方針
まず x = y = 0 x = y = 0 から f ( 0 ) = 0 f ( 0 ) = 0 を出し、y = − x y = − x で奇関数性を示す。微分可能性は、関数方程式を f ( ( x + y ) / ( 1 + x y ) ) − f ( x ) = f ( y ) f (( x + y ) / ( 1 + x y )) − f ( x ) = f ( y ) と見て、y → 0 y → 0 の差商を作る。与えられているのは x = 0 x = 0 での微分可能性だけなので、ここから任意の x x の微分係数を導く。最後は f ′ ( x ) = 1 / ( 1 − x 2 ) f ′ ( x ) = 1/ ( 1 − x 2 ) を積分し、f ( 0 ) = 0 f ( 0 ) = 0 で定数を決める。
解答
(1)
x = y = 0 x = y = 0 を代入すると f ( 0 ) + f ( 0 ) = f ( 0 ) f ( 0 ) + f ( 0 ) = f ( 0 ) であるから f ( 0 ) = 0 f ( 0 ) = 0 である。次に y = − x y = − x とすると、− 1 < x < 1 − 1 < x < 1 では x + ( − x ) 1 + x ( − x ) = 0 1 + x ( − x ) x + ( − x ) = 0 である。したがって f ( x ) + f ( − x ) = f ( 0 ) = 0 f ( x ) + f ( − x ) = f ( 0 ) = 0 となり、f ( x ) = − f ( − x ) f ( x ) = − f ( − x ) である。
(2)
− 1 < x < 1 − 1 < x < 1 を固定する。y y を0に近づけるとき z = x + y 1 + x y z = 1 + x y x + y とおくと、z → x z → x であり、関数方程式より f ( z ) − f ( x ) = f ( y ) f ( z ) − f ( x ) = f ( y ) である。また z − x = x + y − x ( 1 + x y ) 1 + x y = ( 1 − x 2 ) y 1 + x y z − x = 1 + x y x + y − x ( 1 + x y ) = 1 + x y ( 1 − x 2 ) y である。したがって f ( z ) − f ( x ) z − x = f ( y ) y ⋅ 1 + x y 1 − x 2 z − x f ( z ) − f ( x ) = y f ( y ) ⋅ 1 − x 2 1 + x y である。
条件より f f は0で微分可能で、f ′ ( 0 ) = 1 f ′ ( 0 ) = 1 であり、また f ( 0 ) = 0 f ( 0 ) = 0 であるから lim y → 0 f ( y ) y = 1 y → 0 lim y f ( y ) = 1 である。よって y → 0 y → 0 、すなわち z → x z → x とすると f ′ ( x ) = 1 1 − x 2 f ′ ( x ) = 1 − x 2 1 を得る。したがって f f は − 1 < x < 1 − 1 < x < 1 の全体で微分可能であり、f ′ ( x ) = 1 1 − x 2 f ′ ( x ) = 1 − x 2 1 である。
(3)
(2) より f ′ ( x ) = 1 1 − x 2 = 1 2 ( 1 1 + x + 1 1 − x ) f ′ ( x ) = 1 − x 2 1 = 2 1 ( 1 + x 1 + 1 − x 1 ) である。f ( 0 ) = 0 f ( 0 ) = 0 なので、0 0 から x x まで積分してf ( x ) = ∫ 0 x d t 1 − t 2 = 1 2 [ log ( 1 + t ) − log ( 1 − t ) ] 0 x f ( x ) = ∫ 0 x 1 − t 2 d t = 2 1 [ log ( 1 + t ) − log ( 1 − t ) ] 0 x である。したがって f ( x ) = 1 2 log 1 + x 1 − x f ( x ) = 2 1 log 1 − x 1 + x である。
別解 解法2(分数変換で乗法型方程式に直す)
方針
u = ( 1 + x ) / ( 1 − x ) u = ( 1 + x ) / ( 1 − x ) によって区間 ( − 1 , 1 ) ( − 1 , 1 ) を正の実数へ移す。加法公式型の演算が積に変わるため、関数方程式を F ( u v ) = F ( u ) + F ( v ) F ( uv ) = F ( u ) + F ( v ) とし、u = 1 u = 1 での微分係数から対数関数を一意に決める。
解答
(1)
x = y = 0 x = y = 0 を代入すると f ( 0 ) = 0 f ( 0 ) = 0 である。さらに y = − x y = − x とすればf ( x ) + f ( − x ) = f ( 0 ) = 0 f ( x ) + f ( − x ) = f ( 0 ) = 0 だからf ( x ) = − f ( − x ) f ( x ) = − f ( − x ) である。
(2)
u > 0 u > 0 に対してx = u − 1 u + 1 x = u + 1 u − 1 とおき、F ( u ) = f ( u − 1 u + 1 ) F ( u ) = f ( u + 1 u − 1 ) と定める。恒等式1 + x + y 1 + x y 1 − x + y 1 + x y = 1 + x 1 − x ⋅ 1 + y 1 − y 1 − 1 + x y x + y 1 + 1 + x y x + y = 1 − x 1 + x ⋅ 1 − y 1 + y より、もとの関数方程式はF ( u v ) = F ( u ) + F ( v ) ( u > 0 , v > 0 ) F ( uv ) = F ( u ) + F ( v ) ( u > 0 , v > 0 ) に変わる。
x = ( u − 1 ) / ( u + 1 ) x = ( u − 1 ) / ( u + 1 ) についてd x d u ∣ u = 1 = 1 2 d u d x u = 1 = 2 1 であり、f ′ ( 0 ) = 1 f ′ ( 0 ) = 1 だから F F は u = 1 u = 1 で微分可能でF ′ ( 1 ) = 1 2 F ′ ( 1 ) = 2 1 である。
任意の u > 0 u > 0 を固定し、v n = u 1 / n v n = u 1/ n とおくと v n → 1 v n → 1 であり、関数方程式からF ( u ) = n F ( v n ) F ( u ) = n F ( v n ) である。したがってF ( u ) = F ( v n ) − F ( 1 ) v n − 1 n ( v n − 1 ) F ( u ) = v n − 1 F ( v n ) − F ( 1 ) n ( v n − 1 ) である。n → ∞ n → ∞ とするとF ( v n ) − F ( 1 ) v n − 1 ⟶ F ′ ( 1 ) = 1 2 , n ( u 1 / n − 1 ) ⟶ log u v n − 1 F ( v n ) − F ( 1 ) ⟶ F ′ ( 1 ) = 2 1 , n ( u 1/ n − 1 ) ⟶ log u だからF ( u ) = 1 2 log u F ( u ) = 2 1 log u を得る。
ここで u = ( 1 + x ) / ( 1 − x ) u = ( 1 + x ) / ( 1 − x ) を戻せばf ( x ) = 1 2 log 1 + x 1 − x f ( x ) = 2 1 log 1 − x 1 + x である。この式は − 1 < x < 1 − 1 < x < 1 で微分可能であり、f ′ ( x ) = 1 2 ( 1 1 + x + 1 1 − x ) = 1 1 − x 2 f ′ ( x ) = 2 1 ( 1 + x 1 + 1 − x 1 ) = 1 − x 2 1 となる。
(3)
以上で関数は一意に定まり、求める関数はf ( x ) = 1 2 log 1 + x 1 − x f ( x ) = 2 1 log 1 − x 1 + x である。
総評
難度7、計算量5。目安時間は22分。加法公式型の関数方程式だが、最初から逆双曲線関数を知っている必要はない。採点点は、f ( 0 ) = 0 f ( 0 ) = 0 、奇関数性、そして x = 0 x = 0 での微分可能性から任意の x x での差商を作る部分である。関数方程式を形式的に y y で微分するだけでは仮定不足なので、z = ( x + y ) / ( 1 + x y ) z = ( x + y ) / ( 1 + x y ) と置いた差商の極限を明記すると厳密になる。 第2解法では主解法と異なる構造を用い、同じ結論を独立に再現した。
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東北大の関数の問題
出典: 東北大学 2015年度 後期 数学。問題文はHTML表示のために再入力・数式組版しています。