Maths Olympiad Prep

Library / /18 of 152

Algebra Difficulty 5.4 AIME, harder Prove it Russia

A function f:RRf: \mathbb{R} \to \mathbb{R} is given. Assume that (f(x))2f(y)(f(x))^2 \le f(y) for every x>yx > y. Prove that each value of ff lies in [0,1][0, 1]. (A. Khrabrov)

Solution

По условию f(y)(f(y+1))20f(y) \ge (f(y+1))^2 \ge 0 для любого yy, поэтому все значения функции неотрицательны.

Пусть теперь f(x0)=1+a>1f(x_0) = 1 + a > 1 для некоторого x0x_0. Доказем индукцией по nn, что для любого y<x0y < x_0 верно неравенство f(y)>1+2naf(y) > 1 + 2^n a.

При n=1n = 1 имеем f(y)(f(x0))2=1+2a+a2>1+2af(y) \ge (f(x_0))^2 = 1 + 2a + a^2 > 1 + 2a.

Для перехода от nn к n+1n+1 заметим, что y<x0+y2<x0y < \frac{x_0+y}{2} < x_0, и поэтому f(x0+y2)>1+2naf(\frac{x_0+y}{2}) > 1 + 2^n a по предположению индукции. А тогда

f(y)(f(x0+y2))2=1+2n+1a+(2na)2>1+2n+1a, f(y) \ge \left(f\left(\frac{x_0+y}{2}\right)\right)^2 = 1 + 2^{n+1}a + (2^n a)^2 > 1 + 2^{n+1}a,
что и требовалось.

Итак, для любого фиксированного y<x0y < x_0 имеем f(y)>1+2naf(y) > 1 + 2^n a при любом натуральном nn. Но это невозможно, так как существует nn, при котором 2n>f(y)1a2^n > \frac{f(y)-1}{a}. Стало быть, f(x)1f(x) \le 1 при всех xx.

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 reproduced verbatim; metadata (topic, difficulty) added by this project.