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第3問

実数全体の集合上で定義された実数値関数 f:R→Rf:\mathbb{R}\to\mathbb{R} が、任意の実数 xx と yy に対して f(x+y)≤yf(x)+f(f(x))f(x+y)\le yf(x)+f(f(x)) を満たすとする。x≤0x\le0 のとき常に f(x)=0f(x)=0 となることを証明せよ。
ステップ 4/5: 二つの特別な値がともに 0 であることを確定する
ざっくり言うと

うまく選んだ数を先の不等式に戻すと、f(0) は上から 0、下から 0 に挟まれる。

a=b=0a=b=0
詳しい解説

手順2の不等式 f(x+y)≤(y+a)f(x)+bf(x+y)\le (y+a)f(x)+b に x=2a−1,y=1−ax=2a-1,y=1-a を代入すると、係数は y+a=1y+a=1、x+y=ax+y=a となり、f(a)≤f(2a−1)+bf(a)\le f(2a-1)+b、すなわち(f(a)=bf(a)=b を用いて)f(2a−1)≥f(a)−b=0f(2a-1)\ge f(a)-b=0 が得られる。手順3の大域評価 f(2a−1)≤0f(2a-1)\le0 と合わせると f(2a−1)=0f(2a-1)=0 が強制される。元の不等式で y=0y=0 とおくと任意の xx で f(x)≤f(f(x))f(x)\le f(f(x)) が成り立ち、x=2a−1x=2a-1 とおいて f(2a−1)=0f(2a-1)=0 を用いると 0≤f(f(2a−1))=f(0)=a0\le f(f(2a-1))=f(0)=a が得られる。しかし手順3より a=f(0)≤0a=f(0)\le0 でもあるので a=0a=0、するとまた b=f(a)=f(0)=a=0b=f(a)=f(0)=a=0。すなわち a=b=0a=b=0。