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Shortlist 2022, A6

Domaine : Algèbre · Difficulté : ★★★★☆ · Proposé par : Indonesia

Concepts : Équations fonctionnelles : substitutions, injectivité, surjectivité · Partie entière et majorations

Solution officielle : Shortlist officielle 2022 (avec solutions), p. 18 (page 20 du PDF)

Énoncé

Let \(\mathbb{R}\) be the set of real numbers. We denote by \(\mathcal{F}\) the set of all functions \(f : \mathbb{R} \to \mathbb{R}\) such that

\[f\big(x + f(y)\big) = f(x) + f(y)\]

for every \(x, y \in \mathbb{R}\). Find all rational numbers \(q\) such that for every function \(f \in \mathcal{F}\), there exists some \(z \in \mathbb{R}\) satisfying \(f(z) = qz\).

Indices : les idées clés
  • Substitutions : \(P(0, kf(0))\) et \(P(-f(0), 0)\) donnent, par récurrence, \(f(kf(0)) = (k+1)f(0)\) pour tout entier \(k\), d'où les rationnels \(\frac{n+1}{n}\).
  • Partie entière : les fonctions \(f(x) = g(\{x\}) + \lfloor x \rfloor\), avec \(g\) à valeurs entières, sont toutes dans \(\mathcal{F}\).
  • Construire un contre-exemple : pour \(p \notin S\), on choisit \(g(\alpha) = m\) de sorte que \(m + n \neq p(\alpha + n)\) pour tout \(n \in \mathbb{Z}\), ce qui est possible car \(\frac{1}{p-1}\) n'est pas entier.
Solutions

Les solutions ci-dessous suivent les solutions officielles de la Shortlist 2022 (une solution).

Réponse : l'ensemble cherché est \(\left\{\dfrac{n+1}{n} : n \in \mathbb{Z},\ n \neq 0\right\}\).

Solution

Soit \(Z\) l'ensemble des rationnels \(q\) tels que, pour toute \(f \in \mathcal{F}\), il existe \(z \in \mathbb{R}\) avec \(f(z) = qz\). Posons

\[S = \left\{\frac{n+1}{n} : n \in \mathbb{Z},\ n \neq 0\right\}.\]

Nous montrons \(Z = S\) par double inclusion.

\(S \subseteq Z\). Soit \(f \in \mathcal{F}\) et notons \(P(x, y)\) la relation \(f(x + f(y)) = f(x) + f(y)\). D'abord, \(P(0, 0)\) donne \(f(f(0)) = 2f(0)\). Puis \(P(0, f(0))\) donne \(f(2f(0)) = 3f(0)\). Montrons que

\[f(kf(0)) = (k+1)f(0)\]

pour tout entier \(k \geq 1\), par récurrence. Les cas \(k = 1\) et \(k = 2\) sont établis. Si \(f(kf(0)) = (k+1)f(0)\), la substitution \(P(0, kf(0))\) donne

\[f\big((k+1)f(0)\big) = f(0) + f(kf(0)) = (k+2)f(0).\]

Ceci prouve l'affirmation. Avec \(z = kf(0)\), on a \(f(z) = \frac{k+1}{k} z\) ; donc \(\frac{k+1}{k} \in Z\) pour tout entier \(k \geq 1\).

Ensuite, \(P(-f(0), 0)\) donne \(f(-f(0)) = 0\). On montre de même, par récurrence, que

\[f(-kf(0)) = (-k+1)f(0)\]

pour tout entier \(k \geq 1\). Précision ajoutée : le livret dit seulement que la récurrence est « similaire » ; on peut utiliser \(P\big(-(k+1)f(0), 0\big)\), qui donne \(f(-kf(0)) = f(-(k+1)f(0)) + f(0)\), d'où \(f(-(k+1)f(0)) = (-k+1)f(0) - f(0) = -kf(0)\). On en déduit que \(\frac{-k+1}{-k} \in Z\) pour tout entier \(k \geq 1\). Ceci montre \(S \subseteq Z\).

\(Z \subseteq S\). Soit \(p\) un rationnel hors de \(S\). Nous voulons montrer que \(p \notin Z\), c'est-à-dire construire une fonction \(f \in \mathcal{F}\) telle que \(f(z) \neq pz\) pour tout \(z \in \mathbb{R}\). La stratégie consiste à construire d'abord une fonction

\[g : [0, 1) \to \mathbb{Z},\]

puis à définir \(f(x) = g(\{x\}) + \lfloor x \rfloor\) (partie entière \(\lfloor x \rfloor\) et partie fractionnaire \(\{x\}\)). Cette fonction est dans \(\mathcal{F}\). En effet, \(f(y)\) est un entier, donc

\[\begin{aligned} f(x + f(y)) &= g(\{x + f(y)\}) + \lfloor x + f(y) \rfloor \\ &= g\big(\{x + g(\{y\}) + \lfloor y \rfloor\}\big) + \big\lfloor x + g(\{y\}) + \lfloor y \rfloor \big\rfloor \\ &= g(\{x\}) + \lfloor x \rfloor + g(\{y\}) + \lfloor y \rfloor \\ &= f(x) + f(y), \end{aligned}\]

où l'on a utilisé que \(g\) ne prend que des valeurs entières.

Lemme 1. Pour tout \(\alpha \in [0, 1)\), il existe \(m \in \mathbb{Z}\) tel que

\[m + n \neq p(\alpha + n) \quad \text{pour tout } n \in \mathbb{Z}.\]

Preuve. Si \(p = 1\), l'affirmation est triviale (\(m + n \neq \alpha + n\) dès que \(m \neq \alpha\), par exemple \(m = 1\)). Si \(p \neq 1\), l'affirmation équivaut à l'existence d'un entier \(m\) tel que

\[\frac{m - p\alpha}{p - 1}\]

ne soit jamais un entier (en effet \(m + n = p(\alpha + n)\) équivaut à \(n = \frac{m - p\alpha}{p - 1}\)). Supposons le contraire. Alors

\[\frac{m - p\alpha}{p - 1} \quad \text{et} \quad \frac{(m+1) - p\alpha}{p - 1}\]

seraient tous deux entiers, ainsi que leur différence, qui vaut

\[\frac{1}{p - 1}.\]

Comme \(p \notin S\), \(\frac{1}{p-1}\) n'est pas un entier (si \(\frac{1}{p-1} = n\), alors \(p = \frac{n+1}{n} \in S\)). Contradiction. \(\square\)

Définissons \(g : [0, 1) \to \mathbb{Z}\) par \(g(\alpha) = m\), où \(m\) est un entier vérifiant la conclusion du lemme 1. On a \(f(z) \neq pz\) si et seulement si

\[g(\{z\}) + \lfloor z \rfloor \neq p\big(\{z\} + \lfloor z \rfloor\big),\]

ce qui est garanti par la construction de \(g\) (avec \(\alpha = \{z\}\) et \(n = \lfloor z \rfloor\)). Donc \(p \notin Z\), comme voulu. Ceci montre \(Z \subseteq S\). \(\blacksquare\)