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番外 · 闲灯 / IMO Shortlist / A4 · algebra

2011 IMO Shortlist A4

题面据 IMO Shortlist 可核档案整理;中文题意为本站自译,公式请以原始来源为准。

IMO Shortlist 2011 A4 algebra

Determine all pairs (f,g)(f, g) of functions from the set of positive integers to itself that satisfy fg(n)+1(n)+gf(n)(n)=f(n+1)g(n+1)+1f^{g(n)+1}(n)+g^{f(n)}(n)=f(n+1)-g(n+1)+1 for every positive integer nn. Here, fk(n)f^{k}(n) means f(f(fk(n)))\underbrace{f(f(\ldots f}_{k}(n) \ldots)).

对于每个正整数 nn,确定从正整数集合到其本身满足 fg(n)+1(n)+gf(n)(n)=f(n+1)g(n+1)+1f^{g(n)+1}(n)+g^{f(n)}(n)=f(n+1)-g(n+1)+1 的所有函数对 (f,g)(f, g)。这里,fk(n)f^{k}(n) 表示f(f(fk(n)))\underbrace{f(f(\ldots f}_{k}(n) \ldots))

提示 1

先把题面里的关系改写成一个干净的代数对象。

提示 2

寻找不变量、对称式或一个可以降次数的替换。

提示 3

最后用判别式、因式分解、单调性或构造把所有可能排完。

完整解答

这页先给题面、题型和提示阶梯,完整证明留给读者逐步展开。2011 年 IMO Shortlist A4 可先归入代数:第一步把题设翻成对象、条件、目标三行;第二步沿提示寻找不变量、标准构型或关键变形;第三步补齐边界情形,并回到题目原要求核对。

这题适合先独立想一轮再打开提示。不要急着搜索完整解答,先问自己:题面里最硬的限制是哪一句?