MathLabs

第5問

すべての実数 xx で定義された実数値関数 ff があり、ある正の定数 aa に対して、すべての xx について f(x+a)=12+f(x)−f(x)2f(x+a)=\frac12+\sqrt{f(x)-f(x)^2} が成り立つとする。(a) ff が周期関数であることを証明せよ。(b) a=1a=1 の場合に、条件を満たす非定数関数の例を与えよ。
ステップ 3/5: 2回目の反復で f(x) に戻る
ざっくり言うと

平方根は絶対値を生むが、ステップ1の全域での下界がその符号を決める。1回の適用では非線形写像を通るが、2回の適用では恒等写像となる。これはまさに周期 2a2a の周期性である。

f(x+2a)=12+f(x+a)−f(x+a)2=12+∣f(x)−12∣=f(x)f(x+2a)=\frac12+\sqrt{f(x+a)-f(x+a)^2}=\frac12+\left|f(x)-\frac12\right|=f(x)
詳しい解説

元の方程式で xx を x+ax+a に置き換える。ステップ2の恒等式より f(x+a)−f(x+a)2=(12−f(x))2f(x+a)-f(x+a)^2=(\frac12-f(x))^2 なので、f(x+2a)=12+(12−f(x))2=12+∣f(x)−12∣f(x+2a)=\frac12+\sqrt{(\frac12-f(x))^2}=\frac12+\left|f(x)-\frac12\right| となる。ステップ1より f(x)≥12f(x)\ge\frac12 だから絶対値は f(x)−12f(x)-\frac12 であり、すべての xx で f(x+2a)=f(x)f(x+2a)=f(x) となる。