-u) =f(v)+a, \] contradicting \(a\ne0\).
Thus \(e\) takes at most one nonzero value. Since \(e(0)=0\), it takes at most two values, proving \(c\le2\).
To prove sharpness, define \[ f(x)=2\lfloor x\rfloor-x \qquad(x\in\mathbb{Q}). \] Write \[ x=m+u,\qquad y=n+v, \] where \(m,n\in\mathbb{Z}\) and \(0\le u,v<1\). Then \[ f(x)=m-u,\qquad f(y)=n-v. \] If \(u\ge v\), we have \(0\le u-v<1\), so \[ \begin{aligned} f(x+f(y)) &=f(m+n+u-v)\\ &=m+n-u+v\\ &=f(x)+y. \end{aligned} \] If \(u\le v\), the same calculation with \(x,y\) interchanged gives \[ f(f(x)+y)=x+f(y). \] These cases cover all pairs, including \(u=v\), so \(f\) is aquaesulian.
Finally, \[ f(r)+f(-r) =2\bigl(\lfloor r\rfloor+\lfloor-r\rfloor\bigr) = \begin{cases} 0,&r\in\mathbb{Z},\\ -2,&r\notin\mathbb{Z}. \end{cases} \] Both values occur for rational \(r\), for example at \(r=0\) and \(r=\tfrac12\). Hence \(c\ge2\), completing the proof that \(\boxed{c=2}\).
The solution was checked against the official IMO shortlist solutions.
IMO 2024 · Aufgabe 6
Es sei \(\mathbb{Q}\) die Menge der rationalen Zahlen. Eine Funktion \(f:\mathbb{Q}\to\mathbb{Q}\) heißt aquäsulisch, wenn sie die folgende Eigenschaft hat: für alle \(x,y\in\mathbb{Q}\) gilt \[ f(x+f(y))=f(x)+y \qquad\text{oder}\qquad f(f(x)+y)=x+f(y). \]
Man zeige, dass es eine ganze Zahl \(c\) gibt, sodass es für jede aquäsulische Funktion \(f\) höchstens \(c\) verschiedene rationale Zahlen der Form \(f(r)+f(-r)\) mit rationalem \(r\) gibt, und man bestimme den kleinstmöglichen Wert für ein solches \(c\).
Offizieller deutscher Aufgabentext. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Antwort
\[ \boxed{c=2}. \]
Lösung
Sei \(f\) aquäsulisch. Setzen wir \(x=y\) in der gegebenen Bedingung, so erhalten wir \[ f(x+f(x))=x+f(x) \qquad(x\in\mathbb{Q}). \tag{1} \]
Zunächst ist \(f\) injektiv. Nehmen wir dazu \(f(a)=f(b)=t\) an. Nach (1) gilt \[ f(a+t)=a+t,\qquad f(b+t)=b+t. \] Die ursprüngliche Bedingung, angewandt auf \((a,b)\), liefert entweder \[ f(a+t)=t+b \quad\text{oder}\quad f(b+t)=a+t. \] In beiden Fällen gilt \(a=b\). Außerdem ergibt (1) mit \(x=0\) \[ f(f(0))=f(0), \] also folgt aus der Injektivität \(f(0)=0\).
Sei \[ S=\{s\in\mathbb{Q}:f(s)=s\}. \] Wir zeigen, dass \(S\) eine additive Untergruppe von \(\mathbb{Q}\) ist. Wir wissen bereits, dass \(0\in S\) gilt. Sind \(s,t\in S\), so liefern beide Alternativen der ursprünglichen Bedingung \[ f(s+t)=s+t, \] also gilt \(s+t\in S\). Ist \(s\in S\), so ergibt die Anwendung der Bedingung auf \((s,-s)\) entweder \[ f(s+f(-s))=0 \quad\text{oder}\quad 0=s+f(-s). \] Im ersten Fall folgt aus der Injektivität und \(f(0)=0\) ebenfalls \(s+f(-s)=0\). Somit gilt \(-s\in S\).
Als Nächstes beweisen wir \[ f(x+s)=f(x)+s \qquad(x\in\mathbb{Q},\ s\in S). \tag{2} \] Nach (1) und der Untergruppeneigenschaft gehören sowohl \[ x+f(x+s)=\bigl(x+s+f(x+s)\bigr)-s \] als auch \[ x+s+f(x)=\bigl(x+f(x)\bigr)+s \] zu \(S\). Wenden wir die ursprüngliche Bedingung auf \((x,x+s)\) an und nutzen, dass \(f\) diese beiden Argumente fest lässt, so erhalten wir in beiden Alternativen \[ x+f(x+s)=x+s+f(x). \] Dies beweist (2).
Wegen \(y+f(y)\in S\) liefert Gleichung (2) \[ f(x+f(y))=f(x-y)+y+f(y). \] Analog gilt \[ f(y+f(x))=f(y-x)+x+f(x). \] Folglich impliziert die ursprüngliche Bedingung, dass für alle \(x,y\in\mathbb{Q}\) \[ f(x-y)=f(x)-f(y) \quad\text{oder}\quad f(y-x)=f(y)-f(x). \tag{3} \]
Wir definieren \[ e(x)=f(x)+f(-x). \] Die Anwendung von (3) auf das Paar \((u+v,u)\) zeigt, dass \[ f(u+v)-f(u)-f(v)\in\{0,-e(v)\}. \] Durch Vertauschen von \(u\) und \(v\) sehen wir, dass derselbe Ausdruck zu \(\{0,-e(u)\}\) gehört. Daher gilt \[ e(u)\ne e(v) \quad\Longrightarrow\quad f(u+v)=f(u)+f(v). \tag{4} \]
Nehmen wir nun an, dass \(e\) zwei verschiedene von null verschiedene Werte annimmt: \[ e(u)=a,\qquad e(v)=b,\qquad a\ne b,\quad ab\ne0. \] Nach (4) und anschließend nach (4), angewandt auf \(-u,-v\), gilt \[ f(u+v)=f(u)+f(v),\qquad f(-u-v)=f(-u)+f(-v). \] Addition ergibt \[ e(u+v)=a+b. \] Wegen \(b\ne0\) gilt \(e(u+v)\ne a=e(-u)\). Die Anwendung von (4) auf \(u+v,-u\) liefert daher \[ f(v)=f(u+v)+f(-u) =f(u)+f(v)+f(-u) =f(v)+a, \] im Widerspruch zu \(a\ne0\).
Somit nimmt \(e\) höchstens einen von null verschiedenen Wert an. Wegen \(e(0)=0\) nimmt es höchstens zwei Werte an, was \(c\le2\) beweist.
Um zu zeigen, dass diese Schranke scharf ist, definieren wir \[ f(x)=2\lfloor x\rfloor-x \qquad(x\in\mathbb{Q}). \] Wir schreiben \[ x=m+u,\qquad y=n+v, \] wobei \(m,n\in\mathbb{Z}\) und \(0\le u,v<1\) gelten. Dann ist \[ f(x)=m-u,\qquad f(y)=n-v. \] Ist \(u\ge v\), so gilt \(0\le u-v<1\), also \[ \begin{aligned} f(x+f(y)) &=f(m+n+u-v)\\ &=m+n-u+v\\ &=f(x)+y. \end{aligned} \] Ist \(u\le v\), so ergibt dieselbe Rechnung mit vertauschten \(x,y\) \[ f(f(x)+y)=x+f(y). \] Diese Fälle erfassen alle Paare, einschließlich \(u=v\), also ist \(f\) aquäsulisch.
Schließlich gilt \[ f(r)+f(-r) =2\bigl(\lfloor r\rfloor+\lfloor-r\rfloor\bigr) = \begin{cases} 0,&r\in\mathbb{Z},\\ -2,&r\notin\mathbb{Z}. \end{cases} \] Beide Werte treten für rationale \(r\) auf, beispielsweise bei \(r=0\) und \(r=\tfrac12\). Daher gilt \(c\ge2\), womit der Beweis von \(\boxed{c=2}\) abgeschlossen ist.
Die Lösung wurde mit den offiziellen Lösungen der IMO-Shortlist abgeglichen.
IMO 2024 · Soru 6
Rasyonel sayıların kümesi \(\mathbb Q\) ile gösterilsin. Bir \(f:\mathbb Q\to\mathbb Q\) fonksiyonu, her \(x,y\in\mathbb Q\) için \[ f(x+f(y))=f(x)+y\qquad\text{veya}\qquad f(f(x)+y)=x+f(y) \] eşitliklerinden en az birini sağlıyorsa, bu \(f\) fonksiyonuna iyi diyelim.
Öyle bir \(c\) tam sayısının bulunduğunu gösteriniz ki her \(f\) iyi fonksiyonu için \(r\) rasyonel sayı olmak üzere \(f(r)+f(-r)\) şeklinde ifade edilebilen birbirinden farklı rasyonel sayıların sayısı en fazla \(c\) dir. \(c\) sayısının alabileceği en küçük değeri bulunuz.
Sorunun resmi Türkçe metni. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Cevap
\[ \boxed{c=2}. \]
Çözüm
\(f\) iyi bir fonksiyon olsun. Verilen koşulda \(x=y\) alarak \[ f(x+f(x))=x+f(x) \qquad(x\in\mathbb{Q}) \tag{1} \] elde ederiz.
Öncelikle, \(f\) bire birdir. Gerçekten de \(f(a)=f(b)=t\) olduğunu varsayalım. (1) gereği, \[ f(a+t)=a+t,\qquad f(b+t)=b+t. \] Asıl koşulu \((a,b)\) ikilisine uygulayınca \[ f(a+t)=t+b \quad\text{veya}\quad f(b+t)=a+t \] elde edilir. Her iki durumda da \(a=b\) olur. Üstelik (1) eşitliğinde \(x=0\) alarak \[ f(f(0))=f(0) \] elde ederiz; böylece bire birlikten \(f(0)=0\) çıkar.
\[ S=\{s\in\mathbb{Q}:f(s)=s\} \] olsun. \(S\) kümesinin \(\mathbb{Q}\) kümesinin toplamsal bir alt grubu olduğunu gösterelim. \(0\in S\) olduğunu zaten biliyoruz. \(s,t\in S\) ise asıl koşuldaki her iki seçenek de \[ f(s+t)=s+t \] eşitliğini verir; dolayısıyla \(s+t\in S\) olur. \(s\in S\) ise koşulu \((s,-s)\) ikilisine uygulayarak \[ f(s+f(-s))=0 \quad\text{veya}\quad 0=s+f(-s) \] elde ederiz. İlk durumda da bire birlik ve \(f(0)=0\) eşitliği \(s+f(-s)=0\) sonucunu verir. Böylece \(-s\in S\) olur.
Şimdi \[ f(x+s)=f(x)+s \qquad(x\in\mathbb{Q},\ s\in S) \tag{2} \] olduğunu ispatlayalım. (1) ve alt grup özelliği gereği, hem \[ x+f(x+s)=\bigl(x+s+f(x+s)\bigr)-s \] hem de \[ x+s+f(x)=\bigl(x+f(x)\bigr)+s \] \(S\) kümesine aittir. Asıl koşulu \((x,x+s)\) ikilisine uygulayıp \(f\) fonksiyonunun bu iki girdiyi de sabit bıraktığını kullanarak, her iki seçenekte de \[ x+f(x+s)=x+s+f(x) \] elde ederiz. Bu, (2) eşitliğini ispatlar.
\(y+f(y)\in S\) olduğundan, (2) eşitliği \[ f(x+f(y))=f(x-y)+y+f(y) \] sonucunu verir. Benzer şekilde, \[ f(y+f(x))=f(y-x)+x+f(x). \] Dolayısıyla asıl koşuldan, tüm \(x,y\in\mathbb{Q}\) için \[ f(x-y)=f(x)-f(y) \quad\text{veya}\quad f(y-x)=f(y)-f(x) \tag{3} \] elde edilir.
\[ e(x)=f(x)+f(-x) \] olarak tanımlayalım. (3) bağıntısını \((u+v,u)\) ikilisine uygulayarak \[ f(u+v)-f(u)-f(v)\in\{0,-e(v)\} \] elde ederiz. \(u\) ile \(v\) yer değiştirdiğinde aynı ifadenin \(\{0,-e(u)\}\) kümesine de ait olduğu görülür. Bu nedenle \[ e(u)\ne e(v) \quad\Longrightarrow\quad f(u+v)=f(u)+f(v). \tag{4} \]
Şimdi \(e\) fonksiyonunun sıfırdan farklı iki farklı değer aldığını varsayalım: \[ e(u)=a,\qquad e(v)=b,\qquad a\ne b,\quad ab\ne0. \] (4) bağıntısından ve ardından (4) bağıntısının \(-u,-v\) için uygulanmasından \[ f(u+v)=f(u)+f(v),\qquad f(-u-v)=f(-u)+f(-v) \] elde edilir. Toplayarak \[ e(u+v)=a+b \] buluruz. \(b\ne0\) olduğundan, \(e(u+v)\ne a=e(-u)\) olur. Bu nedenle (4) bağıntısını \(u+v,-u\) için uygulayarak \[ f(v)=f(u+v)+f(-u) =f(u)+f(v)+f(-u) =f(v)+a \] elde ederiz; bu ise \(a\ne0\) ile çelişir.
Böylece \(e\) en fazla bir sıfırdan farklı değer alır. \(e(0)=0\) olduğundan, en fazla iki değer alır; bu da \(c\le2\) olduğunu ispatlar.
Sınırın elde edilebildiğini ispatlamak için \[ f(x)=2\lfloor x\rfloor-x \qquad(x\in\mathbb{Q}) \] olarak tanımlayalım. \[ x=m+u,\qquad y=n+v \] yazalım; burada \(m,n\in\mathbb{Z}\) ve \(0\le u,v<1\) olsun. O zaman \[ f(x)=m-u,\qquad f(y)=n-v. \] \(u\ge v\) ise \(0\le u-v<1\) olur; dolayısıyla \[ \begin{aligned} f(x+f(y)) &=f(m+n+u-v)\\ &=m+n-u+v\\ &=f(x)+y. \end{aligned} \] \(u\le v\) ise aynı hesaplamada \(x,y\) yer değiştirilerek \[ f(f(x)+y)=x+f(y) \] elde edilir. Bu durumlar, \(u=v\) dâhil tüm ikilileri kapsar; dolayısıyla \(f\) iyi bir fonksiyondur.
Son olarak, \[ f(r)+f(-r) =2\bigl(\lfloor r\rfloor+\lfloor-r\rfloor\bigr) = \begin{cases} 0,&r\in\mathbb{Z},\\ -2,&r\notin\mathbb{Z}. \end{cases} \] Her iki değer de rasyonel \(r\) değerleri için, örneğin \(r=0\) ve \(r=\tfrac12\) için, elde edilir. Dolayısıyla \(c\ge2\) olur ve \(\boxed{c=2}\) olduğunun ispatı tamamlanır.
Çözüm, resmi IMO shortlist çözümleriyle karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 2024 · Problema 6
Sea \(\mathbb{Q}\) el conjunto de los números racionales. Una función \(f:\mathbb{Q}\to\mathbb{Q}\) se llama acuaesuliana si se satisface la siguiente propiedad: para cada \(x,y\in\mathbb{Q}\), \[ f(x+f(y))=f(x)+y \qquad\text{o}\qquad f(f(x)+y)=x+f(y). \]
Demostrar que existe un entero \(c\) tal que para toda función acuaesuliana \(f\) hay a lo más \(c\) números racionales distintos de la forma \(f(r)+f(-r)\) para algún número racional \(r\), y encontrar el menor valor posible de \(c\).
Texto oficial en español del problema. Enunciado oficial (PDF)
Respuesta
\[ \boxed{c=2}. \]
Solución
Sea \(f\) acuaesuliana. Al tomar \(x=y\) en la condición dada, obtenemos \[ f(x+f(x))=x+f(x) \qquad(x\in\mathbb{Q}). \tag{1} \]
Primero, \(f\) es inyectiva. En efecto, supongamos que \(f(a)=f(b)=t\). Por (1), \[ f(a+t)=a+t,\qquad f(b+t)=b+t. \] La condición original aplicada a \((a,b)\) da \[ f(a+t)=t+b \quad\text{o}\quad f(b+t)=a+t. \] En cualquiera de los dos casos, \(a=b\). Además, (1) con \(x=0\) da \[ f(f(0))=f(0), \] por lo que la inyectividad implica \(f(0)=0\).
Sea \[ S=\{s\in\mathbb{Q}:f(s)=s\}. \] Demostramos que \(S\) es un subgrupo aditivo de \(\mathbb{Q}\). Ya tenemos \(0\in S\). Si \(s,t\in S\), ambas alternativas de la condición original dan \[ f(s+t)=s+t, \] por lo que \(s+t\in S\). Si \(s\in S\), al aplicar la condición a \((s,-s)\) obtenemos \[ f(s+f(-s))=0 \quad\text{o}\quad 0=s+f(-s). \] En el primer caso, la inyectividad y \(f(0)=0\) también implican \(s+f(-s)=0\). Por tanto, \(-s\in S\).
A continuación demostramos que \[ f(x+s)=f(x)+s \qquad(x\in\mathbb{Q},\ s\in S). \tag{2} \] Por (1) y la propiedad de subgrupo, tanto \[ x+f(x+s)=\bigl(x+s+f(x+s)\bigr)-s \] como \[ x+s+f(x)=\bigl(x+f(x)\bigr)+s \] pertenecen a \(S\). Al aplicar la condición original a \((x,x+s)\), y usar que \(f\) deja fijos ambos argumentos, obtenemos en cualquiera de las dos alternativas \[ x+f(x+s)=x+s+f(x). \] Esto demuestra (2).
Como \(y+f(y)\in S\), la ecuación (2) da \[ f(x+f(y))=f(x-y)+y+f(y). \] Análogamente, \[ f(y+f(x))=f(y-x)+x+f(x). \] Por consiguiente, la condición original implica que, para todos \(x,y\in\mathbb{Q}\), \[ f(x-y)=f(x)-f(y) \quad\text{o}\quad f(y-x)=f(y)-f(x). \tag{3} \]
Definimos \[ e(x)=f(x)+f(-x). \] Al aplicar (3) a la pareja \((u+v,u)\), vemos que \[ f(u+v)-f(u)-f(v)\in\{0,-e(v)\}. \] Al intercambiar \(u\) y \(v\), vemos que la misma expresión pertenece a \(\{0,-e(u)\}\). Por tanto, \[ e(u)\ne e(v) \quad\Longrightarrow\quad f(u+v)=f(u)+f(v). \tag{4} \]
Supongamos ahora que \(e\) toma dos valores distintos no nulos: \[ e(u)=a,\qquad e(v)=b,\qquad a\ne b,\quad ab\ne0. \] Por (4), y después por (4) aplicada a \(-u,-v\), \[ f(u+v)=f(u)+f(v),\qquad f(-u-v)=f(-u)+f(-v). \] Al sumar, obtenemos \[ e(u+v)=a+b. \] Como \(b\ne0\), tenemos \(e(u+v)\ne a=e(-u)\). Por tanto, al aplicar (4) a \(u+v,-u\), obtenemos \[ f(v)=f(u+v)+f(-u) =f(u)+f(v)+f(-u) =f(v)+a, \] lo que contradice \(a\ne0\).
Así pues, \(e\) toma a lo más un valor no nulo. Como \(e(0)=0\), toma a lo más dos valores, lo que demuestra que \(c\le2\).
Para demostrar que la cota es óptima, definimos \[ f(x)=2\lfloor x\rfloor-x \qquad(x\in\mathbb{Q}). \] Escribimos \[ x=m+u,\qquad y=n+v, \] donde \(m,n\in\mathbb{Z}\) y \(0\le u,v<1\). Entonces \[ f(x)=m-u,\qquad f(y)=n-v. \] Si \(u\ge v\), tenemos \(0\le u-v<1\), por lo que \[ \begin{aligned} f(x+f(y)) &=f(m+n+u-v)\\ &=m+n-u+v\\ &=f(x)+y. \end{aligned} \] Si \(u\le v\), el mismo cálculo con \(x,y\) intercambiados da \[ f(f(x)+y)=x+f(y). \] Estos casos cubren todas las parejas, incluido \(u=v\), por lo que \(f\) es acuaesuliana.
Finalmente, \[ f(r)+f(-r) =2\bigl(\lfloor r\rfloor+\lfloor-r\rfloor\bigr) = \begin{cases} 0,&r\in\mathbb{Z},\\ -2,&r\notin\mathbb{Z}. \end{cases} \] Ambos valores se alcanzan para \(r\) racional, por ejemplo en \(r=0\) y \(r=\tfrac12\). Por tanto, \(c\ge2\), lo que completa la demostración de que \(\boxed{c=2}\).
La solución se comprobó con las soluciones oficiales de la shortlist de la IMO.
IMO 2024 · 问题 6
记 \(\mathbb Q\) 是所有有理数的集合。一个函数 \(f:\mathbb Q\to\mathbb Q\) 称为神奇函数,如果对任意 \(x,y\in\mathbb Q\) 均有:下述两个等式 \[ f(x+f(y))=f(x)+y\quad\text{与}\quad f(f(x)+y)=x+f(y) \] 至少有一个成立。
证明:存在整数 \(c\) 满足对任意一个神奇函数 \(f\),至多存在 \(c\) 个两两不同的有理数可以表示为 \(f(r)+f(-r)\) 的形式(\(r\in\mathbb Q\))。并求满足上述要求的最小整数 \(c\)。
题目为官方中文译本。 官方试卷 (PDF)
答案
\[ \boxed{c=2}. \]
解答
设 \(f\) 为神奇函数。在题设条件中取 \(x=y\),得 \[ f(x+f(x))=x+f(x) \qquad(x\in\mathbb{Q}). \tag{1} \]
首先,\(f\) 是单射。事实上,设 \(f(a)=f(b)=t\)。由 (1), \[ f(a+t)=a+t,\qquad f(b+t)=b+t. \] 将原条件应用于 \((a,b)\),得 \[ f(a+t)=t+b \quad\text{或}\quad f(b+t)=a+t. \] 无论哪种情形,都有 \(a=b\)。此外,在 (1) 中取 \(x=0\),得 \[ f(f(0))=f(0), \] 因此由单射性可知 \(f(0)=0\)。
令 \[ S=\{s\in\mathbb{Q}:f(s)=s\}. \] 我们证明 \(S\) 是 \(\mathbb{Q}\) 的一个加法子群。已经知道 \(0\in S\)。若 \(s,t\in S\),则原条件中的两种情形均给出 \[ f(s+t)=s+t, \] 故 \(s+t\in S\)。若 \(s\in S\),将条件应用于 \((s,-s)\),得 \[ f(s+f(-s))=0 \quad\text{或}\quad 0=s+f(-s). \] 在第一种情形中,由单射性和 \(f(0)=0\) 也可推出 \(s+f(-s)=0\)。因此 \(-s\in S\)。
接下来证明 \[ f(x+s)=f(x)+s \qquad(x\in\mathbb{Q},\ s\in S). \tag{2} \] 由 (1) 和子群性质, \[ x+f(x+s)=\bigl(x+s+f(x+s)\bigr)-s \] 以及 \[ x+s+f(x)=\bigl(x+f(x)\bigr)+s \] 都属于 \(S\)。将原条件应用于 \((x,x+s)\),并利用 \(f\) 将这两个自变量映到自身,无论哪种情形都得到 \[ x+f(x+s)=x+s+f(x). \] 这就证明了 (2)。
由于 \(y+f(y)\in S\),由等式 (2) 得 \[ f(x+f(y))=f(x-y)+y+f(y). \] 同理, \[ f(y+f(x))=f(y-x)+x+f(x). \] 因此,由原条件可知,对所有 \(x,y\in\mathbb{Q}\), \[ f(x-y)=f(x)-f(y) \quad\text{或}\quad f(y-x)=f(y)-f(x). \tag{3} \]
定义 \[ e(x)=f(x)+f(-x). \] 将 (3) 应用于数对 \((u+v,u)\),可知 \[ f(u+v)-f(u)-f(v)\in\{0,-e(v)\}. \] 交换 \(u\) 和 \(v\),可知同一表达式也属于 \(\{0,-e(u)\}\)。因此 \[ e(u)\ne e(v) \quad\Longrightarrow\quad f(u+v)=f(u)+f(v). \tag{4} \]
现在假设 \(e\) 取到两个不同的非零值: \[ e(u)=a,\qquad e(v)=b,\qquad a\ne b,\quad ab\ne0. \] 由 (4),再将 (4) 应用于 \(-u,-v\),得 \[ f(u+v)=f(u)+f(v),\qquad f(-u-v)=f(-u)+f(-v). \] 相加得 \[ e(u+v)=a+b. \] 由于 \(b\ne0\),有 \(e(u+v)\ne a=e(-u)\)。因此,将 (4) 应用于 \(u+v,-u\),得 \[ f(v)=f(u+v)+f(-u) =f(u)+f(v)+f(-u) =f(v)+a, \] 这与 \(a\ne0\) 矛盾。
因此,\(e\) 至多取到一个非零值。由于 \(e(0)=0\),它至多取到两个值,从而证明了 \(c\le2\)。
为证明此界可以达到,定义 \[ f(x)=2\lfloor x\rfloor-x \qquad(x\in\mathbb{Q}). \] 写成 \[ x=m+u,\qquad y=n+v, \] 其中 \(m,n\in\mathbb{Z}\) 且 \(0\le u,v<1\)。于是 \[ f(x)=m-u,\qquad f(y)=n-v. \] 若 \(u\ge v\),则 \(0\le u-v<1\),故 \[ \begin{aligned} f(x+f(y)) &=f(m+n+u-v)\\ &=m+n-u+v\\ &=f(x)+y. \end{aligned} \] 若 \(u\le v\),交换 \(x,y\) 后进行同样的计算,得 \[ f(f(x)+y)=x+f(y). \] 这些情形涵盖了所有数对,包括 \(u=v\),因此 \(f\) 是神奇函数。
最后, \[ f(r)+f(-r) =2\bigl(\lfloor r\rfloor+\lfloor-r\rfloor\bigr) = \begin{cases} 0,&r\in\mathbb{Z},\\ -2,&r\notin\mathbb{Z}. \end{cases} \] 对有理数 \(r\),这两个值都能取到,例如分别在 \(r=0\) 和 \(r=\tfrac12\) 时取到。因此 \(c\ge2\),从而完成了 \(\boxed{c=2}\) 的证明。
解答已与 IMO 官方预选题(shortlist)解答核对。
IMO 2024 · Задача 6
Пусть \(\mathbb{Q}\) — множество всех рациональных чисел. Функция \(f:\mathbb{Q}\to\mathbb{Q}\) называется смежной, если выполнено следующее условие: для любых \(x,y\in\mathbb{Q}\) имеем \[ f(x+f(y))=f(x)+y\qquad\text{или}\qquad f(f(x)+y)=x+f(y). \]
Докажите, что существует целое число \(c\) такое, что для любой смежной функции \(f\) имеется не более \(c\) различных рациональных чисел вида \(f(r)+f(-r)\) для какого-то рационального \(r\), и найдите наименьшее возможное значение \(c\).
Официальный русский текст задачи. Официальный текст задач (PDF)
Ответ
\[ \boxed{c=2}. \]
Решение
Пусть \(f\) — смежная функция. Подставляя \(x=y\) в данное условие, получаем \[ f(x+f(x))=x+f(x) \qquad(x\in\mathbb{Q}). \tag{1} \]
Сначала докажем, что \(f\) инъективна. Действительно, предположим, что \(f(a)=f(b)=t\). По (1) \[ f(a+t)=a+t,\qquad f(b+t)=b+t. \] Применяя исходное условие к \((a,b)\), получаем либо \[ f(a+t)=t+b \quad\text{либо}\quad f(b+t)=a+t. \] В обоих случаях \(a=b\). Кроме того, из (1) при \(x=0\) получаем \[ f(f(0))=f(0), \] поэтому из инъективности следует \(f(0)=0\).
Пусть \[ S=\{s\in\mathbb{Q}:f(s)=s\}. \] Покажем, что \(S\) — аддитивная подгруппа \(\mathbb{Q}\). Уже известно, что \(0\in S\). Если \(s,t\in S\), то обе альтернативы исходного условия дают \[ f(s+t)=s+t, \] так что \(s+t\in S\). Если \(s\in S\), то, применяя условие к \((s,-s)\), получаем либо \[ f(s+f(-s))=0 \quad\text{либо}\quad 0=s+f(-s). \] В первом случае из инъективности и \(f(0)=0\) также следует \(s+f(-s)=0\). Таким образом, \(-s\in S\).
Далее докажем, что \[ f(x+s)=f(x)+s \qquad(x\in\mathbb{Q},\ s\in S). \tag{2} \] В силу (1) и того, что \(S\) — подгруппа, оба числа \[ x+f(x+s)=\bigl(x+s+f(x+s)\bigr)-s \] и \[ x+s+f(x)=\bigl(x+f(x)\bigr)+s \] принадлежат \(S\). Применяя исходное условие к \((x,x+s)\) и учитывая, что \(f\) оставляет оба этих аргумента неподвижными, в каждой из альтернатив получаем \[ x+f(x+s)=x+s+f(x). \] Это доказывает (2).
Поскольку \(y+f(y)\in S\), из равенства (2) получаем \[ f(x+f(y))=f(x-y)+y+f(y). \] Аналогично, \[ f(y+f(x))=f(y-x)+x+f(x). \] Следовательно, из исходного условия вытекает, что для всех \(x,y\in\mathbb{Q}\) \[ f(x-y)=f(x)-f(y) \quad\text{или}\quad f(y-x)=f(y)-f(x). \tag{3} \]
Определим \[ e(x)=f(x)+f(-x). \] Применяя (3) к паре \((u+v,u)\), получаем \[ f(u+v)-f(u)-f(v)\in\{0,-e(v)\}. \] Меняя \(u\) и \(v\) местами, видим, что то же выражение принадлежит \(\{0,-e(u)\}\). Поэтому \[ e(u)\ne e(v) \quad\Longrightarrow\quad f(u+v)=f(u)+f(v). \tag{4} \]
Предположим теперь, что \(e\) принимает два различных ненулевых значения: \[ e(u)=a,\qquad e(v)=b,\qquad a\ne b,\quad ab\ne0. \] По (4), а затем по (4), применённому к \(-u,-v\), \[ f(u+v)=f(u)+f(v),\qquad f(-u-v)=f(-u)+f(-v). \] Складывая, получаем \[ e(u+v)=a+b. \] Поскольку \(b\ne0\), имеем \(e(u+v)\ne a=e(-u)\). Поэтому, применяя (4) к \(u+v,-u\), получаем \[ f(v)=f(u+v)+f(-u) =f(u)+f(v)+f(-u) =f(v)+a, \] что противоречит \(a\ne0\).
Таким образом, \(e\) принимает не более одного ненулевого значения. Поскольку \(e(0)=0\), она принимает не более двух значений, что доказывает \(c\le2\).
Чтобы доказать точность оценки, определим \[ f(x)=2\lfloor x\rfloor-x \qquad(x\in\mathbb{Q}). \] Запишем \[ x=m+u,\qquad y=n+v, \] где \(m,n\in\mathbb{Z}\) и \(0\le u,v<1\). Тогда \[ f(x)=m-u,\qquad f(y)=n-v. \] Если \(u\ge v\), то \(0\le u-v<1\), поэтому \[ \begin{aligned} f(x+f(y)) &=f(m+n+u-v)\\ &=m+n-u+v\\ &=f(x)+y. \end{aligned} \] Если \(u\le v\), то такое же вычисление с переставленными \(x,y\) даёт \[ f(f(x)+y)=x+f(y). \] Эти случаи охватывают все пары, включая \(u=v\), поэтому \(f\) — смежная функция.
Наконец, \[ f(r)+f(-r) =2\bigl(\lfloor r\rfloor+\lfloor-r\rfloor\bigr) = \begin{cases} 0,&r\in\mathbb{Z},\\ -2,&r\notin\mathbb{Z}. \end{cases} \] Оба значения достигаются при рациональных \(r\), например при \(r=0\) и \(r=\tfrac12\). Значит, \(c\ge2\), что завершает доказательство равенства \(\boxed{c=2}\).
Решение проверено по официальным решениям шортлиста IMO.
IMO 2024 · المسألة 6
لتكن \(\mathbb Q\) مجموعة الأعداد النسبية. تسمى الدالة \(f:\mathbb Q\to\mathbb Q\) مائية إذا تحققت الخاصية التالية: لكل \(x,y\in\mathbb Q\)، \[ f(x+f(y))=f(x)+y \qquad\text{أو}\qquad f(f(x)+y)=x+f(y). \] أثبت أنه يوجد عدد صحيح \(c\) بحيث لأي دالة مائية \(f\) هناك على الأكثر \(c\) عدداً نسبياً مختلفاً على الشكل \(f(r)+f(-r)\) لعدد نسبي \(r\)، وأوجد أصغر قيمة ممكنة لـ \(c\).
نص المسألة هو الترجمة العربية الرسمية. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الإجابة
\[ \boxed{c=2}. \]
الحل
لتكن \(f\) مائية. بوضع \(x=y\) في الشرط المعطى نحصل على \[ f(x+f(x))=x+f(x) \qquad(x\in\mathbb{Q}). \tag{1} \]
أولاً، الدالة \(f\) متباينة. بالفعل، لنفترض أن \(f(a)=f(b)=t\). بحسب (1)، \[ f(a+t)=a+t,\qquad f(b+t)=b+t. \] وبتطبيق الشرط الأصلي على \((a,b)\) نحصل إما على \[ f(a+t)=t+b \quad\text{أو}\quad f(b+t)=a+t. \] في كلتا الحالتين، \(a=b\). علاوة على ذلك، تعطي (1) عند \(x=0\) \[ f(f(0))=f(0), \] ومن ثم يستلزم تباين الدالة أن \(f(0)=0\).
لتكن \[ S=\{s\in\mathbb{Q}:f(s)=s\}. \] نثبت أن \(S\) زمرة جزئية جمعية من \(\mathbb{Q}\). نعلم بالفعل أن \(0\in S\). إذا كان \(s,t\in S\)، فإن كلاً من البديلين في الشرط الأصلي يعطي \[ f(s+t)=s+t, \] ولذلك \(s+t\in S\). وإذا كان \(s\in S\)، فإن تطبيق الشرط على \((s,-s)\) يعطي إما \[ f(s+f(-s))=0 \quad\text{أو}\quad 0=s+f(-s). \] في الحالة الأولى، يستلزم تباين الدالة وكون \(f(0)=0\) أيضاً أن \(s+f(-s)=0\). إذن \(-s\in S\).
نثبت بعد ذلك أن \[ f(x+s)=f(x)+s \qquad(x\in\mathbb{Q},\ s\in S). \tag{2} \] بحسب (1) وخاصية الزمرة الجزئية، ينتمي كل من \[ x+f(x+s)=\bigl(x+s+f(x+s)\bigr)-s \] و \[ x+s+f(x)=\bigl(x+f(x)\bigr)+s \] إلى \(S\). بتطبيق الشرط الأصلي على \((x,x+s)\)، واستخدام كون \(f\) تثبّت كلاً من هذين المدخلين، نحصل في أي من البديلين على \[ x+f(x+s)=x+s+f(x). \] وهذا يثبت (2).
بما أن \(y+f(y)\in S\)، فإن المعادلة (2) تعطي \[ f(x+f(y))=f(x-y)+y+f(y). \] وبالمثل، \[ f(y+f(x))=f(y-x)+x+f(x). \] وبالتالي يستلزم الشرط الأصلي، لكل \(x,y\in\mathbb{Q}\)، أن \[ f(x-y)=f(x)-f(y) \quad\text{أو}\quad f(y-x)=f(y)-f(x). \tag{3} \]
نعرّف \[ e(x)=f(x)+f(-x). \] بتطبيق (3) على الزوج \((u+v,u)\) نجد أن \[ f(u+v)-f(u)-f(v)\in\{0,-e(v)\}. \] وبتبادل \(u\) و \(v\) نجد أن التعبير نفسه ينتمي إلى \(\{0,-e(u)\}\). لذلك \[ e(u)\ne e(v) \quad\Longrightarrow\quad f(u+v)=f(u)+f(v). \tag{4} \]
لنفترض الآن أن \(e\) تأخذ قيمتين مختلفتين غير صفريتين: \[ e(u)=a,\qquad e(v)=b,\qquad a\ne b,\quad ab\ne0. \] بحسب (4)، ثم بتطبيق (4) على \(-u,-v\)، نحصل على \[ f(u+v)=f(u)+f(v),\qquad f(-u-v)=f(-u)+f(-v). \] وبالجمع نحصل على \[ e(u+v)=a+b. \] بما أن \(b\ne0\)، فإن \(e(u+v)\ne a=e(-u)\). ولذلك فإن تطبيق (4) على \(u+v,-u\) يعطي \[ f(v)=f(u+v)+f(-u) =f(u)+f(v)+f(-u) =f(v)+a, \] وهذا يناقض \(a\ne0\).
إذن تأخذ \(e\) قيمة غير صفرية واحدة على الأكثر. وبما أن \(e(0)=0\)، فإنها تأخذ قيمتين على الأكثر، مما يثبت \(c\le2\).
لإثبات أن هذا الحد لا يمكن تحسينه، نعرّف \[ f(x)=2\lfloor x\rfloor-x \qquad(x\in\mathbb{Q}). \] نكتب \[ x=m+u,\qquad y=n+v, \] حيث \(m,n\in\mathbb{Z}\) و \(0\le u,v<1\). عندئذ \[ f(x)=m-u,\qquad f(y)=n-v. \] إذا كان \(u\ge v\)، فإن \(0\le u-v<1\)، ولذلك \[ \begin{aligned} f(x+f(y)) &=f(m+n+u-v)\\ &=m+n-u+v\\ &=f(x)+y. \end{aligned} \] وإذا كان \(u\le v\)، فإن الحساب نفسه مع تبادل \(x,y\) يعطي \[ f(f(x)+y)=x+f(y). \] تشمل هاتان الحالتان جميع الأزواج، بما فيها \(u=v\)، ومن ثم فإن \(f\) مائية.
أخيراً، \[ f(r)+f(-r) =2\bigl(\lfloor r\rfloor+\lfloor-r\rfloor\bigr) = \begin{cases} 0,&r\in\mathbb{Z},\\ -2,&r\notin\mathbb{Z}. \end{cases} \] تتحقق كلتا القيمتين لأعداد نسبية \(r\)، مثلاً عند \(r=0\) و \(r=\tfrac12\). ومن ثم \(c\ge2\)، وبذلك يكتمل إثبات أن \(\boxed{c=2}\).
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحلول الرسمية لقائمة IMO المختصرة.