Функциональное уравнение — уравнение, выражающее связь между значением функции в одной точке с её значениями в других точках. Многие свойства функций можно определить, исследуя функциональные уравнения, которым эти функции удовлетворяют. Термин «функциональное уравнение» обычно используется для уравнений, несводимых простыми способами к алгебраическим уравнениям. Эта несводимость чаще всего обусловлена тем, что аргументами неизвестной функции в уравнении являются не сами независимые переменные, а некоторые данные функции от них.
Примеры Функциональному уравнению: , где — гамма-функция Эйлера, удовлетворяет дзета-функция Римана .
Гамма-функция является единственным решением этой системы трёх уравнений:
(формула дополнения Эйлера)
Функциональное уравнение: ,
где являются целыми числами, удовлетворяющими равенству , то есть: , определяет как модулярную форму порядка .
Функциональные уравнения Коши: — удовлетворяют все линейные однородные функции , — удовлетворяют все показательные функции , — удовлетворяют все логарифмические функции , — удовлетворяют все степенные функции . Функциональные уравнения Коши приводятся друг к другу. Так, уравнение приводится к уравнению после замены (для этого, естественно, нужно, чтобы не была тождественным нулём). В классе непрерывных функций и в классе монотонных функций приведённые решения — единственные, если не считать вырожденное решение . Однако в более широких классах функций возможны весьма экзотические решения, см. статью «Базис Гамеля».
Другие: — квадратичное уравнение или тождество параллелограмма, удовлетворяет , — уравнение Йенсена, удовлетворяют все линейные функции , — уравнение Лобачевского (версия уравнения Йенсена), удовлетворяет , — уравнение Даламбера, — уравнение Абеля, — уравнение Шрёдера, решением является функция Кёнигса, связанная с функцией .
Рекуррентные соотношения Частным видом функциональных уравнений является рекуррентное соотношение, содержащее неизвестную функцию от целых чисел и оператор сдвига.
Линейные рекуррентные соотношения:
(где — константы, не зависящие от ) имеют теорию, аналогом которой является теория линейных дифференциальных уравнений. Например, для линейного рекуррентного соотношения: , достаточно найти два линейно независимых решения, все остальные решения будут их линейными комбинациями.
Чтобы найти эти решения, надо подставить в рекуррентное соотношение пробную функцию с неопределённым параметром и попробовать найти те , при которых будет удовлетворяться данное рекуррентное соотношение. Для приведённого примера получим квадратное уравнение с двумя различными корнями и поэтому общим решением для данного рекуррентного соотношения будет формула (константы и подбираются так, чтобы при и формула давала нужные значения для величин и ). В случае кратных корней многочлена дополнительными пробными решениями служат функции и так далее.
Одним из широко известных рекуррентных соотношений является , определяющее последовательность Фибоначчи.
Решение функциональных уравнений Существуют некоторые общие методы решения функциональных уравнений.
В частности, полезным может оказаться применение понятия об инволюции, то есть, использование свойств функций, для которых ; простейшие инволюции: , , , .
Функциональный метод решения уравнений. Рассмотрение и использование инволюции. Решить уравнение . Шаг 0 Введём в рассмотрение функцию . Вычислим . У нас получится: Значит, .
Шаг 1 Уравнение перепишется в виде: .
Шаг 2 Подставим везде, где есть , функцию . Получим: Но так как , то .
Поэтому .
Шаг 3 Теперь из результатов Шага 1 и Шага 2 делаем простой вывод:
Шаг 4 Подставим везде, где есть , функцию . Имеем:
Шаг 5 Наконец,
Шаг 6 Подставим выражение во вторую строчку системы. Итак,
Ответ: , или
Применим вычислительный метод. Пример 1. Для решения уравнения:
для всех и , положим : . Тогда и . Далее, положив :
Квадрат вещественного числа неотрицателен, и сумма неотрицательных чисел равна нулю тогда и только тогда, когда оба числа равны 0. Значит для всех и является единственным решением этого уравнения.
Другим методом является метод замены. Пример 2. Решить: .
Ясно, что .
Решить такое уравнение — значит отыскать функцию .
Введём обозначения: , а .
Тогда исходное уравнение приобретёт вид
Функции и связаны равенством
Кроме того, выполняются соотношения:
Значит, подставим по отдельности и в уравнение .
Получим систему:
Откуда будем иметь .
Или, что то же самое, .
Следовательно, при .
Введение неопределённых коэффициентов. Это один из способов реализации алгебраического метода замены. Признак выбора указанного способа: по внешнему виду уравнения можно определить общий вид искомой функции (относится, прежде всего, к тем случаям, когда решения уравнений следует искать среди целых и дробно-рациональных функций).
Пример 3. Пусть функция определена при всех действительных и удовлетворяет при всех условию . Найдите .
Так как в левой части уравнения над независимой переменной и значениями функции выполняются только линейные операции, а правая часть уравнения — квадратичная функция, то естественно предположить, что искомая функция, возможно, также квадратичная: , где , и — коэффициенты, подлежащие определению, т. е. неопределённые коэффициенты.
Подставляя функцию в уравнение, приходим к тождеству: , или, что то же самое, .
Два многочлена будут тождественно равны, если равны коэффициенты при одинаковых степенях переменной: .
Из этой системы находим коэффициенты , и , а вместе с этим и функцию , являющуюся искомым решением функционального уравнения.
Докажем приведением к нелепости, что других решений нет. Предположим, что функция , отличная от , на множестве всех действительных чисел также удовлетворяет условию задачи. Тогда существует такое , что . Значит, при и должны выполняться равенства: и , из которых следует, что , что невозможно по допущению. Полученное противоречие опровергает сделанное предположение.
Следовательно, задача имеет единственное решение. Ответ: , .
Наконец, можно говорить о методе тождественных преобразований. Пример 4. Решить уравнение .
Рассмотрим правило , где — произвольное математическое выражение. Продолжим "цепочку":
.
Или: .
Последнее эквивалентно равенству при , причём , где .
Эта задача легко решается функциональным методом с элементами метода замены.
Литература Головинский И. А. Ранняя история аналитических итераций и функциональных уравнений. // Историко-математические исследования. М.: Наука, вып. XXV, 1980, с. 25-51. Kuczma M. On the functional equation φn(x) = g(x). Ann. Polon. Math. 11 (1961) 161—175. Kuczma M. An introduction to the theory of functional equations and inequalities. Warszawa — Kraków — Katowice: Polish Scientific Publishers & Silesian University, 1985. Лихтарников Л. М. Элементарное введение в функциональные уравнения. СПб.: Лань, 1997.
Ссылки Инволюция (Викиучебник) Functional Equations: Exact Solutions at EqWorld: The World of Mathematical Equations. Functional Equations: Index at EqWorld: The World of Mathematical Equations. IMO Compendium text on functional equations in problem solving.