大学入試問題です。
【問】任意の有理数x,yに対して、f((x+y)/2)=1/2*{f(x)+f(x)}を満たす関数f(x)について考える。
⑴xを与えられた有理数とするとき、すべて自然数nに対して、f(nx)=nf(x)ー(n-1)f(0)が成り立つことを示せ。
⑵すべての自然数nに対して、f(n)ーf(n-1)=f(1)ーf(0)が成り立つことを示せ。
⑶a=f(1)ーf(0)、b=f(0)とおくとき、任意の正の有理数x=p/q(ただしp,qは自然数)に対して、f(p/q)=a(p/q)+bを示せ。
途中式や考察を書いてくださると勉強になるので、よろしくお願いします。また、コメントにて質問もすることが多いので、そちらも時間があれば対応願いたいです。
No.4ベストアンサー
- 回答日時:
任意の有理数x,yに対して
f((x+y)/2)=(1/2){f(x)+f(y)}
(1)
P(n)=[f(nx)=nf(x)-(n-1)f(0)]
とする
P(1)=[f(x)=f(x)]は真
(1/2){f(2x)+f(0)}=f(x)
f(2x)+f(0)=2f(x)
だから
P(2)=[f(2x)=2f(x)-f(0)]は真
ある自然数n≧2に対してP(n-1)とP(n)は真と仮定すると
f((n-1)x)=(n-1)f(x)-(n-2)f(0)
f(nx)=nf(x)-(n-1)f(0)
f(nx)=(1/2){f((n+1)x)+f((n-1)x)}
だから
(1/2){f((n+1)x)+f((n-1)x)}=nf(x)-(n-1)f(0)
↓両辺に2をかけると
f((n+1)x)+f((n-1)x)=2nf(x)-2(n-1)f(0)
↓両辺からf((n-1)x)を引くと
f((n+1)x)=2nf(x)-f((n-1)x)-2(n-1)f(0)
↓f((n-1)x)=(n-1)f(x)-(n-2)f(0)だから
f((n+1)x)=2nf(x)-(n-1)f(x)+(n-2)f(0)-2(n-1)f(0)
f((n+1)x)=(n+1)f(x)-nf(0)
P(n+1)=[f((n+1)x)=(n+1)f(x)-nf(0)]も真だから
すべての自然数nに対して
f(nx)=nf(x)-(n-1)f(0)
が成り立つ
(2)
(1)でx=1とすると
自然数n≧2に対して
f(n)=nf(1)-(n-1)f(0)
f(n-1)=(n-1)f(1)-(n-2)f(0)
だから
f(n)-f(n-1)
=nf(1)-(n-1)f(1)-(n-1)f(0)+(n-2)f(0)
={n-(n-1)}f(1)-{n-1-(n-2)}f(0)
=f(1)-f(0)
∴
f(n)-f(n-1)=f(1)-f(0)
(3)
a=f(1)-f(0)
b=f(0)
p,qは自然数
x=p/q
とする
(1)から
f(p)=pf(1)-(p-1)f(0)
f(qx)=qf(x)-(q-1)f(0)
↓f(p)=f(qx)だから
qf(x)-(q-1)f(0)=pf(1)-(p-1)f(0)
↓両辺に(q-1)f(0)を加えると
qf(x)=pf(1)-(p-1)f(0)+(q-1)f(0)
qf(x)=p{f(1)-f(0)}+qf(0)
↓両辺をqで割ると
f(x)={f(1)-f(0)}(p/q)+f(0)
↓x=p/q,a=f(1)-f(0),b=f(0)だから
∴
f(p/q)=a(p/q)+b
No.3
- 回答日時:
もっときれいな方法はありそうですが。
とりあえず、(x,y)にいろいろな数字を代入して、
どんな結果になるか検討していきます。
すると、(x,y)が、
(0,1)のとき、f(1) = 1/2(f(0)+f(2))
(1,3)のとき、f(2) = 1/2(f(1)+f(3))
(2,4)のとき、f(3) = 1/2(f(2)+f(4))
ということが分かるので、
(n-2,n)を代入してみればよさそうという見当がつきます。
代入して、式をきれいに変形してみると、
f(n)-f(n-1)=f(n-1)-f(n-2)になります。
この左辺は問題(2)で示す予定の式です。
ここでa(n) = f(n)-f(n-1)と置いて、
a(n) = a(n-1) = a(n-2) = ・・・ = a(1)であり、
a(1)=f(1)-f(0)なので、(2)に求める式そのものが出てきます。
順番前後しますが、(1)については、
(x,y)に((n-2)x,nx)を代入してみれば、
f(nx)-f((n-1)x)=f((n-1)x)-f((n-2)x)なので、
同様に、
f(2x)-f(x)=f(x)-f(0)まで行きつきます。
f(nx)-f((n-1)x)=f(x)-f(0)なので、
f((n-1)x)-f((n-2)x)=f(x)-f(0)
f((n-2)x)-f((n-3)x)=f(x)-f(0)
f(2x)-f(x)=f(x)-f(0)で、また縦に足して、
f(nx)-f(x)=(n-1){f(x)-f(0)}が出てきます。
これが(1)で示したい式でした。
(3)は、(1)の式を使います。
(1)の式で、n=q,x=p/qを代入します。
f(p)-f(0)=q(f(p/q)-f(0))
同じく(1)の式で、n=p,x=1を代入します。
f(p)-f(0)=p(f(1)-f(0))
この2つの式から、
f(p/q)=(f(1)-f(0))(p/q)+f(0)
となることが分かります。
投稿ありがとうございます!
立ち止まったとき、まずは数字を代入してみて考察することが大切でした!思い出させて下さりありがとうございます。
しっかりとしたヒントを頂いた状態なので、やってみようと思います!
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【訂正】
⑴や⑵に入る前の導入部分の訂正。
f((x+y)/2)=1/2*{f(x)+f(x)}→→f((x+y)/2)=1/2*{f(x)+f(y)}
となっています!すみません。