Lời giải (Lim Olympic - Nghệ An TST - P2).
a) Trước hết, lấy 0<x<y và đặt h=3y−x>0. Thay (x,y,z,t) bởi (x,h,h,h) để suy ra
f(u)=f(x+3h)≥f(x)+3f(h)>f(x).
Vậy f tăng ngặt trên R+.
Tiếp theo, thay (x,y,z,t) bởi (n,1,1,1) suy ra
f(n+3)≥f(n)+3f(1)=f(n)+3.
Bằng quy nạp suy ra được f(3n+1)≥3n+1 với mọi số nguyên n≥0, do đó f(2026)≥2026.
b) Cách 1. Cố định x>0. Với mỗi m đủ lớn, gọi am là số nguyên dương lớn nhất thoả mãn
am≡1(mod3),am≤4mx.
Ta có 0≤4mx−am<3, nên am/4m→x. Bởi tính tăng ngặt của f và nhận xét trên nên
4mf(x)=f(4mx)≥f(am)≥amf(1)=am.
Cho m→∞ suy ra f(x)≥x.
Tương tự, gọi bm là số nguyên dương lớn nhất thoả mãn
bm≡1(mod3),bmx≤4m.
Khi đó 0≤4m/x−bm<3, nên 4m/bm→x. Ta có
bmf(x)≤f(bmx)≤f(4m)=4m.
Cho m→∞ suy ra f(x)≤x. Do đó f(x)=x với mọi x>0.
Cách 2. Cho x=y=z=t=u trong giả thiết, khi đó 4f(u)≤f(4u)≤4f(u) nên
f(4u)=4f(u),∀u>0
Từ đây ta suy ra được với mọi x,y,z,t>0 thì
4f(x)+f(y)+f(z)+f(t)≤4f(x+y+z+t)=f(4x+y+z+t).
Hơn nữa, khi thay (x,y,z,t) bởi (x,x,y,y) ta được
f(2x+y)≥2f(x)+f(y),∀x,y>0
Ta có f(2u)≥2f(u)+f(3u) và f(3u)≥2f(2u)+f(4u)=2f(2u)+4f(u) nên
f(2u)≥2f(u)+2f(3u)≥2f(u)+4f(2u)+4f(u)=4f(2u)+23f(u)
Suy ra f(2u)≥2f(u) nên f(u)≥2f(2u).
Mặt khác f(2u)=4f(2u) nên f(u)≥2f(2u), hay f(2u)≤2f(u). Vậy f(2u)=2f(u) với mọi u>0.
Vì vậy với mọi x,y>0, ta có f(x+y)=2f(2x+y)≥f(x)+f(y).
Từ f(1)=1 và f(2u)=2f(u), bằng cách lặp lại ta được f(2k)=2k với mọi k∈Z.
Xét r=2nm, trong đó m∈N∗ và n∈N, khi đó ta có f(2nm)≥mf(2n1)=2nm.
Chọn N>m là lũy thừa của 2, ta có f(2nN)=2nN và f(2nN−m)≥(N−m)f(2n1)=2nN−m.
Bởi vậy 2nN=f(2nN)≥f(2nm)+f(2nN−m)≥f(2nm)+2nN−m.
Suy ra f(2nm)≤2nm nên f(r)=r với mọi r>0 có dạng r=2nm với m∈N∗,n∈N.
Cuối cùng, với x>0 tùy ý, đặt rn=2n⌊2nx⌋ và sn=2n⌊2nx⌋+1 với mọi n đủ lớn.
Khi đó rn→x và sn→x. Vì f đồng biến nên rn=f(rn)≤f(x)≤f(sn)=sn.
Cho n→∞, ta được f(x)=x với mọi x>0, thử lại thấy thoả mãn.