Shortlist 2015, A4¶
Domaine : Algèbre · Difficulté : ★★★☆☆ · Proposé par : Albania
Concepts : Équations fonctionnelles : substitutions, injectivité, surjectivité
Solution officielle : Shortlist officielle 2015 (avec solutions), p. 16 (page 17 du PDF)
Problème 5 de l'OIM 2015
Ce problème a été choisi parmi ceux de la shortlist pour l'épreuve de l'OIM 2015, où il était le problème 5 (jour 2).
Énoncé¶
Find all functions \(f : \mathbb{R} \to \mathbb{R}\) satisfying the equation
for all real numbers \(x\) and \(y\).
Indices : les idées clés
- Équations fonctionnelles : substitutions, injectivité, surjectivité : les substitutions \(y = 1\), \(x = 0\), \(y = 0\), \(x = \pm 1\), \(y = -1\) fournissent toutes les relations utiles.
- Points fixes : \(y = 1\) montre que \(x + f(x+1)\) est un point fixe de \(f\) pour tout \(x\) ; on étudie ensuite quels réels peuvent être des points fixes.
- Disjonction selon \(f(0)\) : si \(f(0) \neq 0\), le seul point fixe possible est \(1\) ; si \(f(0) = 0\), on montre que \(f\) est impaire puis que \(f(y) = y\).
Solutions
Les solutions ci-dessous suivent la solution officielle de la Shortlist 2015 (une solution).
Réponse. Il y a deux solutions : \(f(x) = x\) et \(f(x) = 2 - x\).
Solution¶
On vérifie directement que \(x \mapsto x\) et \(x \mapsto 2 - x\) conviennent. Montrons que ce sont les seules. Soit \(f\) une solution de
En posant \(y = 1\) :
autrement dit \(x + f(x+1)\) est un point fixe de \(f\) pour tout réel \(x\). On distingue deux cas selon \(f(0)\).
Cas 1 : \(f(0) \neq 0\). Avec \(x = 0\) dans (1) :
Si \(y_0\) est un point fixe de \(f\), la substitution \(y = y_0\) donne \(y_0 + f(0) = y_0 + y_0 f(0)\), donc \(y_0 = 1\) puisque \(f(0) \neq 0\). D'après (2), \(x + f(x+1) = 1\) pour tout \(x\), c'est-à-dire \(f(x) = 2 - x\) pour tout réel \(x\).
Cas 2 : \(f(0) = 0\). Avec \(y = 0\) et en remplaçant \(x\) par \(x + 1\) dans (1) :
Avec \(x = 1\) dans (1) :
Avec \(x = -1\) dans (2), on obtient \(f(-1) = -1\). Puis \(y = -1\) dans (4) donne \(f(1) - 1 = 1 - f(1)\), donc \(f(1) = 1\). Ainsi (4) devient
Par conséquent, si \(y_0\) et \(y_0 + 1\) sont des points fixes de \(f\), alors (5) avec \(y = y_0\) donne \(f(y_0 + 2) = y_0 + 2\) : \(y_0 + 2\) est aussi un point fixe. D'après (2) et (3), \(x + f(x+1)\) et \(x + f(x+1) + 1\) sont des points fixes, donc \(x + f(x+1) + 2\) aussi :
En remplaçant \(x\) par \(x - 2\) :
D'autre part, \(y = -1\) dans (1) donne
En comparant, \(f(-x) = -f(x)\) pour tout réel \(x\) : \(f\) est impaire.
Enfin, en substituant \((x, y) \to (-1, -y)\) dans (1) et en utilisant \(f(-1) = -1\) :
Comme \(f\) est impaire, cela s'écrit
En ajoutant cette égalité à (5), on obtient \(2f(y) = 2y\), donc \(f(y) = y\) pour tout réel \(y\).
Les solutions sont donc exactement \(f(x) = x\) et \(f(x) = 2 - x\). \(\blacksquare\)