Shortlist 2020, A6¶
Domaine : Algèbre · Difficulté : ★★★★☆ · Proposé par : Slovakia
Concepts : Équations fonctionnelles : substitutions, injectivité, surjectivité · Divisibilité, PGCD et algorithme d'Euclide · Principe extrémal
Solution officielle : Shortlist officielle 2020 (avec solutions), p. 22 (page 24 du PDF)
Énoncé¶
Determine all functions \(f : \mathbb{Z} \to \mathbb{Z}\) such that
for every \(a, b \in \mathbb{Z}\).
Here, \(f^n\) denotes the \(n\)-th iteration of \(f\), i.e., \(f^0(x) = x\) and \(f^{n+1}(x) = f(f^n(x))\) for all \(n \geq 0\).
Indices : les idées clés
- Substitutions : \(E(0, b)\), \(E(a, -1)\), \(E(a, -a)\) et \(E(n, 1-n)\) fournissent \(f(-1) = 0\), la relation clé \(f^{a^2+1}(a-1) = f^{a^2}(a)\) et la parité de \(f\).
- Orbites : les orbites de \(a-1\) et de \(a\) ne diffèrent que d'un nombre fini de termes, donc soit toutes les orbites sont finies, soit toutes sont infinies.
- PGCD (cas des orbites finies) : la période de la suite \((f^k(0))\) divise \(\operatorname{pgcd}(2a^2, 2(a+1)^2) = 2\).
- Contre-exemple minimal (cas des orbites finies) : un \(m \neq 0\) avec \(f(m) \neq 0\) et \(|m|\) minimal mène à une contradiction.
- Décalage d'indices (cas des orbites infinies) : la différence \(X(a, b) = n - m\) lorsque \(f^n(a) = f^m(b)\) est bien définie, additive, et vaut \(b - a\).
Solutions
Les solutions ci-dessous suivent les solutions officielles de la Shortlist 2020 (une solution et une remarque).
Réponse : soit \(f(x) = 0\) pour tout \(x \in \mathbb{Z}\), soit \(f(x) = x + 1\) pour tout \(x \in \mathbb{Z}\).
Solution¶
Notons \(E(a, b)\) l'équation de l'énoncé. \(E(0, b)\) s'écrit \(f^{b^2}(b) = b f(b)\) ; pour \(b = -1\), cela donne \(f(-1) = -f(-1)\), donc \(f(-1) = 0\). Ensuite \(E(a, -1)\) s'écrit
la dernière égalité venant de \(E(0, a)\).
Pour \(x \in \mathbb{Z}\), appelons orbite de \(x\) l'ensemble \(\mathcal{O}(x) = \{x, f(x), f(f(x)), \ldots\} \subseteq \mathbb{Z}\). D'après (1), les orbites \(\mathcal{O}(a-1)\) et \(\mathcal{O}(a)\) ne diffèrent que d'un nombre fini de termes. Par conséquent, deux orbites quelconques ne diffèrent que d'un nombre fini de termes ; en particulier, soit toutes les orbites sont finies, soit toutes sont infinies.
Cas 1 : toutes les orbites sont finies. Alors \(\mathcal{O}(0)\) est fini. La substitution \(E(a, -a)\) donne
Pour \(|a| > \max_{z \in \mathcal{O}(0)} |z|\), cela impose \(f(a) = f(-a)\) et \(f^{2a^2}(0) = 0\). La suite \(\big(f^k(0)\big)_{k \geq 0}\) est donc purement périodique, de plus petite période \(T\) divisant \(2a^2\). De même, \(T\) divise \(2(a+1)^2\), d'où
c'est-à-dire \(f(f(0)) = 0\), et \(a\big(f(a) - f(-a)\big) = f^{2a^2}(0) = 0\) pour tout \(a\). Ainsi
Ensuite, pour tout \(n \in \mathbb{Z}\), \(E(n, 1-n)\) donne
car \(f(1) = 0\) et \(2n^2 - 2n\) est pair.
Supposons qu'il existe \(m \neq 0\) tel que \(f(m) \neq 0\), et choisissons-en un avec \(|m|\) minimal. Alors \(|m| > 1\) d'après (3) ; \(f(|m|) \neq 0\) d'après (2) ; et \(f(1 - |m|) \neq 0\) d'après (4) pour \(n = |m|\). Comme \(0 < |1 - |m|| = |m| - 1 < |m|\), cela contredit la minimalité. Donc \(f(n) = 0\) pour tout \(n \neq 0\). Enfin,
(on utilise \(f(f(0)) = 0\), puis \(f(2) = 0\), puis \(E(0, 2)\)). La fonction nulle vérifie clairement l'équation : c'est la première réponse.
Cas 2 : toutes les orbites sont infinies. Comme \(\mathcal{O}(a)\) et \(\mathcal{O}(a-1)\) ne diffèrent que d'un nombre fini de termes pour tout \(a\), deux orbites \(\mathcal{O}(a)\) et \(\mathcal{O}(b)\) ont une infinité de termes communs, pour tous \(a, b \in \mathbb{Z}\).
Fixons provisoirement \(a, b \in \mathbb{Z}\). Montrons que tous les couples \((n, m)\) d'entiers positifs ou nuls tels que \(f^n(a) = f^m(b)\) ont la même différence \(n - m\). Sinon, on aurait \(f^n(a) = f^m(b)\) et \(f^p(a) = f^q(b)\) avec, disons, \(n - m > p - q\) ; alors, pour tout entier \(k \geq 0\),
Ainsi \(f^{\ell + (n-m) - (p-q)}(b) = f^\ell(b)\) pour tout \(\ell\) assez grand : la suite \(\big(f^n(b)\big)\) est périodique à partir d'un certain rang, donc \(\mathcal{O}(b)\) est finie, ce qui est exclu.
Pour \(a, b \in \mathbb{Z}\), notons \(X(a, b)\) cette différence commune \(n - m\). D'après (1), \(X(a-1, a) = 1\). Par ailleurs, \(X(a, b) + X(b, c) = X(a, c)\) : si \(f^n(a) = f^m(b)\) et \(f^p(b) = f^q(c)\), alors \(f^{p+n}(a) = f^{p+m}(b) = f^{q+m}(c)\). Ces deux propriétés donnent \(X(a, b) = b - a\) pour tous \(a, b \in \mathbb{Z}\).
Or, en appliquant \(f\) aux deux membres de (1), on obtient \(f^{a^2+1}\big(f(a-1)\big) = f^{a^2}\big(f(a)\big)\), donc
Comme \(f(-1) = 0\), une récurrence (dans les deux sens) donne \(f(x) = x + 1\) pour tout \(x \in \mathbb{Z}\).
Réciproquement, cette fonction convient : \(f^n(x) = x + n\) pour tout \(n \geq 0\), donc
Remarques¶
Remarque. Il existe de nombreuses variantes de cette solution, mais la finitude des orbites semble être la distinction cruciale dans toutes. La disjonction de cas peut se faire autrement ; en particulier, certaines versions du cas 1 fonctionnent dès qu'il existe au moins une orbite finie. Le cas 2 est conceptuellement plus difficile que le cas 1.