Найдите все функции f: R -> R, непрерывные и удовлетворяющие уравнению f(x+y)=f(x)f(y) для всех x,y, объясните шаги и тонкости доказательства непрерывности в одной точке
Решение. 1) Проверка тривиального случая. Если существует aaa с f(a)=0f(a)=0f(a)=0, то для любых xxxf(x)=f(x−a+a)=f(x−a)f(a)=0,
f(x)=f(x-a+a)=f(x-a)f(a)=0, f(x)=f(x−a+a)=f(x−a)f(a)=0,
т.е. либо f≡0f\equiv0f≡0, либо f(x)≠0f(x)\neq0f(x)=0 для всех xxx. 2) Значение в нуле. Подставив y=0y=0y=0 в уравнение, получаем f(x)=f(x)f(0)∀x,
f(x)=f(x)f(0)\quad\forall x, f(x)=f(x)f(0)∀x,
откуда либо f≡0f\equiv0f≡0, либо f(0)=1f(0)=1f(0)=1. 3) Непрерывность в одной точке ⇒ везде. Пусть fff непрерывна в некоторой точке x0x_0x0 и не тождественно ноль. Тогда при y→0y\to0y→0 имеем f(x0+y)=f(x0)f(y)→f(x0),
f(x_0+y)=f(x_0)f(y)\to f(x_0), f(x0+y)=f(x0)f(y)→f(x0),
откуда f(y)→1f(y)\to1f(y)→1 при y→0y\to0y→0, т.е. fff непрерывна в нуле. Для любого xxx и y→0y\to0y→0f(x+y)=f(x)f(y)→f(x)⋅1=f(x),
f(x+y)=f(x)f(y)\to f(x)\cdot1=f(x), f(x+y)=f(x)f(y)→f(x)⋅1=f(x),
значит fff непрерывна в произвольной точке xxx. (Это показывает «тонкость»: достаточно непрерывности в одной точке.) 4) Знак и логарифм. Если fff не тождественно ноль, то f(0)=1>0f(0)=1>0f(0)=1>0. Так как fff непрерывна и не обнуляется, она не может менять знак (иначе по теореме о промежуточных значениях была бы нулевая точка). Значит f(x)>0f(x)>0f(x)>0 для всех xxx. Поэтому можно ввести g(x)=lnf(x).
g(x)=\ln f(x). g(x)=lnf(x).
Из функционального уравнения следует g(x+y)=lnf(x+y)=ln(f(x)f(y))=lnf(x)+lnf(y)=g(x)+g(y),
g(x+y)=\ln f(x+y)=\ln(f(x)f(y))=\ln f(x)+\ln f(y)=g(x)+g(y), g(x+y)=lnf(x+y)=ln(f(x)f(y))=lnf(x)+lnf(y)=g(x)+g(y),
и ggg непрерывна (как композиция непрерывных функций). 5) Решение уравнения Аддитивности. Непрерывные решения уравнения g(x+y)=g(x)+g(y)g(x+y)=g(x)+g(y)g(x+y)=g(x)+g(y) имеют вид g(x)=cxg(x)=cxg(x)=cx для некоторой константы c∈Rc\in\mathbb Rc∈R. Следовательно f(x)=eg(x)=ecx.
f(x)=e^{g(x)}=e^{cx}. f(x)=eg(x)=ecx. Итог: все непрерывные функции f:R→Rf:\mathbb R\to\mathbb Rf:R→R, удовлетворяющие f(x+y)=f(x)f(y)f(x+y)=f(x)f(y)f(x+y)=f(x)f(y), это либо f≡0,
f\equiv0, f≡0,
либо f(x)=ecxдля некоторого c∈R.
f(x)=e^{cx}\quad\text{для некоторого }c\in\mathbb R. f(x)=ecxдлянекоторогоc∈R.
1) Проверка тривиального случая. Если существует aaa с f(a)=0f(a)=0f(a)=0, то для любых xxx f(x)=f(x−a+a)=f(x−a)f(a)=0, f(x)=f(x-a+a)=f(x-a)f(a)=0,
f(x)=f(x−a+a)=f(x−a)f(a)=0, т.е. либо f≡0f\equiv0f≡0, либо f(x)≠0f(x)\neq0f(x)=0 для всех xxx.
2) Значение в нуле. Подставив y=0y=0y=0 в уравнение, получаем
f(x)=f(x)f(0)∀x, f(x)=f(x)f(0)\quad\forall x,
f(x)=f(x)f(0)∀x, откуда либо f≡0f\equiv0f≡0, либо f(0)=1f(0)=1f(0)=1.
3) Непрерывность в одной точке ⇒ везде. Пусть fff непрерывна в некоторой точке x0x_0x0 и не тождественно ноль. Тогда при y→0y\to0y→0 имеем
f(x0+y)=f(x0)f(y)→f(x0), f(x_0+y)=f(x_0)f(y)\to f(x_0),
f(x0 +y)=f(x0 )f(y)→f(x0 ), откуда f(y)→1f(y)\to1f(y)→1 при y→0y\to0y→0, т.е. fff непрерывна в нуле. Для любого xxx и y→0y\to0y→0 f(x+y)=f(x)f(y)→f(x)⋅1=f(x), f(x+y)=f(x)f(y)\to f(x)\cdot1=f(x),
f(x+y)=f(x)f(y)→f(x)⋅1=f(x), значит fff непрерывна в произвольной точке xxx. (Это показывает «тонкость»: достаточно непрерывности в одной точке.)
4) Знак и логарифм. Если fff не тождественно ноль, то f(0)=1>0f(0)=1>0f(0)=1>0. Так как fff непрерывна и не обнуляется, она не может менять знак (иначе по теореме о промежуточных значениях была бы нулевая точка). Значит f(x)>0f(x)>0f(x)>0 для всех xxx. Поэтому можно ввести
g(x)=lnf(x). g(x)=\ln f(x).
g(x)=lnf(x). Из функционального уравнения следует
g(x+y)=lnf(x+y)=ln(f(x)f(y))=lnf(x)+lnf(y)=g(x)+g(y), g(x+y)=\ln f(x+y)=\ln(f(x)f(y))=\ln f(x)+\ln f(y)=g(x)+g(y),
g(x+y)=lnf(x+y)=ln(f(x)f(y))=lnf(x)+lnf(y)=g(x)+g(y), и ggg непрерывна (как композиция непрерывных функций).
5) Решение уравнения Аддитивности. Непрерывные решения уравнения g(x+y)=g(x)+g(y)g(x+y)=g(x)+g(y)g(x+y)=g(x)+g(y) имеют вид g(x)=cxg(x)=cxg(x)=cx для некоторой константы c∈Rc\in\mathbb Rc∈R. Следовательно
f(x)=eg(x)=ecx. f(x)=e^{g(x)}=e^{cx}.
f(x)=eg(x)=ecx.
Итог: все непрерывные функции f:R→Rf:\mathbb R\to\mathbb Rf:R→R, удовлетворяющие f(x+y)=f(x)f(y)f(x+y)=f(x)f(y)f(x+y)=f(x)f(y), это либо
f≡0, f\equiv0,
f≡0, либо
f(x)=ecxдля некоторого c∈R. f(x)=e^{cx}\quad\text{для некоторого }c\in\mathbb R.
f(x)=ecxдля некоторого c∈R.