Olimpiadas de Matemáticas
Página de preparación y problemas

Solución. Haciendo $x=y=u=v=0$, tenemos que $4f(0)^2=2f(0)$, de donde $f(0)=\frac{1}{2}$ o bien $f(0)=0$. Si $f(0)=\frac{1}{2}$, entonces haciendo $x=y=u=0$, llegamos a que $f(u)=\frac{1}{2}$ para todo $u\in\mathbb{R}$. Por otro lado, si $f(0)=0$, haciendo $y=v=0$, tenemos que $f(x)f(u)=f(xu)$ para cualesquiera $u,x\in\mathbb{R}$, es decir, $f$ es multiplicativa. Por tanto, $f(1)=f(1\cdot 1)=f(1)^2$, de donde $f(1)=0$ ó $f(1)=1$. Si $f(1)=0$, entonces $f(x)=f(x\cdot 1)=f(x)f(1)=0$ para todo $x\in\mathbb{R}$.

Por tanto, descartando las soluciones constantes $f(x)=0$ y $f(x)=\frac{1}{2}$, podemos suponer que $f(0)=0$ y $f(1)=1$. Tomando $x=y=1$ en la ecuación original, llegamos a que \[2f(u)+2f(v)=f(u+v)+f(u-v),\] y, para $u=0$, tenemos que $f(v)=f(-v)$, es decir, $f$ es una función par. Usando esto y tomando $x=u$ e $y=-v$ en la ecuación original, obtenemos que \[f(u^2+v^2)=\bigl(f(u)+f(v)\bigr)^2.\] En particular, tenemos que $f(x)\geq 0$ para todo $x\geq 0$, luego podemos considerar la función auxiliar $g:[0,\infty)\to[0,\infty)$ dada por $g(x)=\sqrt{f(x)}$. Tomando $a=u^2$ y $b=v^2$, la ecuación anterior se escribe como \[g(a+b)=\sqrt{f(u^2+v^2)}=f(\sqrt{a})+f(\sqrt{b})=\sqrt{f(a)}+\sqrt{f(b)}=g(a)+g(b),\] donde hemos usado que $f(x^2)=f(x\cdot x)=f(x)^2$ y, por tanto, $\sqrt{f(x)}=f(\sqrt{x})$ para todo $x\geq 0$. Ahora bien, esto nos dice que $g$ es aditiva luego existe $m\in\mathbb{N}$ tal que $g(x)=m\cdot x$ para todo $x\in\mathbb{Q}$, $x\gt 0$ y, como $g(1)=\sqrt{f(1)}=1$, tenemos que $m=1$. Si demostramos que $f$ es creciente en $[0,\infty)$, entonces también lo será $g$ y, por tanto, $g(x)=x$ para todo $x\in[0,\infty)$, luego $f(x)=x^2$ para todo $x\in[0,\infty)$ y, como $f$ es par, $f(x)=x^2$ para todo $x\in\mathbb{R}$.

Veamos entonces que $f$ es creciente y habremos terminado. Para ello, dados $a\geq b\geq 0$, expresando $a=u^2+v^2$, $b=u^2$ para ciertos $u,v\in\mathbb{R}$, y usando lo que hemos probado anteriormente, tenemos que \[f(a)=f(u^2+v^2)=\bigl(f(u)+f(v)\bigr)^2=f(u^2)+2f(uv)+f(v^2)\geq f(u^2)=f(b),\] donde hemos usado que $f$ es multiplicativa.

Deducimos que las únicas soluciones son $f(x)=0$, $f(x)=\frac{1}{2}$ y $f(x)=x^2$, que puede comprobarse fácilmente que verifican la ecuación inicial.

Solución. La primera ecuación es conocida como la ecuación de Cauchy y nos dice que existe $m\in\mathbb{R}$ tal que $f(x)=mx$ para todo $x\in\mathbb{Q}$. Ahora bien, sustituyendo $x=y=1$ en la segunda ecuación, obtenemos que $f(1)=f(1)^2$, con lo que $f(1)=0$ o bien $f(1)=1$. Si $f(1)=0$, entonces sustituyendo $y=1$ en la segunda ecuación, obtenemos directamente que $f(x)=0$ para todo $x\in\mathbb{R}$.

Supongamos entonces que $f(1)=1$, luego $m=1$ y $f(x)=x$ para todo $x\in\mathbb{Q}$. Si probamos que $f(x)$ es creciente (es decir, $f(a)\geq f(b)$ cuando $a\gt b$), tendremos que $f(x)=x$ para todo $x\in\mathbb{R}$ (¿por qué?). Dado $t>0$, expresemos $t=a^2$ y, haciendo $x=y=a$ en la segunda ecuación, tenemos que $f(t)=f(a^2)=f(xy)=f(x)f(y)=f(a)^2\gt 0$, luego $f$ aplica reales positivos en reales positivos. Dados $a,b\in\mathbb{R}$ con $a\gt b$, podremos expresar $a=b+t$ para cierto $t\gt 0$, luego $f(a)=f(b+t)=f(b)+f(t)\gt f(b)$, lo que nos dice que $f$ es (estrictamente) creciente y, por tanto, $f(x)=x$ para todo $x\in\mathbb{R}$.

Esto prueba que las únicas soluciones son $f(x)=0$ y $f(x)=x$, que trivialmente verifican las dos ecuaciones.

Solución. Si llamamos $f(1)=a$, la ecuación del enunciado nos dice que $f(a+1)=2a$. Como $f$ es estrictamente creciente, y en los intervalos $[1,a+1]$ y $[a,2a]$ hay exactamente $a$ números enteros, deducimos que $f(2)=a+1$, $f(3)=a+2$,... hasta $f(a+1)=2a$. En otras palabras, $f(n)=a-1+n$ siempre que $1\leq n\leq a+1$. Sustituyendo ahora $n=a+1$ en la ecuación del enunciado, tenemos que $f(3a+1)=4a$ y, como hay $2a+1$ números tanto en el intervalo del dominio $[a+1,3a+1]$ como en el de la imagen $[2a,4a]$, deducimos que $f(a+2)=2a+1$, $f(a+3)=2a+2$,... hasta $f(3a+1)=4a$, luego $f(n)=a-1+n$ siempre que $1\leq n\leq 3a+1$. Repitiendo el proceso se deduce que $f(n)=a-1+n$ para todo $n\in\mathbb{N}$, de donde deducimos que toda función que cumpla el enunciado ha de ser de esta forma. Como estas funciones lo cumplen (¡comprobarlo!), deducimos que son las únicas.

Solución. La ecuación se puede escribir de forma equivalente como $p(x)=0$, donde $p(x)=3x^3-13x^2+14x-2$. Como $p(x)$ es una función continua y cumple que $p(0)=2$, $p(1)=-2$, $p(2)=-2$ y $p(3)=4$, el teorema de Bolzano nos dice que $p(x)$ tiene una raíz en $(0,1)$, otra en $(1,2)$ y otra en $(2,3)$. Como el polinomio $p(x)$ tiene tres raíces complejas, deducimos que son reales positivas y hemos demostrado el primer apartado.

Para el segundo apartado, vamos a hacer uso de la fórmula de la tangente del la suma. Concretamente, dados $x,y,z\in(0,\frac{\pi}{2})$, de dicha fórmula se deduce que \[\mathrm{tg}(x+y+z)=\frac{\mathrm{tg}(x+y)+\mathrm{tg}(z)}{1-\mathrm{tg}(x+y)\mathrm{tg}(z)}=\frac{\mathrm{tg}(x)+\mathrm{tg}(y)+\mathrm{tg}(z)-\mathrm{tg}(x)\mathrm{tg}(y)\mathrm{tg}(z)}{1-\mathrm{tg}(x)\mathrm{tg}(y)-\mathrm{tg}(y)\mathrm{tg}(z)-\mathrm{tg}(z)\mathrm{tg}(x)}.\] Sustituyendo $x=\mathrm{arctg}(r)$, $y=\mathrm{arctg}(s)$ y $z=\mathrm{arctg}(t)$, tenemos que \[\mathrm{tg}(\mathrm{arctg}(r)+\mathrm{arctg}(s)+\mathrm{arctg}(t))=\frac{(r+s+t)-rst}{1-(rs+st+rt)}=\frac{\frac{13}{3}-\frac{2}{3}}{1-\frac{14}{3}}=-1.\] ya que las relaciones de Cardano para el polinomio $p(x)$ nos aseguran que \[ r+s+t=\frac{13}{3},\quad rs+st+rt=\frac{14}{3},\quad rst=\frac{2}{3}. \] Esto nos dice que existe un número entero $k$ tal que \[\mathrm{arctg}(r)+\mathrm{arctg}(s)+\mathrm{arctg}(t)=-\frac{\pi}{4}+k\pi.\] Como $r,s,t\gt 0$, tenemos que $0<\mathrm{arctg}(r)+\mathrm{arctg}(s)+\mathrm{arctg}(t)\lt\frac{3\pi}{2}$, de donde $k=1$ y \[\mathrm{arctg}(r)+\mathrm{arctg}(s)+\mathrm{arctg}(t)=\frac{3\pi}{4}.\]

Solución. Observemos que la condición del enunciado se puede expresar como \[a_{n+2}a_{n+1}=a_{n+1}a_n+1.\] Como $a_2a_1=1$, es fácil darse cuenta de que $a_{n+2}a_{n+1}=n+1$ para todo número natural $n$. Así, para cada $n\geq 3$, podemos despejar $a_n=\frac{n-1}{a_{n-1}}$ y calcular \[a_{2004}=\frac{2003}{a_{2003}}=\frac{2003\cdot a_{2002}}{2002}=\frac{2003\cdot 2001}{2002\cdot a_{2001}}=\ldots=\frac{2003\cdot 2001\cdots 3}{2002\cdot 2000\cdots 2}.\] Otra forma de expresar el resultado usando factoriales es: \[a_{2004}=\frac{2003!}{(2002\cdot 2000\cdots 2)^2}=\frac{2003!}{2^{2002}\cdot (1001!)^2}.\]