Olimpiadas de Matemáticas
Página de preparación y problemas

Solución. Consideremos las funciones $f,g:\mathbb{R}\to\mathbb{R}$ dadas por \[f(z)=(1+z)(1+z^2)(1+z^4),\qquad g(z)=1+z^7,\] para todo $z\in\mathbb{R}$. Usaremos las siguientes propiedades:

• si $z\gt 0$, entonces $1\lt g(z)\lt f(z)$;
• si $-1\lt z\lt 0$, entonces $0\lt f(z)\lt g(z)\lt 1$;
• si $z\lt -1$, entonces $g(z)\lt f(z)\lt 0$.

La demostración de estas tres propiedades se deduce de que $f$ y $g$ son funciones crecientes y de la siguiente factorización de la diferencia $f-g$ (los detalles se dejan al lector): \[f(z)-g(z)=z+z^2+z^3+z^4+z^5+z^6=z(z-1)(z^4+z^2+1)\]

Supongamos que $(x,y)$ es una solución a la ecuación original y distingamos casos según el valor de $x$ caiga en algunos de los intervalos anteriores.

1. Si $x\lt -1$, entonces $g(y)=f(x)\gt g(x)$, es decir, $1+y^7\gt 1+x^7$ y, por tanto, $y\gt x$. No obstante, también tenemos que $1+y^7=f(x)\lt 0$, luego $y\lt -1$ y un razonamiento análogo al anterior (sustituyendo $x$ e $y$) nos asegura que $x\gt y$, lo cual es una contradicción.
2. Si $-1\lt x\lt 0$, entonces $g(y)=f(x)\lt g(x)$, es decir, $1+y^7\lt 1+x^7$ y, por tanto, $x\gt y$. Como quiera que $1+y^7=f(x)\in (0,1)$, deducimos que $-1\lt y\lt 0$ y un razonamiento análogo al anterior nos asegura que $x\lt y$, lo cual es también una contradicción.
3. Si $x\gt 0$, entonces $g(y)=f(x)\gt g(x)$, de donde $x\lt y$. De forma análoga a los casos anteriores, $1+y^7=f(x)\gt 1$, luego $y\gt 0$ y repitiendo el razonamiento, llegamos a que $x\gt y$, y también tenemos la contradicción buscada.

En resumen, $x$ e $y$ sólo pueden tomar los valores $-1$ y $0$. Un breve análisis de las cuatro posibles combinaciones nos lleva a que las únicas soluciones son $(x,y)=(-1,-1)$ y $(x,y)=(0,0)$.

Solución. Claramente, el problema puede reducirse a estudiar los máximos y mínimos de la función \[f:[0,1]\to\mathbb{R},\qquad f(x)=ax+b+\frac{1}{1+x}.\] Observemos que esta función es derivable en el intervalo $[0,1]$ y su derivada está dada por \[f'(x)=a-\frac{1}{(1+x)^2}.\] Los extremos relativos de $f$ se podrán alcanzar en los puntos en que $f'(x)=0$ así como en los extremos $x=0$ y $x=1$, donde vale $f(0)=1+b$ y $f(1)=\frac{1}{2}+a+b$. Además, la ecuación $f'(x)=0$ tiene a $x=\frac{1}{\sqrt{a}}-1$ por única solución en el intervalo $[0,1]$ siempre que $a\geq \frac{1}{4}$, en cuyo caso \[f\left(\frac{1}{\sqrt{a}}-1\right)=2\sqrt{a}-a+b.\] Además, $f''(x)\gt 0$ para todo $x\in[0,1]$, luego $f$ es una función convexa y, si tiene un punto crítico, éste será un mínimo absoluto (esta información puede ser útil para tener intuición sobre los cálculos que desarrollamos a continuación).

Si $|f(0)|\gt\frac{1}{24}$, como $f$ es continua, bastará tomar $c$ suficientemente cercano a $0$. Análogamente, si $|f(1)|\gt\frac{1}{24}$, podremos tomar $c$ sufientemente cercano a $1$ y habremos terminado. Por tanto, supondremos a partir de ahora que $|f(0)|=|1+b|\leq\frac{1}{24}$ y $|f(1)|=|\frac{1}{2}+a+b|\leq\frac{1}{24}$. Desarrollando los valores absolutos, estas desigualdades equivalen a \[\frac{-25}{24}\leq b\leq\frac{-23}{24},\qquad \frac{-13}{24}\leq a+b\leq\frac{-11}{24}.\] Entonces, podemos acotar $a$ de la forma \[a=(a+b)-b\geq\frac{-13}{24}-\frac{-23}{24}=\frac{10}{24}\gt\frac{1}{4},\] luego $c=\frac{1}{\sqrt{a}}-1\in(0,1)$ es un mínimo absoluto de $f$ y el resultado que probamos se reduce a probar que $f(c)=2\sqrt{a}-a+b\lt\frac{-1}{24}$. Ahora bien, observemos que \[f(x)=(1-x)b+(a+b)x+\frac{1}{1+x}\leq (1-x)\frac{-23}{24}-\frac{11}{24}x+\frac{1}{1+x}=\frac{-23}{24}+\frac{1}{2}x+\frac{1}{1+x},\] luego el mínimo absoluto de $f$ es menor o igual que el mínimo absoluto para $a=\frac{1}{2}$ y $b=\frac{-23}{24}$. De esta forma, llegamos a que \[f(c)=2\sqrt{a}-a+b\leq 2\sqrt{\frac{1}{2}}-\frac{1}{2}-\frac{23}{24}=\sqrt{2}-\frac{35}{24}\lt\frac{-1}{24}.\] Para probar la desigualdad $\sqrt{2}-\frac{35}{24}\lt\frac{-1}{24}$, tenemos que es equivalente a $24\sqrt{2}\lt 34$ que, a su vez, elevando al cuadrado, equivale a $1152\lt 1156$, lo que concluye la demostración.

Nota. La desigualdad del enunciado puede parecer muy técnica, pero tiene una interpretación geométrica que puede ayudar a elaborar la solución: la ecuación $ax+b$ representa una recta arbitraria y el valor absoluto nos da la distancia entre esta recta y la función $g(x)=\frac{-1}{1+x}$. Por tanto, el problema nos dice que al aproximar $g(x)$ por cualquier recta en el intervalo $[0,1]$ siempre habrá puntos de la recta que distarán más de $\frac{1}{24}$ del correspondiente punto en la recta.

El resultado no es óptimo ya que tenemos una desigualdad estricta, pero en la solución puede verse que el valor $\frac{1}{24}$ está muy cerca de la cota óptima. Tal cota óptima es mucho más difícil de obtener.

Solución. En primer lugar, tenemos que $f(x)+f(1-x)\leq f(x+1-x)=f(1)=1$, luego $f(x)\leq 1-f(1-x)\leq 1$ para todo $x\in[0,1]$. En particular, $f(x)\leq 1\leq 2x$ para todo $x\geq \frac{1}{2}$, así que supondremos a partir de ahora que $x\lt\frac{1}{2}$.

Para ello, observemos que $f(nx)\geq nf(x)$ para todo entero positivo $n$ tal que $nx\in[0,1]$ (sin más que aplicar la tercera propiedad del enunciado reiteradamente). Tomemos entonces $n\geq 2$ tal que $\frac{1}{n+1}\leq x\lt\frac{1}{n}$, con lo que $nf(x)\leq f(nx)\leq 1$. Por tanto, \[f(x)\leq\frac{1}{n}=\frac{n+1}{n(n+1)}\leq\frac{n+1}{n}x=\left(1+\frac{1}{n}\right)x\leq\left(1+\frac{1}{2}\right)x=\frac{3}{2}x\leq 2x.\]

Finalmente, vamos a probar que la respuesta a la última pregunta es negativa (en realidad, no puede sustituirse $2$ en la desigualdad $f(x)\leq 2x$ por otra constante menor). Como contraejemplo sirve la función definida a trozos: \[f:[0,1]\to\mathbb{R},\qquad f(x)=\begin{cases}2x&\text{si }0\leq x\lt\frac{1}{2},\\1&\text{si }\frac{1}{2}\leq x\leq 1.\end{cases}\] Es fácil ver que cumple las condiciones del enunciado (los detalles se dejan al lector), mientras que $f(\frac{1}{2})=2\cdot\frac{1}{2}$, luego $2$ no puede sustituirse por $1,\!9$.

Solución. Si llamamos $N$ al radicando, entonces $N$ está determinado por la ecuación $N=2207-\frac{1}{N}$. La única solución positiva de esta ecuación está dada por \[N=\frac{2207+987\sqrt{5}}{2},\] luego éste ha de ser el valor del radicando. El resto del problema consistirá en calcular la raíz decimosexta de $N$, lo que se puede interpretar como calcular cuatro veces consecutivas la raíz cuadrada.

Si bien puede ser difícil un calculo directo, vamos a suponer que dicha raíz es de la forma $x+y\sqrt{5}$, siendo $x$ e $y$ números racionales. Esto nos dice que \[\frac{2207+987\sqrt{5}}{2}=(x+y\sqrt{5})^2=x^2+5y^2+2xy\sqrt{5},\] Si estos números son iguales entonces ha de cumplirse que \[\left\{\begin{array}{l}x^2+5y^2=\frac{2207}{2},\\2xy=\frac{987}{2}\end{array}\right.\] Este sistema de dos ecuaciones de segundo grado con dos incógnitas puede resolverse despejando $y=\frac{987}{4x}$ en la segunda ecuación y sustituyendo en la primera: \[x^2+\frac{5\cdot 987^2}{16x^2}=\frac{2207}{2}\ \Leftrightarrow\ 16x^4-17656x^2+4870845=0.\] Esta ecuación bicuadrada tiene sólo dos soluciones racionales $x=\pm\frac{47}{2}$, que dan lugar a los valores $y=\pm\frac{21}{2}$. Como sólo queremos la solución positiva (ya que debemos volver a tomar raíces cuadradas), concluimos que \[\sqrt{N}=\frac{47+21\sqrt{5}}{2}.\] Ahora hay que repetir tres veces más el proceso. Usando exactamente el mismo razonamiento, se llega a los siguientes resultados: \[\sqrt[4]{N}=\frac{7+3\sqrt{5}}{2},\qquad\sqrt[8]{N}=\frac{3+\sqrt{5}}{2},\qquad\sqrt[16]{N}=\frac{1+\sqrt{5}}{2}.\] Por lo tanto, el número buscado es la razón áurea $\phi=\frac{1+\sqrt{5}}{2}$.

Nota. El radicando $N$ es lo que se conoce como una fracción continua y el lector más inquisitivo puede encontrar una falta de rigor en los puntos suspensivos que aparecen en el enunciado. Esta fracción continua no es otra cosa que el límite de la sucesión \[\left\{2207+\frac{1}{2207},2207+\frac{1}{2207+\frac{1}{2207}},2207+\frac{1}{2207+\frac{1}{2207+\frac{1}{2207}}},2207+\frac{1}{2207+\frac{1}{2207+\frac{1}{2207+\frac{1}{2207}}}},\ldots\right\}\] y puede probarse usando técnicas de cálculo que dicha sucesión es convergente y su límite verifica la relación intuitiva $N=2207+\frac{1}{N}$. No obstante, esto queda fuera del alcance de este problema.