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Encontrar todas las funciones que satisfacen un determinado funcional de la ecuación

Me fue dado por un amigo mío con el siguiente problema. Encontrar todas las funciones de $f:\mathbb R\to\mathbb R$ que cumplir con los siguientes funcional de la ecuación de $$f(y+f(x))=f(x)f(y)+f(f(x))+f(y)-xy.$$

Pasamos junto a un buen montón de tiempo tratando de resolverlo. Sin embargo, el más lejano que podía llegar era a que establezcamos $f(0)=0$. No hay información acerca de cualquiera de inyectividad ni surjectivity a todos los que fueron capaces de hacer derivar así que se siente muy frustrado y me decidí a preguntar aquí.

Muchas gracias de antemano.

-Guido-

EDIT: me unadvertedly intercambiaron $y$ $x$ $LHS$ de la ecuación. Ahora he Editado y es cierto que $f(0)=0$.

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clintp Puntos 5127

Para cualquier $x,y\in \mathbb R$ hemos $$\begin{align} f(x)f(y)+f(f(x))+f(y)-xf(y) &=f(x)f(f(y))+f(f(x))+f(f(y))-xf(y)\\ &=f(x+f(f(y)))\\ &=f(x+f(y))\\ &=f(x)f(y)+f(f(x))+f(y)-xy\\ \end{align}$$ desde $f(f(y))=f(y)$. Por lo tanto $xf(y)=xy$. Establecimiento $x=1$ muestra que $f$ es la identidad.

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user15453 Puntos 291

Me gustaría dar una solución tanto de las instancias del problema que apareció aquí, en diferentes momentos, es decir, la versión publicada antes de la OP editado su post y la actual. Primero quiero resolver el problema tal y como se indica en el OP.

Problema Que Yo

$$f(y+f(x))=f(x)f(y)+f(f(x))+f(y)-xy.$$ Como ya se ha notado, la configuración de $y=0$, se llega a $$f(f(x))=f(0)f(x)+f(f(x))+f(0)$$ which leads to $f(x)\equiv -1$, which is not a solution of the problem, or $f(0)=0$. Incidentally, even though it is not crucial for the solution, notice that if we assume that there is an $\bar x$ such that $f(\bar x)=0$, setting $x=\bar x$ we infer that $f(y)=f(y)-\bar xy$. In particular, setting $y=1$, we conclude $\bar x=0$.

A continuación, conecte enla ecuación de $f(y)$ en lugar de $y$ para obtener $$f(f(y)+f(x))=f(x)f(f(y))+f(f(x))+f(f(y))-xf(y).$$ Interchange the roles of $x$ and $y$ to obtain similarly $$f(f(x)+f(y))=f(f(x))f(y)+f(f(y))+f(f(x))-yf(x).$$ Compare these two equations to conclude that $$\frac{f(f(x))+x}{f(x)}=\frac{f(f(y))+y}{f(y)}=k,$$ where $k$ es un constante.

Sustituir en la ecuación original para obtener $$f(y+f(x))=f(x)f(y)-x+kf(x)+f(y)-xy.$$ Denote $a:=f(-1)$ and choose $y=-1$ to obtain $$f(f(x)-1)=(a+k)f(x)+a$$

Editar Gracias a Dejan que señaló un error en mi prueba

Enchufe en la ecuación original $f(y)-1$ en lugar de $y$ obtener $$\begin{aligned}f(f(y)+f(x)-1)&=f(x)[(a+k)f(y)+a]-x+kf(x)-x(f(y)-1)\\&=(a+k)(f(x)+f(y))-xf(y).\end{aligned}$$ Exchange $x$ and $y$ to obtain $$f(f(y)+f(x)-1)=(a+k)(f(x)+f(y))-yf(x).$$ Compare these two equations to deduce that $$\frac{f(x)}{x}=\frac{f(y)}{y}=a.$$

Sustituir en la ecuación original para averiguar que el total admisible de los valores de $a$ sólo $\pm 1$ es decir $$f(x)=\pm x.$$

Problema II

Ahora vamos a ver qué pasa si la ecuación está escrita en su lugar como $$f(x+f(y))=f(x)f(y)+f(f(x))+f(y)-xy.$$ Setting $x=y=0$ one deduces that $$f(0)^2+f(0)=0$$ from which $f(0)\in \{-1, 0\}$.

Asumir, a continuación,$f(0)=0.$, a Continuación, conecte la ecuación de $x=0$ a deducir que $f(y)=f(f(y)).$

Vamos a ver que $f$ es inyectiva. Supongamos que hay $y\neq z$$f(y)=f(z)$. Uso de la ecuación con $y$ $z$ y deducir que en este caso $x(y-z)=0$ para todos los $x\in\mathbb R$, lo cual es claramente imposible. A continuación, $f$ es inyectiva. Ahora, recordemos que en nuestra hipótesis de la ecuación de los estados como $$f(x+f(y))=f(x)f(y)+f(x)+f(y)-xy.$$ Exchange $x$ and $y$ to obtain $$f(y+f(x))=f(y)f(x)+f(y)+f(x)-yx.$$ It follows from the injectivity of $f$ that $$f(x)-x=f(y)-y=k=0.$$ es fácil comprobar que la identidad es, de hecho, una solución de nuestra ecuación.

Ahora imagine $f(0)=-1$. Entonces, la elección de $x=0$, se deduce $$f(f(y))=f(f(-1))=a.$$ Substitute then $x$ with $f(x)$ to derive $$f(f(x)+f(y))=af(y)+f(a)+f(y)-f(x)y.$$ Similarly, also $$f(f(x)+f(y))=af(x)+f(a)+f(x)-f(y)x$$ holds. Therefore we finally find that $$\frac{f(x)}{(a+1+x)}=\frac{f(y)}{(a+1+y)}=c.$$ It follows that there are constants $c,d\in\mathbb R$ such that $$f(x)=cx+d.$$ From the fact that $f(f(x))=a$, we deduce $c=0$, and from $f(0)=-1$, it follows $f\equiv -1$, que no es una solución del problema.

2voto

confused Puntos 71

Parcial de progreso: Supongamos $f:\mathbb R\to\mathbb R$ satisface la ecuación funcional $$f(y+f(x))=f(x)f(y)+f(f(x))+f(y)-xy.\tag{$*$}$$

Proposición 1. Supongamos $f(x_0)=0$. A continuación,$x_0=0$.

Prueba. Conectar $x=x_0$ y un arbitrario $y$ dentro de la ecuación y usando el hecho de que $f(0)=0$ rendimientos $0=-x_0y$. Recogiendo $y=-1$ se obtiene el resultado. $\square$

Proposición 2. La función de $f$ es inyectiva.

Prueba. Enchufar un arbitrario $x$ $y=f(x)$ en la ecuación nos dice que $$f(2f(x))=f(x)f(f(x))+2f(f(x))-xf(x)\tag{1}$$ holds for every $x$. Now, suppose $f(x_1)=f(x_2)$ for some $x_1,x_2\in\mathbb R$. Then $$f(2f(x_1))=f(2f(x_2))$$ must hold. By $(1)$ this means that $$f(x_1)f(f(x_1))+2f(f(x_1))-x_1f(x_1)=f(x_2)f(f(x_2))+2f(f(x_2))-x_2f(x_2)$$ holds. Using the fact that $f(x_1)=f(x_2)$ again, this implies that $$-x_1f(x_1)=-x_2f(x_1).$$ Now, if $f(x_1)$ is non-zero, we can divide by it and we are done. Otherwise, $f(x_1)=f(x_2)=0$ and by Proposition 1, $x_1=x_2=0$. This completes the proof. $\square$

AÑADIÓ:

Proposición 3. Supongamos que existe una $x_1\in\mathbb R$ tal que $f(x_1)=-1$. A continuación,$f=\pm\operatorname{id}_{\mathbb R}$.

Prueba. Si $x_1$ existe, conéctelo a la ecuación en lugar de $x$. Enchufe en una arbitraria $y$. Esto nos da $$f(y-1)=f(-1)-x_1y.$$ Since $y$ fue arbitraria, esto implica que $$f(y)=f(-1)-x_1(y+1).$$ This means that $f$ is linear. It is easy to verify that the only linear solutions of the equation are given by $f(x)=x$ and $f(x)=-x$. $\square$

Así que, para completar la prueba de que estas dos soluciones son los únicos, sólo se necesita mostrar que $f(x_1)=-1$ algunos $x_1\in\mathbb R$. (Si esto es cierto.)

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