      P 48 (2020/2021) 54 O reševanju funkcijskih enačb J J S V osnovni in srednji šoli pogosto rešujemo enač- be, v katerih neznanke predstavljajo iskana števila in jih moramo z znanimi postopki izraziti, da pri- demo do možnih rešitev. Funkcijske enačbe so nekoliko drugačne in za reševanje nimajo enostav- nih, ustaljenih postopkov, ampak zahtevajo tudi veliko mero iznajdljivosti. Zato so naloge s funkcij- skimi enačbami pogost izziv na zahtevnejših mate- matičnih tekmovanjih. V članku bomo najprej spoznali nekaj osnovnih principov reševanja takšnih enačb, nato pa bomo re- šili še nekaj novejših nalog z mednarodnih tekmo- vanj. Za začetek si oglejmo enostaven primer funk- cijske enačbe. Naloga 1. Določi vse funkcije f : R Ñ R, ki zadoščajo enačbi f px `yq “ x ` f pyq za vsaka x in y P R. Kaj naloga zahteva od nas? Ne iščemo vseh števil, ki bi rešila enačbo, temveč želimo najti vse takšne funkcije. Res je, da v enačbi nastopata tudi spremen- ljivki x in y , a ne iščemo njunih vrednosti, prav na- sprotno: ugotavljamo, kakšne so tiste funkcije, za katere ustrezna enakost velja za vsako veljavno iz- biro x in y . Zgornjo funkcijsko enačbo lahko razumemo kot sistem neskončno mnogo enačb, ki jih dobimo, če namesto x in y vstavljamo konkretne vrednosti. Na nek način bi se dalo tudi reči, da imamo neskončno mnogo neznank: vrednosti f pxq za vsa števila x iz definicijskega območja. Kako se lotimo reševanja takšnih enačb? Dose- danji razmislek namiguje, da se moramo pri vsaki enačbi znajti malo drugače. Vseeno obstaja nekaj po- gostih pristopov. Najenostavnejši je vstavljanje kon- kretnih vrednosti spremenljivk, denimo 0 ali 1, ali enačenje spremenljivk v enačbi. Poskusimo z vsta- vljanjem x “ y “ 0 v našo začetno enačbo. Tako ugotovimo, da mora za iskano funkcijo f veljati ena- kost f p0 ` 0q “ 0 ` f p0q oziroma f p0q “ f p0q. Ta enakost nam očitno ne prinese novih informacij, saj velja za poljubno funkcijo f . Poskusimo s sub- stitucijo samo v eni spremenljivki, recimo y “ 0, s katero dobimo enakost f pxq “ x ` f p0q. Kaj nam to pove? Vrednost f p0q je neko fiksno re- alno število, recimo mu c. Dokazali smo torej, da mora za iskano funkcijo f veljati f pxq “ x ` c za vsak x P R, kjer je c P R neka konstanta. Zdaj lahko preverimo, ali takšna funkcija sploh ustreza začetni enačbi. Vstavimo predpis v enačbo in do- bimo, da mora veljati x `y ` c “ x ` py ` cq za vse x,y P R, kar velja ne glede na izbiro konstante c. Funkcije oblike f pxq “ x`c, kjer je c P R poljubna konstanta, so torej vse rešitve začetne funkcijske enačbe.       P 48 (2020/2021) 5 5 Povzemimo: vstavili smo y “ 0 in ugotovili, da mora za vsako rešitev začetne funkcijske enačbe ve- ljati f pxq “ x ` c za neko konstanto c P R. Vse mo- žne rešitve so torej take oblike, s preverjanjem pa smo nato dokazali še, da so vse funkcije take oblike zares rešitve. Naloga 2. Določi vse funkcije f : R Ñ R, ki zadoščajo enačbi f px ` f pxq `yq “ y ` f p2yq za vse x,y P R. Če poskusimo z vstavljanjem konkretnih vredno- sti, lahko dobimo enačbe, kot so f px` f pxqq “ f p0q, f pf p0qq “ f p0q ali podobne, ki tokrat niso direktno uporabne. Izkaže se, da bomo do rešitve zelo eno- stavno prišli na malo drugačen način. Poskusimo enačiti argumenta obeh pojavitev f , da se člena med seboj pokrajšata: vstavimo y “ x ` f pxq. Dobimo f p2x ` 2f pxqq “ x ` f pxq ` f p2px ` f pxqqq, kar je seveda ekvivalentno x ` f pxq “ 0. Ta enačba pove, da mora za vsak x P R veljati f pxq “ ´x, torej imamo predpis edine funkcije, ki lahko reši enačbo. Preverimo, da jo res, torej vstavimo predpis v osnovno enačbo in dobimo ´ x ` x ´y “ y ´ 2y, kar res velja za poljubni realni števili x in y . V tem primeru ima funkcijska enačba eno samo rešitev. Do pomembnih sklepov pri reševanju funkcijskih enačb nas lahko pripeljejo tudi posebne lastnosti funkcij. Spomnimo se, da je funkcija f : A Ñ B sur- jektivna, če za vsak b P B obstaja nek a P A, za ka- terega velja f paq “ b. Za dokaz surjektivnosti funk- cije, ki je morda eksplicitno ne poznamo, zadošča zapisati enakost, v kateri je na eni strani funkcija f s sestavljenim, a dobro definiranim argumentom, na drugi strani pa nek izraz, za katerega vemo, da zavzame vse možne vrednosti. Oglejmo si dva zah- tevnejša primera funkcijskih enačb, v katerih surjek- tivnost igra pomembno vlogo. Naloga 3 (Slovenski izbirni test za MMO 2016). Določi vse funkcije f : R` Ñ R`, za katere velja f ˆ x f pyq ˙ “ pf pxqq 2 yf pf pxqq za vse x,y ą 0. Tokrat iščemo samo funkcije iz pozitivnih realnih števil v pozitivna realna števila. Lahko bi poskusili s kakšnim vstavljanjem, a se raje lotimo naloge malo drugače. Po premisleku vidimo, da pri fiksnem x izraz na desni strani zavzame vsa pozitivna realna števila, ko y preteče vsa pozitivna realna števila. To lahko utemeljimo tudi tako, da namesto y vstavimo pf pxqq2 yf pf pxqq in dobimo f ¨ ˝ x f ´ pf pxqq2 yf pf pxqq ¯ ˛ ‚“ y. Argument funkcije f na levi strani je dobro definiran. Ker desna stran zavzame poljubno pozitivno realno število, smo torej ugotovili, da je f surjektivna. Naslednji smiseln korak bi bil, da v začetni enačbi na levi strani nekako dobimo f pxq, da se lahko ta člen z enakim na desni strani pokrajša. Ker je f sur- jektivna, lahko vstavimo y “ c, kjer je c poljubno pozitivno realno število z lastnostjo f pcq “ 1. Po poenostavitvi dobimo f pxq cf pf pxqq “ 1 oziroma f pxq “ cf pf pxqq. Z rešitvijo smo že skoraj pri koncu. Naj bo a po- ljubno pozitivno realno število. V zgornjo enačbo lahko namesto x zaradi surjektivnosti vstavimo ta- kšno število, ki se slika v a. S tem dobimo enačbo cf paq “ a, ki velja za vsako pozitivno realno število a in neko pozitivno realno število c. Vse možne funkcije, ki rešijo enačbo, so torej oblike f pxq “ kx, kjer je k “ 1c P R` neka konstanta. Z vstavljanjem v zače- tno enačbo ugotovimo, da je takšna funkcija rešitev začetne enačbe za vsak k P R`. Naslednja enačba, ki si jo bomo ogledali, je s Sre- dnjeevropske matematične olimpijade 2015, ki je po- tekala v Kopru v Sloveniji. Za razliko od prejšnjih pri- merov tokrat iščemo surjektivne funkcije na množici naravnih števil.       P 48 (2020/2021) 56 Naloga 4 (MEMO 2015). Poišči vse surjektivne funkcije f : N Ñ N, za katere za vsa naravna števila a in b velja natanko ena izmed naslednjih enačb: f paq “ f pbq, f pa` bq “ mintf paq, f pbqu. Nenavadni pogoj pove, da za iskane funkcije iz f paq ă f pbq sledi f pa ` bq “ f paq. Zaradi surjek- tivnosti gotovo obstaja naravno število a1 z lastno- stjo f pa1q “ 1. Denimo, da je f p1q ą 1. Potem sledi f pa1 `1q “ 1, pa tudi f pa1 `2q “ f ppa1 `1q`1q “ 1. Induktivno lahko zaključimo, da f pnq “ 1 za vsak n ě a1. V čem je težava tega sklepa? Funkcija f v tem primeru doseže le končno mnogo vrednosti, torej ne more biti surjektivna. Prišli smo do protislovja, zato mora veljati f p1q “ 1. Če sedaj v začetno enačbo vstavimo b “ 1, lahko vidimo, da za vsak a, za katerega f paq ‰ 1, velja f pa` 1q “ 1. Hkrati lahko z vstavljanjem a “ b “ 1 ugotovimo, da f p2q ‰ 1, saj velja prva enačba, zato druga ne sme veljati. Sledi f p3q “ 1, sedaj pa lahko z indukcijo dokažemo, da je f paq “ 1 natanko tedaj, ko je a lih, kar prepuščamo bralcu. Kaj lahko povemo o vrednosti f paq za soda števila a? Na enak način kot f p1q “ 1, bi lahko sedaj doka- zali, da je f p2q “ 2. Še več, po analognih sklepih kot prej bi lahko dokazali tudi, da je f paq “ 2 natanko tedaj, ko je a deljiv z 2 in ne s 4, podobno, da je f paq “ 3 natanko tedaj, ko je a deljiv s 4 in ne z 8. Ker lahko vsako naravno število a zapišemo v obliki a “ 2r ¨m, kjer je m neko liho število in r P N0, na podlagi dosedanjih ugotovitev postavimo domnevo, da mora za iskano funkcijo veljati f p2r ¨mq “ r ` 1. Za r “ 0 in r “ 1 smo to domnevo že dokazali, na- tančni bralci pa bodo morda sami dodali podrobno- sti dokaza z indukcijo za poljuben r in preverili, da ta funkcija ustreza začetni enačbi. Za konec si oglejmo še funkcijsko enačbo s tekmo- vanja Romanian Master of Mathematics 2019, ki se je izkazala za izjemno težko. www.dmfa.si Naloga 5 (RMM 2019, Jakob Jurij Snoj). Določi vse funkcije f : R Ñ R, za katere velja f px `yf pxqq ` f pxyq “ f pxq ` f p2019yq za vsa x,y P R. Tokrat rešujemo funkcijsko enačbo, pri kateri spremenljivke nastopajo le v argumentih funkcije, kar je pogosto znak, da je naloga zahtevnejša. Z vstavljanjem x “ 2019 se znebimo drugega člena na obeh straneh enačbe. Dobimo f p2019 `yf p2019qq “ f p2019q. Kaj nam ta enačba pove? Če velja f p2019q ‰ 0, v argumentu funkcije f na levi strani nastopajo vsa re- alna števila. V tem primeru je funkcija f konstantna in neničelna. Ni težko preveriti, da vse konstantne funkcije, vključno z ničelno, rešijo enačbo. Raziščimo še primer f p2019q “ 0 za nekonstan- tno funkcijo f . V osnovno enačbo lahko vstavimo y “ 1 in dobimo f px ` f pxqq “ f p2019q “ 0. Če ima funkcija f le eno ničlo, velja x`f pxq “ 2019, torej dobimo v tem primeru rešitev f pxq “ 2019 ´x, za katero lahko preverimo, da res reši enačbo. Sicer pa ima f vsaj še eno ničlo s ‰ 2019. Če vstavimo x “ s v osnovno enačbo, dobimo f psyq “ f p2019yq. Poskusimo to lastnost čim lepše izkoristiti. Name- sto x v začetno enačbo vstavimo s2019x, da dobimo enačbo f ´ s 2019 x `yf ´ s 2019 x ¯¯ ` f ´ s 2019 xy ¯ “ f ´ s 2019 x ¯ ` f p2019yq. Če prej omenjeno lastnost uporabimo na dobljeni enačbi in jo primerjamo z osnovno enačbo, dobimo f ´ s 2019 x `yf pxq ¯ “ f px `yf pxqq. Privzeli smo, da funkcija f ni konstantna, torej ob- staja neko število c z lastnostjo f pcq ‰ 0. V zgornji enačbi zamenjamo x s c ter y z y´ sc2019 f pcq , pa dobimo f pyq “ f ´ y ` c ´ 1 ´ s 2019 ¯¯ .       P 48 (2020/2021) 5 7 Za c ‰ 0 je torej funkcija f periodična z neko peri- odo p ą 0. Vstavimo x “ x ` p v osnovno enačbo in dobljeno enačbo primerjamo z osnovno. Po poe- nostavitvi dobimo f ppx ` pqyq “ f pxyq. V to enačbo lahko sedaj vstavimo x “ 0, da dobimo f ppyq “ f p0q za vse y . To pomeni, da je funkcija f konstantna, protislovje. V primeru, da ima iskana funkcija vsaj dve ničli, mora torej veljati f pcq “ 0 za vse vrednosti c ‰ 0. Pri preverjanju pa naletimo še na zadnje presenečenje: izkaže se, da je lahko vrednost f p0q poljubna. Tudi vse funkcije oblike f pxq “ # 0, če x ‰ 0; c, če x “ 0. rešijo enačbo. Funkcijska enačba ima torej tri tipe rešitev: vse konstantne funkcije f pxq “ c, linearno funkcijo f pxq “ 2019 ´ x in vse skoraj ničelne funkcije, ki imajo edino neničelno vrednost v točki 0. SLIKA 1. Tekmovanja Romanian Master of Mathematics 2019 v Bukarešti so se udeležili Marko Čmrlec, Lovro Drofenik, Luka Horjak in Jaka Vrhovnik v spremstvu Jakoba Jurija Snoja. ˆ ˆ ˆ Barvni sudoku V 8 ˆ 8 kvadratkov moraš vpisati začetna naravna števila od 1 do 8 tako, da bo v vsaki vrstici, v vsakem stolpcu in v kvadratkih iste barve (pravokotnikih 2 ˆ 4) nastopalo vseh osem števil. 5 8 6 3 2 4 8 3 4 1 2 8 3 8 7 4 4 5 b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b   ̌                71543826 38625471 56184237 42376518 67432185 85217643 23861754 14758362 bbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbb bbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbb bbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbb bbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbb bbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbb bbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbb bbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbb b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b ˆ ˆ ˆ