PHƯƠNG pháp thế trong phương trình hàm

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Các phương pháp giải phương trình hàm thường dùng", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

1 CÁC PHƯƠNG PHÁP GIẢI PHƯƠNG TRÌNH HÀM THƯỜNG DÙNG Phương pháp 1: Hệ số bất ñịnh. Nguyên tắc chung: +] Dựa vào ñiều kiện bài toán, xác ñịnh ñược dạng của f[x], thường là f[x] = ax + b hoặc f[x] = ax2+ bx + c. +] ðồng nhất hệ số ñể tìm f[x]. +] Chứng minh rằng mọi hệ số khác của f[x] ñều không thỏa mãn ñiều kiện bài toán. Ví dụ 1: Tìm :f R R→ thỏa mãn: [ ][ ] [ ] [ ], 1f x f y x xy f x x y R+ = + ∀ ∈ . Lời giải: Thay 1x y R =  ∈ vào [18] ta ñược: [ ][ ] [ ] [ ]1 1f f y y f a+ = + . Thay [ ]1 1y f= − − vào [a] suy ra: [ ][ ][ ]1 1 1 1f f f− − + = − . ðặt [ ][ ]1 1 1a f f= − − + ta ñược: [ ] 1f a = − . Chọn y a x R =  ∈ ta ñược: [ ][ ] [ ] [ ] [ ]0f x f a x xa f x xa f x f+ = + ⇒ + = . ðặt [ ] [ ]0f b f x a x b= ⇒ = − + . Thế vào [1] và ñồng nhất hệ số ta ñược: [ ] [ ] 2 11 1 0 a f x xa a ab a a f x x b  = = = ⇒ ⇒= −   − − = − = −   = . Vậy có hai hàm số cần tìm là [ ]f x x= và [ ]f x x= − . Ví dụ 2: Tìm :f R R→ thỏa mãn: [ ][ ] [ ][ ] [ ], 2f f x y y f x f y x y R+ = − ∀ ∈ . Lời giải: Cho [ ][ ] [ ]0; : [2] 0y x R f f x x R a= ∈ ⇒ = ∀ ∈ . Cho [ ] [ ][ ][ ] [ ] [ ]': [2] 0x f y f f f y y y f a= ⇒ + = . [ ] [ ] [ ] [ ]' 0a a f y y f+ ⇒ = . ðặt [ ] [ ]0f a f y ay y R= ⇒ = ∀ ∈ . Thử lại [2] ta ñược: [ ] [ ]2 2 2 0 ,a x y a y x y x y R+ + − = ∀ ∈ [ ]0 0a f x x R⇔ = ⇒ = ∀ ∈ . Vậy có duy nhất hàm số [ ] 0f x = thỏa mãn bài toán. Ví dụ 3: Tìm , :f g R R→ thỏa mãn: [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] 2 , 1 f x g x f y y x y R a f x g x x x R b − = − ∀ ∈  ≥ + ∀ ∈ . Lời giải: Cho x y R= ∈ khi ñó [ ] [ ] [ ]a f x g x x⇒ = − .Thay lại [a] ta ñược: 2 [ ] [ ]2 2 ,g x x y g y x y R= − + ∀ ∈ [c]. Cho 0;y x R= ∈ : từ [c] ta ñược: [ ] [ ]2 0g x x g= + . ðặt [ ]0g a= ta ñược: [ ] [ ]2 ,g x x a f x x a= + = + . Thế vào [a], [b] ta ñược: [a], [b] ⇔ [ ][ ] [ ] 2 2 2 1 x a x a x R x a x a x + = + ∀ ∈ + + ≥ + [ ]2 22 3 1 1 0x a x a x R⇔ + − + − ≥ ∀ ∈ [ ]23 0 3a a⇔ − ≤ ⇔ = . Vậy [ ] [ ]3 ; 2 3f x x g x x= + = + . Ví dụ 4: ða thức f[x] xác ñịnh với x∀ ∈ℝ và thỏa mãn ñiều kiện: 22 [ ] [1 ] ,f x f x x x+ − = ∀ ∈ℝ [1]. Tìm f[x]. Lời giải: Ta nhận thấy vế trái của biểu thức dưới dấu f là bậc nhất: x, 1 – x vế phải là bậc hai x2. Vậy f[x] phải có dạng: f[x] = ax2 + bx + c. Khi ñó [1] trở thành: 2[ax2 + bx + c] + a[1 – x]2 + b[1 – x] + c = x2 x∀ ∈ℝ do ñó: 3ax2 + [b – 2a]x + a + b + 3c = x2, x∀ ∈ℝ ðồng nhất các hệ số, ta thu ñược: 1 33 1 22 0 3 3 0 1 3 a a b a b a b c c  = =    − = ⇔ =   + + =  = −  Vậy: 21[ ] [ 2 1] 3 f x x x= + − Thử lại ta thấy hiển nhiên f[x] thỏa mãn ñiều kiện bài toán. Ta phải chứng minh mọi hàm số khác f[x] sẽ không thỏa mãn ñiều kiện bài toán: Thật vậy giả sử còn hàm số g[x] khác f[x] thỏa mãn ñiều kiện bài toán. Do f[x] không trùng với g[x] nên 0 0 0: [ ] [ ]x g x f x∃ ∈ ≠ℝ . Do g[x] thỏa mãn ñiều kiện bài toán nên: 22 [ ] [1 ] ,g x g x x x+ − = ∀ ∈ℝ Thay x bởi x0 ta ñược: 20 0 02 [ ] [1 ]g x g x x+ − = Thay x bởi 1 –x0 ta ñược: 20 0 02 [1 ] [ ] [1 ]g x g x x− + = − Từ hai hệ thức này ta ñược: 20 0 0 0 1[ ] [ 2 1] [ ] 3 g x x x f x= + − = ðiều này mâu thuẫn với 0 0[ ] [ ]g x f x≠ Vậy phương trình có nghiệm duy nhất là 21[ ] [ 2 1] 3 f x x x= + − 3 Nhận xét: Nếu ta chỉ dự ñoán f[x] có dạng nào ñó thì phải chứng minh sự duy nhất của các hàm số tìm ñược. Ví dụ 5: Hàm số y = f[x] xác ñịnh, liên tục với x∀ ∈ℝ và thỏa mãn ñiều kiện: f[f[x]] = f[x] + x, x∀ ∈ℝ Hãy tìm hai hàm số như thế. Lời giải: Ta viết phương trình ñã cho dưới dạng f[f[x]] – f[x] = x [1]. Vế phải của phương trình là một hàm số tuyến tính vì vậy ta nên giả sử rằng hàm số cần tìm có dạng: f[x] = ax + b. Khi ñó [1] trở thành: a[ ax + b] + b – [ax + b] = x , x∀ ∈ℝ hay [a2 –a ]x + ab = x, x∀ ∈ℝ ñồng nhất hệ số ta ñược: 2 1 5 1 51 1 5[ ] .2 2 20 0 0 a a a a f x x ab b b  + − − = ±= =  ⇔ ∨ ⇒ =   =   = =  Hiển nhiên hai hàm số trên thỏa mãn ñiều kiện bài toán [việc chứng minh sự duy nhất dành cho người ñọc]. Ví dụ 6: Hàm số :f →ℤ ℤ thỏa mãn ñồng thời các ñiều kiện sau: ] [ [ ]] , [1] ] [ [ 2] 2] , [2] ] [0] 1 [3] a f f n n n b f f n n n c f = ∀ ∈ + + = ∀ ∈ = ℤ ℤ Tìm giá trị f[1995], f[-2007]. Lời giải: Cũng nhận xét và lý luận như các ví dụ trước, ta ñưa ñến f[n] phải có dạng: f[n] = an +b. Khi ñó ñiều kiện [1] trở thành: 2 ,a n ab b n n+ + = ∀ ∈ℤ ðồng nhất các hệ số, ta ñược: 2 1 11 0 00 a aa b bab b = = − =   ⇔ ∨   = =+ =   Với 1 0 a b =  = ta ñược f[n] = n. Trường hợp này loại vì không thỏa mãn [2]. Với 1 0 a b = −  = ta ñược f[n] = -n + b. Từ ñiều kiện [3] cho n = 0 ta ñược b = 1. Vậy f[n] = -n + 1. Hiển nhiên hàm số này thỏa mãn ñiều kiện bài toán. Ta phải chứng minh f[n] = -n +1 là hàm duy nhất thỏa mãn ñiều kiện bài toán: Thật vậy giả sử tồn tại hàm g[n] khác f[n] cũng thỏa mãn ñiều kiện bài toán. Từ [3] suy ra f[0] = g[0] = 1, f[1] = g[1] = 0. Sử dụng ñiều kiện [1] và [2] ta nhận ñược: g[g[n]] = g[g[n+2]+2] n∀ ∈ℤ . 4 do ñó g[g[g[n]]] = g[g[g[n+2]+2]] n∀ ∈ℤ Hay g[n] = g[n+2]+2 n∀ ∈ℤ . Giả sử n0 là số tự nhiên bé nhất làm cho 0 0[ ] [ ]f n g n≠ Do f[n] cũng thỏa mãn [4] nên ta có: 0 0 0 0 0 0 [ 2] [ ] 2 [ ] 2 [ 2] [ 2] [ 2] g n g n f n f n g n f n − = + = + = − ⇔ − = − Mâu thuẫn với ñiều kiện n0 là số tự nhiên bé nhất thỏa mãn [5]. Vậy f[n] = g[n], n∀ ∈ℕ Chứng minh tương tự ta cũng ñược f[n] = g[n] với mọi n nguyên âm. Vậy f[n] = 1 – n là nghiệm duy nhất. Từ ñó tính ñược f[1995], f[-2007]. BÀI TẬP Bài 1: Tìm tất cả các hàm số :f →ℝ ℝ thỏa mãn ñiều kiện: 2[ ] [ ] 2 [ ] [1 ] 2 [3 ], ,f x y f x y f x f y xy y x x y+ + − − + = − ∀ ∈ℝ . ðáp số: f[x] = x3. Bài 2: Hàm số :f →ℕ ℕ thỏa mãn ñiều kiện f[f[n]] + f[n] = 2n + 3, .n∀ ∈ℕ Tìm f[2005]. ðáp số: 2006. Bài 3: Tìm tất cả các hàm :f →ℕ ℕ sao cho: 2 2[ [ ]] [ [ ]] 3 3,f f n f n n n+ = + + .n∀ ∈ℕ ðáp số: f[n] = n + 1. Bài 4: Tìm các hàm :f →ℝ ℝ nếu: 1 1 8 23 5 , 0, ,1, 2 3 2 2 1 3 x xf f x x x x − −      − = ∀ ∉ −    + − −      ðáp số: 28 4[ ] 5 xf x x + = Bài 5: Tìm tất cả các ña thức P[x] [ ]x∈ℝ sao cho: P[x + y] = P[x] + P[y] + 3xy[x + y], ,x y∀ ∈ℝ ðáp số: P[x] = x3 + cx. Phương pháp 2: phương pháp thế. 2.1. Thế ẩn tạo PTH mới: Ví dụ 1: Tìm f: R\{2} → R thỏa mãn: [ ]22 1 2 1 1 1 xf x x x x +  = + ∀ ≠  −  . Lời giải: ðặt { } 1 2 1 \ 2 1 x x t MGT t R x ≠ +  = ⇒ =  −  [tập xác ñịnh của f]. Ta ñược: 1 2 t x t + = − thế vào [1]: [ ] 2 2 3 3[ ] 2 2 tf t t t − = ∀ ≠ − . Thử lại thấy ñúng. 5 Vậy hàm số cần tìm có dạng [ ] 2 2 3 3[ ] 2 xf x x − = − . Nhận xét: + Khi ñặt t, cần kiểm tra giả thiết xx D MGT t D ∈ ⊃ . Với giả thiết ñó mới ñảm bảo tính chất: “Khi t chạy khắp các giá trị của t thì x = t cũng chạy khắp tập xác ñịnh của f”. + Trong ví dụ 1, nếu f: R → R thì có vô số hàm f dạng: [ ] [ ] [ ] 2 2 3 3 2 2[ ] 2 x x xf x a x  − ≠ −=   = [với a∈R tùy ý]. Ví dụ 2: Tìm hàm f : [ ] [ ]; 1 0;1 R−∞ − ∪ → thỏa mãn: [ ]2 2[ 1] 1 1 2f x x x x x− − = + − ∀ ≥ . Lời giải: ðặt [ ] 2 2 22 0 1 1 1 x t t x x x x t x x t − ≥ = − − ⇔ − = − ⇔  − = − 2 2 2 2 11 2 2 x t x t t x x xt t x t ≥≥  ⇔ ⇔  + − = − + =   . Hệ có nghiệm x 2 1 2 t t t + ⇔ ≥ 1 0 1 t t ≤ − ⇔  < ≤ [ ] [ ]; 1 0;1t⇒ ∈ −∞ − ∪ . Vậy [ ] [ ] 1 ; 1 0;1 x MGT t D ≥ = = −∞ − ∪ . Với 2 1t x x= − − thì 2 1 11 [ ]x x f t t t + − = ⇒ = thỏa mãn [2]. Vậy 1[ ]f x x = là hàm số cần tìm. Ví dụ 3: Tìm f : R\ 2 ;3 3 R  →    thỏa mãn: [ ]3 1 1 1, 2 3 2 1 x xf x x x x − +  = ∀ ≠ ≠ − + −  . Lời giải: ðặt [ ]12 3 1 2\ ;3 2 3x x x t MGT t R x ≠ ≠ −   = ⇒ =   +   ⇒ 2 1 3 t x t + = − thế vào [4] ta ñược: 4[ ] 3 2 tf t t + = − thỏa mãn [3]. Vậy hàm số cần tìm là: 4[ ] 3 2 xf x x + = − . Ví dụ 4: Tìm f : [ ] [ ]0; 0;+ ∞ → + ∞ thỏa mãn: [ ][ [ ]] [ [ ]] , 0; [4]x f x f y f f y x y= ∀ ∈ + ∞ . Lời giải: Cho y = 1, x ∈ [ ]0;+ ∞ ta ñược: [ [1]] [ [1]]x f x f f f= . Cho 1[1]x f= ta ñược: [ [1] 1 [ [1]] 1f f x f x f= ⇒ = 1[ [1]]f x f x ⇒ = . ðặt: 6 [1] . [1] [ ] [ ]f at x f f t f t t t = ⇒ = ⇒ = [với [1]a f= ]. Vì [ ] [ ] [ ]0;[1] 0; 0;xf MGT t∈ +∞∈ + ∞ ⇒ = + ∞ . Vậy [ ] af x x = . Thử lại thấy ñúng [ ]0a > . Hàm số cần tìm là: [ ] af x x = với [ ]0a > . Ví dụ 5: Tìm hàm f: [ ] [ ]0; 0;+ ∞ → + ∞ thỏa mãn: [ ] [ ]1 3 3[1] ; [ ] [ ]. [ ]. , 0; 5 2 f f xy f x f f y f x y y x     = = + ∀ ∈ + ∞       . Lời giải: Cho x = 1; y = 3 ta ñược: [ ] 13 2 f = . Cho x = 1; [ ]0;y ∈ + ∞ ta ñược: [ ] 3f y f y   =     . Thế lại [5] ta ñược: [ ][ ] 2 [ ] [ ] , 0; [5']f xy f x f y x y= ∀ ∈ + ∞ . Thay y bởi 3 x ta ñược: [ ] [ ] [ ][ ] 2 23 13 2 ] 2 f f x f f x x     = ⇒ =        . Thử lại thấy ñúng. Vậy hàm số cần tìm là: [ ] 1 2 0f x x= ∀ > . Ví dụ 6: Tìm hàm f: R → R thỏa mãn: [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ]2 24 , 6x y f x y x y f x y xy x y x y R− + − + − = + ∀ ∈ . Lời giải: Ta có: [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ]2 2 6 1 1 4 4 x y f x y x y f x y x y x y x y x y x y x y x y x y ⇔ − + − + − =   = + − − + + + − + + − − + − −                 ðặt u x y v x y = −  = + ta ñược: [ ] [ ] [ ][ ] [ ] [ ][ ]2 214v f u u f v u v u v u v u v− = + − + − − [ ] [ ] 3 3v f u u f v u v v u⇒ − = − [ ][ ] [ ][ ]3 3v f u u u f v v⇔ − = − + Với 0uv ≠ ta có: [ ] [ ] [ ] [ ] 3 3 3 * 3 , 0 f u u f v v f u u u v R a f u au u u u v u − − − = ∀ ∈ ⇒ = ⇒ = + ∀ ≠ . + Với 0; 0u v= ≠ suy ra: [ ] [ ] [ ]3 30 0 0f u u f u u f− = ⇔ = ⇒ = . Hàm [ ] 3f u au u= + thỏa mãn [ ]0 0f = . Vậy [ ] 3f u au u u R= + ∀ ∈ Hàm số cần tìm là: [ ] [ ]3f x ax x a R= + ∈ . Thử lại thấy ñúng. 2.2. Thế ẩn tạo ra hệ PTH mới: 7 Ví dụ 1: Tìm hàm f: R → R thỏa mãn: [ ] [ ] [ ]1 1f x x f x x x R+ − = + ∀ ∈ . Lời giải: ðặt t x= − ta ñược: [ ] [ ] [ ]1 1f t t f t t t R− − = − + ∀ ∈ . Ta có hệ: [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] 1 1 1 f x x f x x f x x f x f x x + − = + ⇒ = − + − = − + . Thử lại hàm số cần tìm là: [ ] 1f x = . Ví dụ 2: Tìm hàm số { }: \ 0,1f R R→ Thỏa mãn: [ ] [ ]*1 1 2xf x f x x R x −  + = + ∀ ∈    . Lời giải: ðặt [ ] [ ] [ ]1 11, 2 1xx f x f x x x − = ⇔ + = + . ðặt [ ] [ ] [ ]12 1 2 1 1 1 1 , 2 1 1 x x f x f x x x x − = = ⇔ + = + − . ðặt [ ] [ ] [ ]23 2 2 2 1 , 2 1xx x f x f x x x − = = ⇔ + = + . Ta có hệ [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] 1 1 2 2 1 1 2 2 1 1 1 1 11 2 2 1 1 f x f x x x x xf x f x x f x x x x f x f x x + = +  + − +   + = + ⇒ = = + +   −  + = + . Thử lại thấy ñúng. Vậy hàm số cần tìm có dạng: [ ] 1 1 1 2 1 f x x x x   = + +  −  . Ví dụ 3: Tìm hàm số { }: \ 1;0;1f R R− → thỏa mãn: [ ] [ ]12 1 1 3 1 x x f x f x x −  + = ∀ ≠ − +  . Lời giải: ðặt [ ] [ ] [ ]1 ... = 2x + g[x]. Thay vào [*] ta ñược: 25 2[x + 1] + g[x + 1] = 2x + g[x] + 2, x∀ ∈ℝ ðiều này tương ñương với g[x + 1] = g[x], x∀ ∈ℝVậy g[x] là hàm tuần hoàn với chu kì 1. ðáp số f[x] = 2x + g[x] với g[x] là hàm tuần hoàn với chu kì 1. Nhận xét: Qua ví dụ 1, ta có thể tổng quát ví dụ này, là tìm hàm f[x] thỏa mãn: f[x + a] = f[x] + b, x∀ ∈ℝ , a, b tùy ý. Ví dụ 2: Tìm hàm f[x] sao cho: f[x + 1] = - f[x] + 2, x∀ ∈ℝ [2]. Lời giải: ta cũng ñưa ñến c = -c + 2 do ñó c = 1. vậy ñặt f[x] = 1 + g[x], thay vào [2] ta ñược phương trình: g[x + 1] = - g[x], x∀ ∈ℝ Do ñó ta có: [ ] 1[ 1] [ ] [ ] [ ] [ 1] x [3].2[ 2] [ ] [ 2] [ ] g x g x g x g x g x g x g x g x g x + = − = − +  ⇔ ∀ ∈  + =  + = ℝ Ta chứng minh mọi nghiệm của [3] có dạng: [ ]1[ ] [ ] [ 1] , x 2 g x h x h x= − + ∀ ∈ℝ ở ñó h[x] là hàm tuần hoàn với chu kì 2. Nhận xét: Qua ví dụ này, ta có thể tổng quát thành: f[x + a] = - f[x] + b, x∀ ∈ℝ , a, b tùy ý. Ví dụ 3: Tìm hàm f[x] thỏa mãn: f[x + 1] = 3f[x] + 2, x∀ ∈ℝ [3]. Giải: Ta ñi tìm c sao cho c = 3c + 2 dễ thấy c = -1. ðặt f[x] = -1 + g[x]. Lúc ñó [3] có dạng: g[x + 1] = 3g[x] x∀ ∈ℝ Coi 3 như g[1] ta ñược: g[x + 1] = g[1].g[x] x∀ ∈ℝ [*]. Từ ñặc trưng hàm, chuyển phép cộng về phép nhân, ta thấy phải sử dụng hàm mũ: 1 3 3x xa a a+ = ⇔ = Vậy ta ñặt: [ ] 3 [ ]xg x h x= thay vào [*] ta ñược: h[x + 1] = h[x] x∀ ∈ℝ . Vậy h[x] là hàm tuần hoàn chu kì 1. Kết luận: [ ] 1 3 [ ]xf x h x= − + với h[x] là hàm tuần hoàn chu kì 1. Nhận xét: Ở ví dụ 3 này, phương trình tổng quát của loại này là: f[x + a] = bf[x] + c x∀ ∈ℝ ; a, b, c tùy ý. +] Với 0< b ≠ 1: chuyển về hàm tuần hoàn. +] Với 0< b ≠ 1: chuyển về hàm phản tuần hoàn. Ví dụ 4: Tìm hàm f[x] thỏa mãn f[2x + 1] = 3f[x] – 2 x∀ ∈ℝ [4] Giải: Ta có: c = 3c – 2 suy ra c = 1. ðặt f[x] = 1 + g[x]. Khi ñó [4] có dạng: g[2x + 1] = 3g[x] x∀ ∈ℝ [*] Khi biểu thức bên trong có nghiệm ≠ ∞ thì ta phải xử lý cách khác. Từ 2x + 1 = x suy ra x = 1. Vậy ñặt x = -1 + t ta có 2x + 1 = -1 + 2t. Khi ñó [*] có dạng: g[-1 + 2t] = 3g[-1 + t ] t∀ ∈ℝ . ðặt h[t] = g[-1 + 2t], ta ñược h[2t] = 3h[t] [**]. Xét 2 0t t t= ⇔ = , 2[2 ] 3. log 3m mt t m= ⇔ = Xét ba khả năng sau: 26 +] Nếu t = 0 ta có h[0] = 0. +] Nếu t> 0 ñặt 2log 3[ ] [ ]h t t tϕ= thay vào [3] ta có: [2 ] [ ], 0t t tϕ ϕ= ∀ > . ðến ñây ta ñưa về ví dụ hàm tuần hoàn nhân tính. +] Nếu t < 0 ñặt 2log 3[ ] | | [ ]h t t tϕ= thay vào [3] ta ñược [2 ] [ ], 0[4 ] [ ], 0 t t t t t t ϕ ϕ ϕ ϕ = − ∀

Chủ Đề