Дано уравнение функциональное: f(x+y) = f(x) f(y) для всех вещественных x,y и непрерывность в нуле. Найдите все такие функции и объясните роль условия непрерывности
Решение кратко. 1) Подставим x=y=0x=y=0x=y=0: f(0)=f(0)2f(0)=f(0)^2f(0)=f(0)2, значит либо f(0)=0\,f(0)=0f(0)=0, либо f(0)=1\,f(0)=1f(0)=1. 2) Если f(0)=0f(0)=0f(0)=0, то для любого xxx имеем f(x)=f(x+0)=f(x)f(0)=0f(x)=f(x+0)=f(x)f(0)=0f(x)=f(x+0)=f(x)f(0)=0. Значит одна функция — тождественно нулевая: f(x)≡0f(x)\equiv0f(x)≡0. 3) Пусть f(0)=1f(0)=1f(0)=1. Тогда из f(x)=f(x/2)2f(x)=f(x/2)^2f(x)=f(x/2)2 следует f(x)≥0f(x)\ge0f(x)≥0. Если для какого‑то x0x_0x0f(x0)=0f(x_0)=0f(x0)=0, то как в п.2 получаем тождественный ноль, против предположения. Значит для ненулевого случая f(x)>0f(x)>0f(x)>0 при всех xxx. Можно ввести g(x)=lnf(x)g(x)=\ln f(x)g(x)=lnf(x). Тогда g(x+y)=lnf(x+y)=ln(f(x)f(y))=g(x)+g(y),
g(x+y)=\ln f(x+y)=\ln(f(x)f(y))=g(x)+g(y), g(x+y)=lnf(x+y)=ln(f(x)f(y))=g(x)+g(y),
т.е. ggg удовлетворяет аддитивному уравнению Коши. 4) Условие непрерывности fff в нуле даёт f(h)→1f(h)\to1f(h)→1 при h→0h\to0h→0, откуда g(h)=lnf(h)→0g(h)=\ln f(h)\to0g(h)=lnf(h)→0. То есть ggg непрерывна в нуле. Из общеизвестного факта о решениях уравнения Коши: аддитивная функция, непрерывная в одной точке, линейна, то есть существует константа ccc такая, что g(x)=cxдля всех x.
g(x)=cx\quad\text{для всех }x. g(x)=cxдлявсехx.
Следовательно f(x)=eg(x)=ecx.
f(x)=e^{g(x)}=e^{cx}. f(x)=eg(x)=ecx. Итого все решения: либо f(x)≡0f(x)\equiv0f(x)≡0, либо f(x)=ecxf(x)=e^{cx}f(x)=ecx для некоторого c∈Rc\in\mathbb{R}c∈R. Роль условия непрерывности в нуле: оно исключает патологические (непрерывные нигде) аддитивные функции A(x)A(x)A(x), дающие решения вида f(x)=eA(x)f(x)=e^{A(x)}f(x)=eA(x). Без условия непрерывности общая форма ненулевых решений — f(x)=exp(A(x))f(x)=\exp(A(x))f(x)=exp(A(x)), где AAA — любая аддитивная функция (в том числе ненепрерывная).
1) Подставим x=y=0x=y=0x=y=0: f(0)=f(0)2f(0)=f(0)^2f(0)=f(0)2, значит либо f(0)=0\,f(0)=0f(0)=0, либо f(0)=1\,f(0)=1f(0)=1.
2) Если f(0)=0f(0)=0f(0)=0, то для любого xxx имеем f(x)=f(x+0)=f(x)f(0)=0f(x)=f(x+0)=f(x)f(0)=0f(x)=f(x+0)=f(x)f(0)=0. Значит одна функция — тождественно нулевая: f(x)≡0f(x)\equiv0f(x)≡0.
3) Пусть f(0)=1f(0)=1f(0)=1. Тогда из f(x)=f(x/2)2f(x)=f(x/2)^2f(x)=f(x/2)2 следует f(x)≥0f(x)\ge0f(x)≥0. Если для какого‑то x0x_0x0 f(x0)=0f(x_0)=0f(x0 )=0, то как в п.2 получаем тождественный ноль, против предположения. Значит для ненулевого случая f(x)>0f(x)>0f(x)>0 при всех xxx. Можно ввести g(x)=lnf(x)g(x)=\ln f(x)g(x)=lnf(x). Тогда
g(x+y)=lnf(x+y)=ln(f(x)f(y))=g(x)+g(y), g(x+y)=\ln f(x+y)=\ln(f(x)f(y))=g(x)+g(y),
g(x+y)=lnf(x+y)=ln(f(x)f(y))=g(x)+g(y), т.е. ggg удовлетворяет аддитивному уравнению Коши.
4) Условие непрерывности fff в нуле даёт f(h)→1f(h)\to1f(h)→1 при h→0h\to0h→0, откуда g(h)=lnf(h)→0g(h)=\ln f(h)\to0g(h)=lnf(h)→0. То есть ggg непрерывна в нуле. Из общеизвестного факта о решениях уравнения Коши: аддитивная функция, непрерывная в одной точке, линейна, то есть существует константа ccc такая, что
g(x)=cxдля всех x. g(x)=cx\quad\text{для всех }x.
g(x)=cxдля всех x. Следовательно
f(x)=eg(x)=ecx. f(x)=e^{g(x)}=e^{cx}.
f(x)=eg(x)=ecx.
Итого все решения: либо f(x)≡0f(x)\equiv0f(x)≡0, либо f(x)=ecxf(x)=e^{cx}f(x)=ecx для некоторого c∈Rc\in\mathbb{R}c∈R.
Роль условия непрерывности в нуле: оно исключает патологические (непрерывные нигде) аддитивные функции A(x)A(x)A(x), дающие решения вида f(x)=eA(x)f(x)=e^{A(x)}f(x)=eA(x). Без условия непрерывности общая форма ненулевых решений — f(x)=exp(A(x))f(x)=\exp(A(x))f(x)=exp(A(x)), где AAA — любая аддитивная функция (в том числе ненепрерывная).