Maths Olympiad Prep

Library / /32 of 61

Algebra Difficulty 5.7 AIME, harder Prove it Ukraine

A function f:RRf : \mathbb{R} \to \mathbb{R} is such that for all x,yRx, y \in \mathbb{R}
f(x+2xy)=f(x)+2f(xy). f(x + 2xy) = f(x) + 2f(xy).
Given that f(2011)=2012f(2011) = 2012, find f(2012)f(2012).

Solution

Підставимо x=0x = 0 і одержимо, що f(0)=0f(0) = 0. Підставляючи до нашого функціонального рівняння y=1y = -1 та y=12y = -\frac{1}{2}, одержимо, що f(x)=f(x)f(-x) = -f(x) та f(x)=2f(x2)f(x) = 2f(\frac{x}{2}) для будь-яких дійсних xx. Далі, підставимо y=z2xy = \frac{z}{2x}, де x0x \neq 0, і одержимо, що f(x+z)=f(x)+f(z)f(x+z) = f(x) + f(z). Оскільки f(0+z)=0+f(z)=f(0)+f(z)f(0+z) = 0 + f(z) = f(0) + f(z), то рівність f(x+z)=f(x)+f(z)f(x+z) = f(x) + f(z) має місце для всіх дійсних xx і zz (позаяк кожен розв'язок функціонального рівняння адитивності, очевидно, задовольняє умову f(x+2xy)=f(x)+2f(xy)f(x+2xy) = f(x)+2f(xy), то ми встановили, що множини розв'язків цих рівнянь співпадають). Легко довести, що f(kx)=kf(x)f(kx) = kf(x) для довільних xRx \in \mathbb{R} і kZk \in \mathbb{Z}. Оскільки f(2011)=f(20111)=2011f(1)f(2011) = f(2011 \cdot 1) = 2011f(1), і за умовою f(2011)=2012f(2011) = 2012, то 2012=2011f(1)2012 = 2011f(1), f(1)=20122011f(1) = \frac{2012}{2011}, f(2012)=2012f(1)=201222011f(2012) = 2012f(1) = \frac{2012^2}{2011}.
Відповідь: f(2012)=201222011f(2012) = \frac{2012^2}{2011}.

Want a route through all this instead of an archive? The track puts 2,000 problems in a working order, from AMC 10 level to the IMO shortlist.

Source: MathNet, licensed CC-BY-4.0. Statement and solution reproduced as published; topic and difficulty added by this site.