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Shortlist 2010, A1

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

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

Solution officielle : Shortlist officielle 2010 (avec solutions), p. 7 (page 8 du PDF)

Problème 1 de l'OIM 2010

Ce problème a été choisi parmi ceux de la shortlist pour l'épreuve de l'OIM 2010, où il était le problème 1 (jour 1).

Énoncé

Determine all functions \(f : \mathbb{R} \to \mathbb{R}\) such that the equality

\[f(\lfloor x \rfloor y) = f(x) \lfloor f(y) \rfloor \tag{1}\]

holds for all \(x, y \in \mathbb{R}\). Here, by \(\lfloor x \rfloor\) we denote the greatest integer not exceeding \(x\).

Indices : les idées clés
  • Substitution \(x = 0\) : \(f(0) = f(0)\lfloor f(y) \rfloor\), donc ou bien \(\lfloor f(y) \rfloor = 1\) partout, ou bien \(f(0) = 0\).
  • Cas \(f(0) = 0\) : si \(f(\alpha) \neq 0\) pour un \(\alpha \in (0, 1)\), alors \(\lfloor f(y) \rfloor = 0\) partout et \(f \equiv 0\) ; sinon, on écrit \(z = N\alpha\) avec \(N\) entier et \(\alpha \in [0, 1)\).
  • Partie entière : la condition \(C = C\lfloor C \rfloor\) pour une constante non nulle équivaut à \(1 \leq C < 2\).
Solutions

Les solutions ci-dessous suivent les solutions officielles de la Shortlist 2010 (deux solutions).

Réponse : \(f(x) = C\) constante, avec \(C = 0\) ou \(1 \leq C < 2\).

Solution 1

Prenons d'abord \(x = 0\) dans (1) :

\[f(0) = f(0)\lfloor f(y) \rfloor \tag{2}\]

pour tout \(y \in \mathbb{R}\). Deux cas sont alors possibles.

Cas 1. Supposons \(f(0) \neq 0\). Alors (2) donne \(\lfloor f(y) \rfloor = 1\) pour tout \(y \in \mathbb{R}\). L'équation (1) devient donc \(f(\lfloor x \rfloor y) = f(x)\), et en prenant \(y = 0\) on obtient \(f(x) = f(0) = C \neq 0\). Enfin, de \(\lfloor f(y) \rfloor = 1 = \lfloor C \rfloor\) on obtient \(1 \leq C < 2\).

Cas 2. On a maintenant \(f(0) = 0\). On distingue deux sous-cas.

Sous-cas 2a. Supposons qu'il existe \(0 < \alpha < 1\) tel que \(f(\alpha) \neq 0\). En prenant \(x = \alpha\) dans (1), on obtient \(0 = f(0) = f(\alpha)\lfloor f(y) \rfloor\) pour tout \(y \in \mathbb{R}\). Donc \(\lfloor f(y) \rfloor = 0\) pour tout \(y \in \mathbb{R}\). Enfin, en prenant \(x = 1\) dans (1), on obtient \(f(y) = 0\) pour tout \(y \in \mathbb{R}\), ce qui contredit la condition \(f(\alpha) \neq 0\).

Sous-cas 2b. Inversement, on a \(f(\alpha) = 0\) pour tout \(0 \leq \alpha < 1\). Soit \(z\) un réel quelconque ; il existe un entier \(N\) tel que \(\alpha = \frac{z}{N} \in [0, 1)\) (on peut prendre \(N = \lfloor z \rfloor + 1\) si \(z \geq 0\) et \(N = \lfloor z \rfloor - 1\) sinon). Alors (1) donne \(f(z) = f(\lfloor N \rfloor \alpha) = f(N)\lfloor f(\alpha) \rfloor = 0\) pour tout \(z \in \mathbb{R}\).

Enfin, une vérification directe montre que toutes les fonctions obtenues vérifient (1). \(\blacksquare\)

Solution 2

Supposons que \(\lfloor f(y) \rfloor = 0\) pour un certain \(y\) ; la substitution \(x = 1\) donne alors \(f(y) = f(1)\lfloor f(y) \rfloor = 0\). Donc, si \(\lfloor f(y) \rfloor = 0\) pour tout \(y\), alors \(f(y) = 0\) pour tout \(y\). Cette fonction vérifie évidemment les conditions du problème.

Il reste à considérer le cas où \(\lfloor f(a) \rfloor \neq 0\) pour un certain \(a\). On a alors

\[f(\lfloor x \rfloor a) = f(x)\lfloor f(a) \rfloor, \qquad \text{ou} \qquad f(x) = \frac{f(\lfloor x \rfloor a)}{\lfloor f(a) \rfloor}. \tag{3}\]

Cela signifie que \(f(x_1) = f(x_2)\) dès que \(\lfloor x_1 \rfloor = \lfloor x_2 \rfloor\), donc \(f(x) = f(\lfloor x \rfloor)\), et l'on peut supposer que \(a\) est entier.

On a maintenant

\[f(a) = f\left(2a \cdot \tfrac{1}{2}\right) = f(2a)\left\lfloor f\left(\tfrac{1}{2}\right) \right\rfloor = f(2a)\lfloor f(0) \rfloor ;\]

cela implique \(\lfloor f(0) \rfloor \neq 0\), et l'on peut même supposer \(a = 0\). L'équation (3) donne alors

\[f(x) = \frac{f(0)}{\lfloor f(0) \rfloor} = C \neq 0\]

pour tout \(x\). La condition (1) devient alors équivalente à l'équation \(C = C\lfloor C \rfloor\), qui est vérifiée exactement quand \(\lfloor C \rfloor = 1\). \(\blacksquare\)