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第1問

Z\mathbb{Z} を整数全体の集合とする。すべての整数 aa、bb に対して f(2a)+2f(b)=f(f(a+b)).f(2a) + 2f(b) = f(f(a + b)). を満たす関数 f ⁣:Z→Zf\colon\mathbb{Z}\to\mathbb{Z} をすべて求めよ。
ステップ 2/7: 二つの代入を比較する
ざっくり言うと

二組の異なる値を代入すると、同じ量 f(f(x)) に対する二通りの表示が得られる。

P(0,x),P(x,0) ⟹ f(2x)=2f(x)−f(0)P(0,x),P(x,0)\ \Longrightarrow\ f(2x)=2f(x)-f(0)
詳しい解説

P(0, x) と P(x, 0) を比較すると、どちらも f(f(x)) に等しい。前者は f(0) + 2f(x) を与え、後者は f(2x) + 2f(0) を与える。両者を等しいと置いて整理すると、f(2x) は 2f(x) から f(0) を引いたものに等しいことが分かる。