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第2問

R\mathbb{R} を実数全体の集合とする。すべての実数 xx と yy に対して f(f(x)f(y))+f(x+y)=f(xy).f(f(x)f(y)) + f(x+y) = f(xy). を満たす関数 f:R→Rf:\mathbb{R}\rightarrow\mathbb{R} をすべて求めよ。
ステップ 1/6: 自明な解と符号の対称性
f≡0,f(x)=x−1,f(x)=1−xf\equiv 0,\quad f(x)=x-1,\quad f(x)=1-x
詳しい解説

直接代入により、f≡0f\equiv 0、f(x)=x−1f(x)=x-1、f(x)=1−xf(x)=1-x はいずれもすべての x,yx,y について f(f(x)f(y))+f(x+y)=f(xy)f(f(x)f(y))+f(x+y)=f(xy) を満たすことが確かめられる。さらに、ff が解ならば −f-f も解である(ff を −f-f に置き換えると方程式は −f((−f(x))(−f(y)))−f(x+y)=−f(xy)-f((-f(x))(-f(y)))-f(x+y)=-f(xy) となり、(−f(x))(−f(y))=f(x)f(y)(-f(x))(-f(y))=f(x)f(y) を用いればこれはまさに −f-f に対する同じ方程式である)。したがって f(0)≥0f(0)\ge 0 を満たす解だけを求めれば十分であり、それ以外の解はそのうちのどれかの符号を反転したものである。