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第5問

正の整数全体から正の整数全体への関数 ff で、任意の正の整数 aa、bb に対して、辺の長さが aa, f(b)f(b), f(b+f(a)−1)f(b+f(a)-1) である退化しない三角形が存在するようなものをすべて求めよ。(三角形が退化しないとは、その頂点が一直線上にないことをいう。)
ステップ 3/4: 帰納法で f が完全に等差的であることを示す
f(n)=1+(n−1)Δ  for every n≥1f(n)=1+(n-1)\Delta\ \text{ for every } n\ge1
詳しい解説

f(n)=1+(n−1)Δf(n)=1+(n-1)\Delta がすべての n≥1n\ge1 で成り立つことを帰納法で示す。n=1n=1(f(1)=1f(1)=1 より)と n=2n=2(Δ\Delta の定義より)で成り立つ。ある n≥2n\ge2 まで成り立つとする。このとき f(n−1)=1+(n−2)Δ≠1+nΔ=f(n)+Δf(n-1)=1+(n-2)\Delta\ne1+n\Delta=f(n)+\Delta(両者は 2Δ≠02\Delta\ne0 だけ異なる)なので、手順2の代替案「f(n−1)=f(n)+Δf(n-1)=f(n)+\Delta」はあり得ない。よって f(n+1)=f(n)+Δ=1+nΔ=1+((n+1)−1)Δf(n+1)=f(n)+\Delta=1+n\Delta=1+((n+1)-1)\Delta となり、帰納法が完了する。