Phương trình hàm dạng f( αx+β )= af (x)+ b

Một phần của tài liệu Một số phương pháp giải phương trình hàm một biến (Trang 36)

Trong phần này, ta xét lớp các phương trình hàm sinh bởi hàm bậc nhất dạng f(αx+β) =af(x) +b trong đó α, β, γ, a, b là các hằng số thực, a 6= 0, αγ −β 6= 0. Ta minh họa cách giải ứng với các trường hợp thông qua các bài toán cụ thể sau đây.

Bài toán 2.1. Hãy xác định hàm số f :R→R thỏa mãn điều kiện

f(x+ 2) =f(x)−3, ∀x∈R. (2.1)

Giải. Ta để ý rằng −3 =−3

2(x+ 2) + 3 2x. Vì vậy, ta có thể viết (2.1) dưới dạng

f(x+ 2) + 3 2(x+ 2) =f(x) + 3 2x, hay g(x+ 2) =g(x),vớig(x) =f(x) + 3 2x, ∀x∈R. Vậy f(x) =g(x) + 3 2x,

với g(x) là hàm số tùy ý sao cho g(x+ 2) =g(x), ∀x∈R. Kết luận:

f(x) = g(x) + 3

Bài toán 2.2. Hãy xác định hàm số f :R→R thỏa mãn điều kiện

f(x+ 2) = 3f(x), ∀x∈R. (2.2) Giải. Đặt f(x) = 3x2.g(x). Thế vào (2.2) ta được

3x+22 .g(x+ 2) = 3.3x2.g(x)

⇔g(x+ 2) =g(x), ∀x∈R

Kết luận:

f(x) = 3x2.g(x),trong đóg(x)là hàm tuần hoàn chu kì 2 là tùy ý.

Bài toán 2.3. Hãy xác định hàm số f :R→R thỏa mãn điều kiện

f(x+ 2) =−3f(x), ∀x∈R. (2.3) Giải. Đặt f(x) = 3x2.g(x). Thế vào (2.3), ta được

3x+22 .g(x+ 2) =−3.3x2.g(x). ⇔g(x+ 2) =−g(x), ∀x∈R. ⇔ g(x+ 2) =−g(x), ∀x∈R, g(x+ 4) =g(x)∀x∈R. (2.4) ⇔ ( g(x) = 1 2 g(x)−g(x+ 2)], g(x+ 4) =g(x), ∀x∈R. (2.5) Ta chứng minh mọi nghiệm của (2.5) có dạng

g(x) = 1 2

h(x)−h(x+ 2)]trong đó h(x+ 4) =h(x),∀x∈R. (2.6)

Điều kiện đủ: Mọi hàm xác định bởi (2.6) đều là nghiệm của (2.4). Thật vậy g(x+ 2) = 1

2[h(x+ 2)−h(x+ 4)] = 1

2[h(x+ 2)−h(x)] =−1

2[h(x)−h(x+ 2)] =−g(x)

Điều kiện cần: Ta chứng minh rằng mọi nghiệm của (2.4) đều có dạng (2.6). Điều này hiển nhiên vì, (2.4) ⇔ (2.5) mà (2.5) lại có dạng (2.6).

Kết luận:

Bài toán 2.4. Hãy xác định hàm số f :R→R thỏa mãn điều kiện: f(x+ 2) =−3f(x) + 5, ∀x∈R. (2.7) Giải. Đặt f(x) = 5 4 +g(x), ∀x∈R. Thế vào (2.7) ta được 5 4 +g(x+ 2) =−3 5 4 +g(x) + 5 ⇔g(x+ 2) =−3g(x), ∀x∈R. Áp dụng bài toán (2.3) ở trên ta có

Kết luận:

f(x) = 3x2.g(x)+5

4, trong đóg(x) = 1 2

h(x)−h(x+2)] vàhlà hàm tuần hoàn chu kì 4.

Bài toán 2.5. Hãy xác định hàm số f :R→R thỏa mãn điều kiện

f(2−x) = 3f(x)−1, ∀x∈R. (2.8) Giải. Đặt f(x) = 1 2 +g(x). Thế vào (2.8) ta được 1 2+g(2−x) = 3 1 2 +g(x) −1 ⇔g(2−x) = 3g(x), ∀x∈R. (2.9) Đặt x= 1 +t, thì 2−x= 1−t. Thế vào (2.9) ta được h(−t) = 3h(t), ∀t∈R, (2.10) trong đó h(t) =g(t+ 1). Thay t bởi −t trong (2.10) ta được :

h(t) = 3h(−t), ∀t∈R. (2.11) Từ (2.10) và (2.11) ta suy ra h(t) = 0, ∀t ∈R, hay

g(t)≡0, ∀t∈R.

Kết luận:

Vậyf(x) = 1

Bài toán 2.6. Hãy xác định hàm số f :R→R thỏa mãn điều kiện

f(2x) = 3f(x)−4, ∀x∈R+. (2.12) Giải. Đặt f(x) = 2 +g(x). Thế vào (2.12), ta được

2 +g(2x) = 3(2 +g(x))−4,

⇔g(2x) = 3g(x), ∀x∈R+. (2.13) Đặt g(x) = x log23h(x). Thế vào (2.13), ta được:

(2x) log23 h(2x) = 3.x log23 .h(x) ⇔h(2x) =h(x), ∀x∈R+. (2.14) Do x >0 nên đặt x= 2t thì (2.14) có dạng h(2t+1) =h(2t), hayϕ(t+ 1) =ϕ(t)∀t∈R,

trong đó ϕ(t) = h(2t). Điều này chứng tỏ hàm ϕlà hàm tuần hoàn cộng tính chu kì 1.

Kết luận: Vậy f(x) = 2 +x log23ϕ( log2x), trong đó ϕ(t) là hàm số tuần hoàn chu kì 1 tùy ý.

Bài toán 2.7. Hãy xác định hàm số f :R→R thỏa mãn điều kiện:

f(3x−1) = 2f(x)−3, ∀x∈R. (2.15) Giải. Đặt f(x) = 3 +g(x). Thế vào (2.15) ta được

3 +g(3x−1) = 2.(3 +g(x))−3 ⇔g(3x−1) = 2g(x), ∀x∈R. (2.16) Đặt x= 1 2 +t ⇒3x−1 = 1 2 + 3t. Thế vào (2.16) ta được g(1 2+ 3t) = 2g( 1 2+t), ∀t∈R. hay h(3t) = 2h(t), trong đóh(t) = g(1 2 +t). (2.17) Nếu t = 0⇒h(0) = 0⇒f(x) = 3

Nếut6= 0. Đặth(t) =|t| log32ϕ(t). Khi đó (2.17) được viết dưới dạngϕ(3t) =ϕ(t) Kết luận:

f(x) = (

3 +|x− 12| log32ϕ(x−12) nếux6= 12,

3 nếux= 12,

Bài toán 2.8. Hãy xác định hàm số f :R→R thỏa mãn điều kiện

f(−3x−1) = 2f(x)−3, ∀x∈R. (2.18)

Giải. Đặt f(x) =g(x) + 3. Khi đó (2.18) được viết dưới dạng g(−3x−1) + 3 = 2[g(x) + 3]−3, ∀x∈R,

hay

g(−3x−1) = 2g(x), ∀x∈R. (2.19) Đặt x=−14 +t, ta có (2.19) được viết dưới dạng

g(−3t− 1

4) = 2g(t−1

4), ∀t∈R. (2.20) Đặt g(t− 14) = h(t). Khi đó (2.20) được viết dưới dạng

h(−3t) = 2h(t), ∀t ∈R. (2.21)

Với t= 0⇒h(0) = 0⇒f(x) = 3

Với t6= 0. Đặt h(t) =|t| log32ϕ(t). Khi đó (2.21) được viết dưới dạng

| −3t| log32ϕ(−3t) = 2|t| log32ϕ(t), ∀t∈R ⇔ϕ(−3t) = ϕ(t), ∀t∈R Kết luận: f(x) = ( |x+ 14| log32ϕ(x+ 14) + 3 vớix6=−14, 3 vớix=−14,

trong đóϕlà một hàm số xác định sao cho:ϕ(−3t) = ϕ(t), ∀t ∈R.

Bài toán 2.9. Hãy xác định hàm số f :R→R thỏa mãn điều kiện

f(3x−1) = −2f(x)−3, ∀x∈R. (2.22)

Giải. Đặt f(x) =g(x) + 1. Khi đó (2.22) được viết dưới dạng

g(3x−1) =−2g(x), ∀x∈R. (2.23)

Đặt x= 12 +t. Khi đó (2.23) được viết thành g(3t+ 1

2) = −2g(t+1

Đặt h(t) =g(t+12). Khi đó (2.24) được viết dưới dạng

h(3t) = −2h(t), ∀t ∈R. (2.25)

Đặt h(t) =|t| log32ϕ(t), thế vào (2.25) ta được ϕ(3t) =−ϕ(t), ∀t ∈R. Kết luận:

f(x) = (

|x− 12| log32ϕ(x− 12) + 1 vớix6= 12,

1 vớix= 12,

trong đóϕlà một hàm số phản tuần hoàn nhân tính chu kì 3 trên R.

Bài toán 2.10. Hãy xác định hàm số f :R→R thỏa mãn điều kiện

f(x)f(3−x) = 1, ∀x∈R. (2.26)

Giải. Từ (2.26) suy ra f(x) 6= 0, ∀x ∈ R. Do f(x) liên tục trên R nên hoặc f(x)>0, ∀x∈R hoặc f(x)<0, ∀x∈R.

Trường hợp 1: f(x)>0, ∀x∈R.

Lấy lôgarit cơ số e hai vế của (2.26) ta được: lnf(x) + lnf(3−x) = 0 Suy ra

g(x) +g(3−x) = 0, ∀x∈R. (2.27) trong đóg(x) = lnf(x), g(x)là hàm liên tục (dof(x)) là liên tục vàf(x)>0, ∀x∈

R.)

Vì g(x) +g(3−x) = 0, ∀x∈R, nên suy ra

g(x) = 1

2[g(x)−g(3−x)], ∀x∈R. (2.28) Ta chứng minh rằng mọi nghiệm của (2.27) đều có dạng

g(x) = 1

2[h(x)−h(3−x)], ∀x∈R. (2.29) trong đó h là hàm tùy ý liên tục trên R.

Điều kiện cần:

- Ta chứng minh mọi nghiệm của (2.27) đều có dạng (2.29). Điều này là hiển nhiên vì (2.27) ⇔ (2.28) mà (2.28) có dạng (2.29).

-Ta chứng minh (2.29) là nghiệm của (2.28). Thật vậy: Có g(3−x) = 1

2[h(3−x)−h(3−(3−x))] = 1

2[h(3−x)−h(x)] =−g(x). Suy ra, g(3−x) +g(x) = 0 tức là (2.29) là nghiệm của (2.26).

Từ đó ta có

f(x) = eg(x) = e12[h(x)−h(3−x)]

trong đó h(x) là hàm bất kì liên tục trên R.

Hiển nhiên hàm f(x) xác định như trên thỏa mãn (2.26) .

Trường hợp 2: f(x)<0, ∀x∈R.

Xét hàm g(x) = −f(x), ∀x ∈ R, thì g(x) > 0, ∀x ∈ R và g(x) cũng liên tục trên R. Thế vào (2.26) ta có

g(x)g(3−x) = 1, ∀x∈R. (2.30) Làm tương tự như trường hợp 1 nghiệm của phương trình (2.30) có dạng

g(x) = e12[h(x)−h(3−x)],

trong đóh(x)là hàm bất kì liên tục trên R. Suy ra

f(x) = −e12[h(x)−h(3−x)] trong đóh(x)là hàm bất kì liên tục trên R

Kết luận:

"

f(x) = e12[h(x)−h(3−x)], f(x) = −e12[h(x)−h(3−x)], trong đó h(x) là hàm bất kì liên tục trên R.

2.2. Phương trình hàm dạng f αx+β x+γ = af(x) + b

Một phần của tài liệu Một số phương pháp giải phương trình hàm một biến (Trang 36)