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第4問

非負整数全体からそれ自身への関数 ff で、すべての非負整数 nn に対して f(f(n))=n+1987f(f(n)) = n + 1987 を満たすものが存在しないことを証明せよ。
ステップ 1/5: まず f が単射であることを示す
ざっくり言うと

ff を二度適用すると同じ平行移動を伴って入力が復元されるので、最初の像が同じ二つの入力はもともと等しくなければならない。

f(f(m))=f(f(n))  ⟹  m+1987=n+1987  ⟹  m=nf(f(m))=f(f(n))\implies m+1987=n+1987\implies m=n
詳しい解説

f(m)=f(n)f(m)=f(n) ならば両辺に ff を適用して f(f(m))=f(f(n))f(f(m))=f(f(n)) を得る。仮定より m+1987=n+1987m+1987=n+1987、したがって m=nm=n である。よって ff は単射である。