猜想成立
探求f(x)的存在性比寻找f(0)的值更有意思,虽然较繁。 我之前的f(x)不存在的猜想是错误的,在实数范围内的确
可以找到一个(其实有无数个)函数f(x)满足
f(f(x)) = x^2 - x + 1 ------ (1)
过程如下:
设g(x)=f(f(x)) = x^2-x+1
首先注意 g(x)=(x-1/2)^2 + 3/4 关于x=1/2对称,而且对任何x都有g(x) >= 3/4 > 1/2
假若我们能找到一个定义在[1/2, ∞)范围内f(x)满足(1), 则很容易把它扩展到所有实数范围,
只需对所有 t<1/2, 定义
f(t) = f(1-t)
因为g(t)=g(1-t), 而且没有任何一个实数u能使得g(u)=t<1/2, 这样扩展的f(x)对所有实数都满足(1)
因此,问题归结为寻找定义在[1/2, ∞)中的一个函数f(x)满足(1)
基本思路是"函数链条"
--- 定义1
设有实数列a[i]
..., a[-n], a[-n+1], ... a[-1], a[0], a[1], ... a[n], ...
满足
a[i+2] = g(a[i]) = a[i]^2 - a[i] + 1 i=...-n,...-1,0,1,...n...
则称a[i]是一个"函数链"。 不同于通常的数列,函数链没有第一项,我们可把它理解为定义在整数集Z上的函数
** 注意: 函数链中的递推关系是从i到i+2,跳过了中间的i+1
如果能把区间[1/2,∞)分解为许多函数链的并集, 并且任何两个函数链之间没有相同数, 则我们可把[1/2,∞)中任意点t的
函数值f(t)定义为它在函数链中所处位置的下一个元素的值:
f(a[i]) = a[i+1]
这样的函数f显然满足(1)
如是,问题归结为把区间 A=[1/2,∞) 分解为许多函数链的非交并集, 解法如下:
注意g(x)在A中单调,因此它有反函数 g^(-1)(x)
定义
g^0(x) = x
g^1(x) = g(x)
g^2(x) = g(g(x))
...
g^n(x) = g(g^(n-1)(x))
g^(-1)(x) = g^(-1)(x)
g^(-2)(x) = g^(-1)(g^(-1)(x))
...
g^(-n)(x) = g^(-1)(g^(-n+1)(x))
...
定义A中一个关系~如下:
a~b 如果有整数m(可为正,0或负)使得
a = g^m(b)
不难验证~是等价关系, 因此它把A分为许多等价类的非交并集合, 等价类的个数有无穷多个(而且是不可数的)
注意g(1)=1,因此1的等价类只有它一个元素,而对不等于1的任意数t,有g(t)>t (因g(t)-t=(t-1)^2>0), 因此t的等价
类有无穷个元素(注意是可数无穷)。
对于这些无穷多个等价类(每个类又有无穷个元素), 由选择公理,我们可以把这些等价类每两个组成一组,这些组之间也是彼此非交的
考虑其中任意一组 {B, C}, B, C分别是等价类,因此可把B列为
..., b[-n], b[-n+1], ...., b[-1], b[0], b[1], ... b[n], ...
满足 b[i+1] = g(b[i])
又把C列为
..., c[-n], c[-n+1], ...., c[-1], c[0], c[1], ... c[n], ...
满足 c[i+1] = g(c[i])
现在是关键的一步: 我们把上面两个数列合并,得到一个满足定义1的函数链:
定义数列E为
..., b[-n],c[-n],b[-n+1],c[-n+1], ..., b[-1],c[-1],b[0],c[0],b[1],c[1],...,b[n],c[n],...
则有 e[i+2] = g(e[i]), 即它满足前面定义1条件。 合并B和C得到的E是一个函数链
至此,我们已经把A中所有不等1的数的集合分成了非交函数链的集合,因此可再其上定义满足(1)式的函数f(x), 再加上定义f(1)=1, 对A
中所有数(从而所有实数)f都有定义, 证毕。
此存在性证明是非构造性的(用了选择公理),不够完美,但我们可从中知道与原题相关的两点:
1. 我们能求出f(1)的值是因为1的等价类只有它一个元素。 能求出f(0)的值是因为0与1关于1/2对称
2. 对于A中不同于1的任何数(例如2), 我们可以任意选择一个等价类与之配为一组,因此,它的值可以有无数种可能
大酱风度
2024-09-02 09:23:12赞。认真学习了