Рассмотрите функциональное уравнение f(x+y) = f(x)f(y) для непрерывной функции на R. Какие решения возможны без допущения непрерывности и как непрерывность ограничивает класс решений
Уравнение: f(x+y)=f(x)f(y)f(x+y)=f(x)f(y)f(x+y)=f(x)f(y). Классификация. 1) Тривиальный случай. Если существует aaa с f(a)=0f(a)=0f(a)=0, то для любого 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. f≡0f\equiv 0f≡0. 2) Нетривиальные решения. Если f≢0f\not\equiv 0f≡0, то подставив y=0y=0y=0 получаем f(x)=f(x)f(0)f(x)=f(x)f(0)f(x)=f(x)f(0), следовательно f(0)=1f(0)=1f(0)=1. Далее f(x)=f(x2+x2)=f(x2)2≥0,
f(x)=f\Big(\frac{x}{2}+\frac{x}{2}\Big)=f\Big(\frac{x}{2}\Big)^2\ge 0, f(x)=f(2x+2x)=f(2x)2≥0,
и так как функция не тождественно нулевая, то на всей R\mathbb{R}R выполняется f(x)>0f(x)>0f(x)>0. Можно ввести a(x)=lnf(x)a(x)=\ln f(x)a(x)=lnf(x); тогда a(x+y)=lnf(x+y)=ln(f(x)f(y))=a(x)+a(y),
a(x+y)=\ln f(x+y)=\ln(f(x)f(y))=a(x)+a(y), a(x+y)=lnf(x+y)=ln(f(x)f(y))=a(x)+a(y),
т.е. aaa удовлетворяет уравнению Коши a(x+y)=a(x)+a(y)a(x+y)=a(x)+a(y)a(x+y)=a(x)+a(y). Обратно, для любой аддитивной функции a:R→Ra:\mathbb{R}\to\mathbb{R}a:R→R функция f(x)=ea(x)
f(x)=e^{a(x)} f(x)=ea(x)
даёт решение исходного уравнения. 3) Роль непрерывности. Если требовать непрерывность (всюду или в точке), то аддитивная функция aaa обязана быть линейной: a(x)=cxa(x)=c xa(x)=cx для некоторого c∈Rc\in\mathbb{R}c∈R. Следовательно непрерывные решения имеют вид f≡0илиf(x)=ecx (c∈R).
f\equiv 0\quad\text{или}\quad f(x)=e^{c x}\ (c\in\mathbb{R}). f≡0илиf(x)=ecx(c∈R). Примечание: без дополнительных условий (непрерывности, измеримости, монотонности или ограниченности на отрезке) существуют «дикие» аддитивные функции (зависящие от хама́левой базы), порождающие соответствующие патологические решения f(x)=ea(x)f(x)=e^{a(x)}f(x)=ea(x).
Классификация.
1) Тривиальный случай. Если существует aaa с f(a)=0f(a)=0f(a)=0, то для любого 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. f≡0f\equiv 0f≡0.
2) Нетривиальные решения. Если f≢0f\not\equiv 0f≡0, то подставив y=0y=0y=0 получаем f(x)=f(x)f(0)f(x)=f(x)f(0)f(x)=f(x)f(0), следовательно f(0)=1f(0)=1f(0)=1. Далее
f(x)=f(x2+x2)=f(x2)2≥0, f(x)=f\Big(\frac{x}{2}+\frac{x}{2}\Big)=f\Big(\frac{x}{2}\Big)^2\ge 0,
f(x)=f(2x +2x )=f(2x )2≥0, и так как функция не тождественно нулевая, то на всей R\mathbb{R}R выполняется f(x)>0f(x)>0f(x)>0. Можно ввести a(x)=lnf(x)a(x)=\ln f(x)a(x)=lnf(x); тогда
a(x+y)=lnf(x+y)=ln(f(x)f(y))=a(x)+a(y), a(x+y)=\ln f(x+y)=\ln(f(x)f(y))=a(x)+a(y),
a(x+y)=lnf(x+y)=ln(f(x)f(y))=a(x)+a(y), т.е. aaa удовлетворяет уравнению Коши a(x+y)=a(x)+a(y)a(x+y)=a(x)+a(y)a(x+y)=a(x)+a(y). Обратно, для любой аддитивной функции a:R→Ra:\mathbb{R}\to\mathbb{R}a:R→R функция
f(x)=ea(x) f(x)=e^{a(x)}
f(x)=ea(x) даёт решение исходного уравнения.
3) Роль непрерывности. Если требовать непрерывность (всюду или в точке), то аддитивная функция aaa обязана быть линейной: a(x)=cxa(x)=c xa(x)=cx для некоторого c∈Rc\in\mathbb{R}c∈R. Следовательно непрерывные решения имеют вид
f≡0илиf(x)=ecx (c∈R). f\equiv 0\quad\text{или}\quad f(x)=e^{c x}\ (c\in\mathbb{R}).
f≡0илиf(x)=ecx (c∈R).
Примечание: без дополнительных условий (непрерывности, измеримости, монотонности или ограниченности на отрезке) существуют «дикие» аддитивные функции (зависящие от хама́левой базы), порождающие соответствующие патологические решения f(x)=ea(x)f(x)=e^{a(x)}f(x)=ea(x).