Shortlist 2023, N8¶
Domaine : Théorie des nombres · Difficulté : ★★★★★ · Proposé par : Taiwan
Concepts : Équations fonctionnelles : substitutions, injectivité, surjectivité · Divisibilité, PGCD et algorithme d'Euclide · Fonctions arithmétiques : nombre de diviseurs, indicatrice d'Euler, somme des diviseurs · Théorème des restes chinois
Solution officielle : Shortlist officielle 2023 (avec solutions), p. 92 (page 94 du PDF)
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Énoncé¶
Let \(\mathbb{Z}_{>0}\) be the set of positive integers. Determine all functions \(f : \mathbb{Z}_{>0} \to \mathbb{Z}_{>0}\) such that
holds for all \(a, b \in \mathbb{Z}_{>0}\), where \(f^k(n) = f(f(\cdots f(n) \cdots))\) denotes the composition of \(f\) with itself \(k\) times.
Indices : les idées clés
- Équations fonctionnelles : substitutions, injectivité, surjectivité : on montre que \(f\) est injective et que son image est \(\mathbb{Z}_{\geq 2}\), puis on compare des itérées.
- Orbites et « descendants » : les itérées \(f^n(a)\) ne reviennent jamais en \(a\), ce qui permet de comparer les exposants quand deux itérées coïncident.
- Divisibilité : « si \(f(m) \mid f(n)\) alors \(m \leq n\) » contrôle les diviseurs de \(f(2)\) et \(f(3)\) (solution 1) ; \(f(\cdot - 1)\) préserve divisibilité, pgcd et ppcm (solution 4).
- Progression arithmétique (solutions 2 et 3) : une relation à trois indices force \(g(n) = f(f(n)-1)\), ou \(f^n(1)\), à être affine.
- Fonctions arithmétiques et restes chinois (solution 4) : une bijection qui respecte la divisibilité conserve le nombre de diviseurs, donc envoie les premiers sur les premiers ; deux progressions de raisons premières distinctes ont un terme commun.
Solutions
Les solutions ci-dessous suivent les solutions officielles de la Shortlist 2023 (quatre solutions).
Réponse. La seule fonction est \(f(n) = n + 1\) pour tout \(n \in \mathbb{Z}_{>0}\).
On note \(P(a, b)\) l'égalité \(f^{bf(a)}(a+1) = (a+1) f(b)\).
Solution 1¶
On procède en cinq étapes.
Étape 1 : \(f\) est injective.
Affirmation 1. Pour tout \(a \geq 2\), l'ensemble \(\{f^n(a) \mid n \in \mathbb{Z}_{>0}\}\) est infini.
Preuve. \(P(a, 1)\) donne \(f^{f(a)}(a+1) = (a+1) f(1)\) ; en faisant varier \(a\), on voit que \(f(\mathbb{Z}_{>0})\) est infini. Ensuite \(P(a-1, b)\) donne \(f^{bf(a-1)}(a) = a f(b)\) ; en faisant varier \(b\), \(f^{bf(a-1)}(a)\) prend une infinité de valeurs. \(\square\)
Affirmation 2. Pour tout \(a \geq 2\) et tout \(n \in \mathbb{Z}_{>0}\), \(f^n(a) \neq a\).
Preuve. Sinon l'orbite de \(a\) serait périodique, donc finie, ce qui contredit l'affirmation 1. \(\square\)
Supposons \(f(b) = f(c)\) avec \(b < c\). Alors
ce qui contredit l'affirmation 2. Donc \(f\) est injective.
Étape 2 : \(f(\mathbb{Z}_{>0}) = \mathbb{Z}_{\geq 2}\).
Affirmation 3. \(1\) n'est pas dans l'image de \(f\).
Preuve. Si \(f(b) = 1\), alors \(P(a, b)\) donne \(f^{bf(a)}(a+1) = a + 1\), ce qui contredit l'affirmation 2. \(\square\)
Le livret écrit « \(f^{f(a)}(a+1) = a+1\) par \(P(a,1)\) » ; il faut lire \(f^{bf(a)}(a+1) = a+1\) par \(P(a,b)\).
On dit que \(a\) est un descendant de \(b\) s'il existe \(n \in \mathbb{Z}_{>0}\) tel que \(f^n(b) = a\).
Affirmation 4. Pour tous \(a, b \geq 1\), on ne peut pas avoir à la fois « \(a\) descendant de \(b\) » et « \(b\) descendant de \(a\) ».
Preuve. Sinon \(a = f^m(b)\) et \(b = f^n(a)\) avec \(m, n \geq 1\), donc \(a = f^{m+n}(a)\), ce qui contredit l'affirmation 2. \(\square\)
Affirmation 5. Pour tous \(a, b \geq 2\), exactement l'une des situations suivantes a lieu : \(a\) est un descendant de \(b\) ; \(b\) est un descendant de \(a\) ; \(a = b\).
Preuve. Soit \(c \geq 2\) ; posons \(m = f^{cf(a-1) - 1}(a)\) et \(n = f^{cf(b-1) - 1}(b)\). Alors
Donc
Par injectivité de \(f\) (on simplifie le plus petit nombre d'itérations), on obtient \(f^{j}(a) = b\) ou \(f^{j}(b) = a\) pour un certain \(j \geq 0\) ; l'affirmation 2 (via l'affirmation 4) montre qu'une seule des trois situations a lieu. \(\square\)
Montrons que tout \(a \geq 2\) est dans l'image de \(f\). Soit \(b = f(1)\). Si \(a = b\), c'est clair. Sinon, d'après l'affirmation 5, \(a\) est un descendant de \(b\), ou \(b\) un descendant de \(a\). Dans le second cas, \(b = f^n(a)\), soit \(f(1) = f^n(a)\), donc \(1 = f^{n-1}(a)\) par injectivité ; par l'affirmation 3, \(n = 1\), d'où \(a = 1\), absurde. Donc \(a\) est un descendant de \(b\) ; en particulier, \(a\) est dans l'image de \(f\). Ainsi \(f(\mathbb{Z}_{>0}) = \mathbb{Z}_{\geq 2}\).
Étape 3 : \(f(1) = 2\).
Affirmation 6. Pour \(a, n \geq 2\), \(na\) est un descendant de \(a\).
Preuve. D'après l'étape 2, \(n = f(m)\) pour un certain \(m\). Alors \(na = f(m) a \overset{P(a-1,m)}{=} f^{mf(a-1)}(a)\). \(\square\)
D'après l'affirmation 6, tous les entiers pairs \(\geq 4\) sont des descendants de \(2\). Or \(2 = f(x)\) pour un certain \(x\) ; \(x\) ne peut être ni \(2\) (affirmation 2) ni un pair \(\geq 4\) (sinon \(x\) serait descendant de \(2\) et \(2\) descendant de \(x\), contredisant l'affirmation 4). Donc \(2 = f(2k+1)\) pour un certain \(k \geq 0\).
Montrons que \(f(2k+1) \geq f(1)\), ce qui donnera \(f(1) = 2\) (puisque \(f(1) \geq 2\)). C'est trivial si \(k = 0\). Si \(k \geq 1\), soit \(n\) tel que \(f^n(2) = 2k+2\). Pour tout \(b > n / f(1)\),
D'après l'affirmation 6, \((2k+2) f(b)\) est un descendant de \(2f(b)\). Par l'affirmation 2 (et l'injectivité), \(b f(2k+1) > b f(1) - n\). En prenant \(b\) assez grand, on conclut que \(f(2k+1) \geq f(1)\).
Étape 4 : \(f(2) = 3\) et \(f(3) = 4\).
Avec \(f(1) = 2\), \(P(1, b)\) donne \(f^{2b}(2) = 2 f(b)\). Pour \(b = 1\) : \(f^2(2) = 2f(1) = 4\). Pour \(b = f(2)\) : \(f^{2f(2)}(2) = 2 f(f(2)) = 2 f^2(2) = 8\). Donc
d'où \(f(3) = 2f(2) - 2\) (par injectivité et l'affirmation 2).
Affirmation 7. Pour tous \(m, n \in \mathbb{Z}_{>0}\), si \(f(m)\) divise \(f(n)\), alors \(m \leq n\).
Preuve. Si \(f(m) = f(n)\), c'est l'injectivité. Si \(f(m) < f(n)\), alors \(f(n) = q f(m)\) avec \(q \geq 2\) ; d'après \(P(a, m)\), \(P(a, n)\) et l'affirmation 6, \(f^{nf(a)}(a+1) = (a+1)f(n)\) est un descendant de \(f^{mf(a)}(a+1) = (a+1) f(m)\), pour tout \(a\). Donc \(m f(a) < n f(a)\), et \(m < n\). \(\square\)
D'après l'affirmation 7 (et l'étape 2, qui assure que tout diviseur \(\geq 2\) de \(f(2)\) est une valeur de \(f\)), tout diviseur de \(f(2)\) appartient à \(\{1, f(1) = 2, f(2)\}\). Donc \(f(2)\) est un nombre premier impair, ou \(f(2) = 4\). Comme \(f^2(2) = 4\), on ne peut pas avoir \(f(2) = 4\) (sinon \(f(4) = 4\), contredisant l'affirmation 2) ; donc \(f(2)\) est un nombre premier impair, que l'on note \(p\).
Alors \(f(3) = 2f(2) - 2 = 2(p-1)\). Comme \(p - 1 \geq 2\) divise \(f(3)\), l'affirmation 7 donne \(p - 1 \in \{f(1), f(2), f(3)\} = \{2, p, 2(p-1)\}\), donc \(p - 1 = 2\). Ainsi \(f(2) = p = 3\) et \(f(3) = 2(p-1) = 4\).
Étape 5 : \(f(n) = n + 1\).
Affirmation 8. Pour tout \(b \geq 1\), \(f(2f(b) - 1) = 2b + 2\).
Preuve. Comme \(f^2(2) = 4\), on a \(f^{2b-2}(4) = f^{2b}(2) = 2f(b)\), donc
ce qui donne \(f(2f(b) - 1) + 2b - 2 = 4b\), soit \(f(2f(b) - 1) = 2b + 2\). \(\square\)
Montrons enfin \(f(n) = n+1\) par récurrence sur \(n\) (c'est vrai pour \(n \leq 3\)). Supposons \(f(n) = n + 1\) pour tout \(1 \leq n \leq 2b + 1\). En remplaçant \(b\) par \(b+1\) dans l'affirmation 8,
Par hypothèse de récurrence, \(f^b(b+2) = 2b + 2\). Donc
Par injectivité, \(f(2b+2) = 2b+3\). Ainsi \(f(n) = n + 1\) pour tout \(n\), et cette fonction convient : \(f^{b(a+1)}(a+1) = (a+1) + b(a+1) = (a+1)(b+1)\). \(\blacksquare\)
Solution 2¶
Comme dans les étapes 1 et 2 de la solution 1, \(f\) est injective et \(f(\mathbb{Z}_{>0}) = \mathbb{Z}_{\geq 2}\). L'affirmation 2 reste vraie pour \(a = 1\) :
Affirmation 2'. Pour tous \(a, n \in \mathbb{Z}_{>0}\), \(f^n(a) \neq a\).
Preuve. Pour \(a \geq 2\), c'est l'affirmation 2. Pour \(a = 1\) : \(1\) n'est pas dans l'image de \(f\) (affirmation 3), donc \(f^n(1) \neq 1\). \(\square\)
Pour tous \(a, b\),
Le membre de droite est symétrique en \(a, b\), donc
et par injectivité \(f^{bf(f(a)-1)}(a) = f^{af(f(b)-1)}(b)\). Posons \(g(n) = f(f(n) - 1)\) : on a \(f^{bg(a)}(a) = f^{ag(b)}(b)\) pour tous \(a, b\). Posons \(n_{a,b} = b g(a) - a g(b)\). Pour \(n\) assez grand, \(f^{n + n_{a,b}}(a) = f^n(b)\). Pour tous \(a, b, c\) et \(n\) assez grand, on obtient donc
Par l'affirmation 2' (et l'injectivité), \(n_{a,b} + n_{b,c} + n_{c,a} = 0\), c'est-à-dire
Avec \((a, b, c) = (n, n+1, n+2)\), on obtient \(g(n+1) - g(n) = g(n+2) - g(n+1)\) : la suite \((g(n))_{n \geq 1}\) est une progression arithmétique.
Il existe donc \(C, D \in \mathbb{Z}\) tels que \(g(n) = f(f(n) - 1) = Cn + D\) pour tout \(n\). Comme \(f(\mathbb{Z}_{>0}) = \mathbb{Z}_{\geq 2}\), \(f(n) - 1\) parcourt \(\mathbb{Z}_{>0}\), donc l'image de \(g\) est \(\mathbb{Z}_{\geq 2}\) : cela impose \(C = 1\), et comme \(2 = \min_n f(f(n) - 1)\), \(D = 1\). Ainsi \(g(n) = n + 1\).
Pour tous \(a, b\), on a donc \(f^{b(a+1)}(a) = f^{a(b+1)}(b)\), et par injectivité \(f^b(a) = f^a(b)\). Avec \((a, b) = (1, n)\) : \(f^n(1) = f(n)\), donc \(f^{n-1}(1) = n\), à nouveau par injectivité. Pour tout \(n \geq 1\), \(f(n) = f(f^{n-1}(1)) = f^n(1) = n + 1\). \(\blacksquare\)
Solution 3¶
Autre fin de la solution 2, après l'affirmation 2' et l'introduction de \(g(n) = f(f(n) - 1)\). Pour \(a, b\) tels que \(b = f^k(a)\),
Par l'affirmation 2', \(b g(a) = a g(b) + k\), c'est-à-dire \(f^k(a) \cdot g(a) = a \cdot g(f^k(a)) + k\). Posons \(a_n = f^n(1)\) pour \(n \geq 0\). On a
Alors
D'où \(2a_{n+1} = a_n + a_{n+2}\) : \((a_n)\) est une progression arithmétique, \(a_n = f^n(1) = Cn + D\) avec \(C, D \in \mathbb{Z}\).
D'après l'étape 2 de la solution 1, tout entier \(\geq 2\) est un descendant de \(1\), et \(f(\mathbb{Z}_{>0}) = \mathbb{Z}_{\geq 2}\). Donc \(D = 1\) et \(C = 1\), soit \(f^n(1) = n + 1\). Pour tout \(n \geq 1\), \(f^{n-1}(1) = n\), donc \(f(n) = f(f^{n-1}(1)) = f^n(1) = n + 1\). \(\blacksquare\)
Solution 4¶
Solution plus technique, à partir des étapes 1 et 2 de la solution 1. D'après l'affirmation 5, tout \(a \geq 2\) est un descendant de \(1\). Définissons \(g\) et \(h\) sur \(\mathbb{Z}_{\geq 2}\) par
Alors \(g : \mathbb{Z}_{\geq 2} \to \mathbb{Z}_{\geq 1}\) et \(h : \mathbb{Z}_{\geq 2} \to \mathbb{Z}_{\geq 2}\) sont des bijections. L'équation se réécrit
Précision ajoutée : c'est \(P(a-1, b-1)\), pour \(a, b \geq 2\), qui donne cette forme.
Soit \(S_a = g(a \cdot \mathbb{Z}_{>0})\). Comme \(h\) est une bijection sur \(\mathbb{Z}_{\geq 2}\),
On a \(S_a \cap S_b = S_{\operatorname{ppcm}(a,b)}\) ; avec \(c = \operatorname{ppcm}(a, b)\), cela donne
Le membre de gauche est de la forme \(m + \operatorname{ppcm}(h(a), h(b)) \cdot \mathbb{Z}_{\geq 0}\), donc \(h(c) = \operatorname{ppcm}(h(a), h(b))\).
Si \(b\) est un multiple de \(a\), alors \(c = b\), donc \(h(b) = \operatorname{ppcm}(h(a), h(b))\) est un multiple de \(h(a)\). Réciproquement, si \(h(b)\) est un multiple de \(h(a)\), alors \(h(b) = \operatorname{ppcm}(h(a), h(b)) = h(c)\), et par injectivité \(c = b\) : \(b\) est un multiple de \(a\). On applique alors le lemme suivant à \(H = h\).
Lemme. Soit \(H : \mathbb{Z}_{\geq 2} \to \mathbb{Z}_{\geq 2}\) une bijection telle que \(a \mid b \iff H(a) \mid H(b)\). Alors :
- \(H(p)\) est premier si et seulement si \(p\) est premier ;
- \(H\left(\prod_{i=1}^{m} p_i^{e_i}\right) = \prod_{i=1}^{m} H(p_i)^{e_i}\), c'est-à-dire que \(H\) est complètement multiplicative ;
- \(H\) préserve le pgcd et le ppcm.
Preuve. On pose \(H(1) = 1\) et l'on considère la bijection \(H : \mathbb{Z}_{>0} \to \mathbb{Z}_{>0}\). D'après l'hypothèse, pour tout \(n \geq 2\), \(n\) et \(H(n)\) ont le même nombre de diviseurs ; donc \(H(p)\) est premier si et seulement si \(p\) l'est. Le seul premier divisant \(H(p^r)\) est \(H(p)\), donc \(H(p^r) = H(p)^s\) pour un \(s \geq 1\), et en comptant les diviseurs, \(s = r\).
Pour \(a, b \in \mathbb{Z}_{>0}\), \(\gcd(a, b)\) est l'unique entier positif tel que, pour tout \(c\), \(c \mid \gcd(a,b) \iff (c \mid a \text{ et } c \mid b)\). D'après l'hypothèse sur \(H\), pour tout \(c\), \(H(c) \mid H(\gcd(a,b)) \iff (H(c) \mid H(a) \text{ et } H(c) \mid H(b))\) ; donc \(H(\gcd(a, b)) = \gcd(H(a), H(b))\). De même \(H(\operatorname{ppcm}(a,b)) = \operatorname{ppcm}(H(a), H(b))\). Ainsi
car les \(H(p_i)\) sont des premiers distincts. \(\square\)
Soient \(p \neq q\) deux premiers, et \(x, y\) des entiers strictement positifs tels que
C'est possible car \(h(p)\) et \(h(q)\) sont deux premiers distincts (restes chinois). Pour tout \(k \geq 0\), \(P(p, x + k h(q))\) et \(P(q, y + k h(p))\) (sous la forme ci-dessus) donnent
dont les membres de droite sont égaux. Par injectivité de \(g\),
Donc \(p\) divise \(h(y + k h(p))\) pour tout \(k \geq 0\). Comme \(h\) préserve le pgcd,
est divisible par \(p\). Comme \(h(p)\) est premier (et \(h(1) = 1\)), \(y\) doit être divisible par \(h(p)\). Alors \(\gcd(y, h(p)) = h(p)\), donc \(h(h(p))\) est divisible par \(p\) ; comme c'est aussi un premier, \(h(h(p)) = p\). La fonction \(h \circ h\) est complètement multiplicative et fixe les premiers, donc \(h(h(n)) = n\) pour tout \(n \geq 2\).
D'après \(P(a, h(b))\) et \(P(b, h(a))\),
donc \(g(a) - h(a) = g(b) - h(b)\) pour tous \(a, b \geq 2\) : \(g - h\) est constante. En comparant les images (\(\mathbb{Z}_{\geq 1}\) pour \(g\), \(\mathbb{Z}_{\geq 2}\) pour \(h\)), la constante vaut \(-1\) : \(g(a) = h(a) - 1\) pour tout \(a \geq 2\).
Ainsi \(g(h(a)) = h(h(a)) - 1 = a - 1\). Par définition,
Par injectivité, \(f^{a-2}(1) = a - 1\) pour tout \(a \geq 2\), et l'on en déduit par récurrence que \(f(a) = a + 1\) pour tout \(a \geq 1\). \(\blacksquare\)