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函數(shù)方程求解 世界滾動(dòng)

2023-07-02 10:46:09來(lái)源：個(gè)人圖書館-123xyz123  

題目如下:

文章中會(huì)使用一些數(shù)學(xué)符號(hào):


(資料圖片僅供參考)

即 "令" 即 "恒等于" 即非負(fù)整數(shù)集 即正整數(shù)集 即整數(shù)集 即有理數(shù)集 即非負(fù)有理數(shù)集 即 "對(duì)于任意的/所有的"

一上來(lái)沒(méi)有太多思路的情況下最好的做法就是試值. 通過(guò)觀察函數(shù)方程的結(jié)構(gòu), 注意到最令人頭疼的是, 所以我們希望消除復(fù)合函數(shù). 自然會(huì)想到

這樣我們知道一個(gè)滿足該方程的函數(shù)是 , 接下來(lái)只需要討論 的情況. 因?yàn)槲覀円阎? 自然要去利用這個(gè)條件, 所以 因此是函數(shù)方程的另一個(gè)解. 下面繼續(xù)討論 的情況. 我們目前知道的值, 下面自然會(huì)想到求出的值. 此時(shí)我們?cè)囍禃r(shí)要注意到不能繼續(xù)使用, 因?yàn)檫@只會(huì)讓我們知道另外, 注意到方程的結(jié)構(gòu)非常容易操作, 因?yàn)榇蟛糠趾瘮?shù)內(nèi)并沒(méi)有再次進(jìn)行運(yùn)算, 唯一需要特別關(guān)注的是和兩項(xiàng). 比較容易想到 我們已經(jīng)獲得了大量的信息, 因此現(xiàn)在不妨大膽猜測(cè).

猜想1:

我們希望驗(yàn)證剛才提出的猜想, 即 . 我們?cè)撛趺打?yàn)證呢？實(shí)際上, 可以參考剛才的思路. 一開(kāi)始, 我們得出 , 從而推出 , 進(jìn)而結(jié)合前面的結(jié)論推出. 其實(shí)我們是在個(gè)命題全部正確性的基礎(chǔ)上, 推出命題是正確的, 其中代表.

令代表命題, 若其中任意命題錯(cuò)誤, 錯(cuò)誤, 反之 正確. 我們之前的操作證明了對(duì)于 , , 現(xiàn)在我們希望證明 . 下面進(jìn)行證明：

已知對(duì)于某,

由于

知

證明完畢后, 我們發(fā)現(xiàn)該證明可以直接使用. 這并不是大的問(wèn)題, 也不會(huì)影響我們后續(xù)的證明, 所以無(wú)需修改.

這種證明方式, 即利用以及一些特殊情況 (base case) 的正確性來(lái)證明某猜想的一般性被稱為數(shù)學(xué)歸納法, 是一種常見(jiàn)的證明方法.

結(jié)論1:

接下來(lái)的兩部分證明具有一定的挑戰(zhàn)性. 既然我們已經(jīng)討論完正整數(shù)的情況, 接下來(lái)自然會(huì)想到將證明拓展到非負(fù)有理數(shù)情況 (即完成非負(fù)數(shù)部分證明). 不妨設(shè)有理數(shù)為 . 經(jīng)過(guò)合理的猜測(cè), 我們希望證明

這并不好證明, 即使結(jié)合之前的結(jié)論也很難直接證明. 因此, 這種情況下一般會(huì)想到將題目及題目條件換一種方式表達(dá)出來(lái). 對(duì)于這道題, 我們可以從兩個(gè)方面考慮:

盡量避免"復(fù)雜形式=簡(jiǎn)單形式"的等式, 例如這里提出的. 原因也是很顯然的, 因?yàn)檫@樣很難看出其本質(zhì)與結(jié)構(gòu)特征, 并且可能省略了一些關(guān)鍵信息.函數(shù)內(nèi)盡量避免分?jǐn)?shù), 因?yàn)闆](méi)法處理.

有了這兩條"原則", 經(jīng)過(guò)一些嘗試后題目可轉(zhuǎn)化為

到這里貌似遇到了困難, 所以再?gòu)闹白C明的結(jié)論中尋找切入點(diǎn). 目前我們不是很清楚如何使用之前的結(jié)論, 不妨再次嘗試試值.

猜想2:

在這個(gè)階段, 我們并不確定怎么避開(kāi)分?jǐn)?shù), 因?yàn)樵囍档哪康木褪欠治龅男再|(zhì). 但是, 我們盡量避免出現(xiàn)類似的情況, 因?yàn)檫@樣會(huì)將我們的證明復(fù)雜化.

此時(shí), 我們要考慮

并由此得出

我們希望能將原方程轉(zhuǎn)化為

其中是與有關(guān)的函數(shù)表達(dá)式. 因此, 可將原方程整理為

結(jié)合,

由

結(jié)論2:

接下來(lái)證明負(fù)數(shù)的情況. 我們依然考慮利用這一項(xiàng)作為突破點(diǎn), 畢竟這允許我們結(jié)合對(duì)非負(fù)整數(shù)成立的性質(zhì)來(lái)求解. 若繼續(xù)使用跟前面一樣的試值方法會(huì)遇到一些困難 (可以自行嘗試, 留作練習(xí)). 因此, 可以先對(duì)條件盡可能地進(jìn)行轉(zhuǎn)化. 這里需要進(jìn)行嘗試, 但計(jì)算量并不大, 主要是利用之前的結(jié)論對(duì)方程進(jìn)行展開(kāi), 并且要取原方程中的主要條件. 因?yàn)橄霃纳贤黄? 所以令.

結(jié)合以上結(jié)論得

由得

由得

接下來(lái)有許多種處理方式, 在此我們介紹一個(gè)比較巧妙的函數(shù)方程組. 先看方法：

通過(guò)已知結(jié)論及, 構(gòu)造

那么我們?yōu)槭裁磿?huì)想到這一步呢？實(shí)際上, 我們發(fā)現(xiàn)的偶數(shù)次迭代給我們帶來(lái)了非常強(qiáng)的結(jié)論, 我們此時(shí)希望達(dá)到一個(gè)最好的情況, 也就是能將奇數(shù)次迭代的表達(dá)式與一個(gè)數(shù)字進(jìn)行直接的比較, 而我們目前只能將的情況寫為一個(gè)數(shù)字, 因此會(huì)想到用. 也正是因?yàn)橹苯颖容^的需求, 我們希望能利用在正有理數(shù)域上的單調(diào)性將表達(dá)式簡(jiǎn)化, 因此會(huì)想到取的平方. 經(jīng)過(guò)大膽的嘗試, 我們就可以得到以上方程組.相減, 并考慮在上的單調(diào)性：

若,

矛盾. 因?yàn)榉显匠? 則. 這里使用其他測(cè)試值也能得到矛盾, 不再展開(kāi)說(shuō)明.

對(duì)負(fù)數(shù)的情況使用數(shù)學(xué)歸納法, 再使用處理分?jǐn)?shù)的思路 (留作練習(xí)), 可得出

或或

容易驗(yàn)證這些函數(shù)均滿足原方程. 證畢.

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