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関数方程式かんすうほうていしきの基本きほん

date2026-07-14document_iddoc_2d4f1945e40da1a12e30ec96131ecd18description関数方程式を、未知数が関数である方程式として定義し、特殊代入・差を取る・合成を見る・正則性条件を確認する方針から整理する講義である。prerequisites関数の基本 / 写像の基本 / 一次方程式 / 多項式type講義content_typelecturestatusactiverelateddata/lecture/math/calculus/functions-domains-and-graphs.lecture.n.md / data/lecture/math/discrete-math/map-basics.lecture.n.md / data/lecture/math/algebra/polynomials.lecture.n.md / data/lecture/math/algebra/symmetric-expressions.lecture.n.md / data/lecture/math/linear-operator/linear-operator-equation-basics.lecture.n.md / data/lecture/math/sequence/difference-equation-basics.lecture.n.md
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1導入どうにゅう

この講義こうぎでは、関数方程式かんすうほうていしきが数すうではなく関数かんすうそのものを未知みちの対象たいしょうとする方程式ほうていしきであることを説明せつめいする。

たとえば

f(x+y)=f(x)+f(y)

では、未知みちなのは x や y ではない。未知みちなのは、各かく入力にゅうりょく x に値あたい f(x) を対応たいおうさせる規則きそく f である。

だから、関数方程式かんすうほうていしきを解とくとは、条件じょうけんを満みたす関数かんすうを全すべて見みつけることである。1 個この値あたいだけを求もとめるのではなく、全すべての入力にゅうりょくに対たいする値あたいの決きまり方かたを求もとめる。

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2なぜ代入だいにゅうから始はじめるのか

関数方程式かんすうほうていしきでは、式しきが「任意にんいの x,y について成立せいりつする」と与あたえられることが多おおい。この情報じょうほうは、とても強つよい。

たとえば

f(x+y)=f(x)+f(y)

が任意にんいの x,y で成立せいりつするなら、x=0,y=0 と置おいてよい。すると

f(0)=f(0)+f(0)

が得えられる。これにより f(0)=0 が分わかる。

このように、関数方程式かんすうほうていしきでは、全体ぜんたいを一気いっきに解とこうとするのではなく、

  • 0 や 1 を入いれる。
  • x=y と置おく。
  • y=-x と置おく。
  • x と y を入いれ替かえる。
  • 2 つの式しきを引ひく。

という基本操作きほんそうさで、関数かんすうの値あたいや形かたちを少すこしずつ決きめていく。

この方針ほうしんを思おもいつく理由りゆうは、式しきが任意にんいの入力にゅうりょくで成立せいりつするからである。任意にんいに成立せいりつするなら、こちらが都合つごうのよい値あたいを選えらんでよい。

3用語ようごと定義ていぎ

3.1関数方程式かんすうほうていしき

関数方程式かんすうほうていしきfunctional equationとは、未知みちの関数かんすう f について、f(x)、f(x+y)、f(f(x)) などの値あたいを含ふくむ方程式ほうていしきである。

たとえば

f(x+y)=f(x)+f(y)

や

f(f(x))=x

は関数方程式かんすうほうていしきである。

3.2解かい

関数方程式かんすうほうていしきの解かいとは、その方程式ほうていしきを全すべての許ゆるされた入力にゅうりょくで満みたす関数かんすうである。

たとえば f:Z→R が

f(m+n)=f(m)+f(n)

を任意にんいの整数せいすう m,n で満みたすとき、f はこの関数方程式かんすうほうていしきの解かいである。

ここで重要じゅうようなのは、定義域ていぎいきである。同おなじ式しきでも、f:Z→R で考かんがえるのか、f:R→R で考かんがえるのかによって、解かいの様子ようすは変かわる。

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4命題めいだい 1:許ゆるされた値あたいは代入だいにゅうしてよい

4.1仮定かてい

関数かんすう f が、ある条件じょうけんを満みたす任意にんいの x,y について

E(x,y)

という等式とうしきを満みたすとする。

4.2結論けつろん

a,b がその条件じょうけんを満みたすなら、

E(a,b)

も成立せいりつする。

4.3証明しょうめい

仮定かていは「条件じょうけんを満みたす任意にんいの x,y について等式とうしきが成立せいりつする」という主張しゅちょうである。a,b がその条件じょうけんを満みたすなら、x=a,y=b は仮定かていの対象たいしょうに含ふくまれる。したがって E(a,b) が成立せいりつする。□

この命題めいだいは当あたり前まえに見みえるが、関数方程式かんすうほうていしきの出発点しゅっぱつてんである。ただし、定義域ていぎいきの外そとの値あたいを代入だいにゅうしてはいけない。

5命題めいだい 2:関数かんすうの等号とうごうは各点かくてんで確認かくにんする

5.1仮定かてい

f,g:D→E を関数かんすうとする。

5.2結論けつろん

f=g

であることと、

f(x)=g(x)(forallx∈D)

であることは同値どうちである。

5.3証明しょうめい

f=g なら、同おなじ関数かんすうなので任意にんいの x∈D に対たいして f(x)=g(x) である。

逆ぎゃくに、任意にんいの x∈D で f(x)=g(x) とする。このとき D の各かく入力にゅうりょくに対たいする出力しゅつりょくが一致いっちしている。したがって、対応たいおうの規則きそくとして f と g は同おなじであり、f=g である。□

この命題めいだいにより、関数方程式かんすうほうていしきでは「すべての x で f(x) を決きめる」ことが目標もくひょうになる。

6定石じょうせき 1:0 や 1 を入いれて基準値きじゅんちを決きめる

加法かほうが出でる式しきでは 0、乗法じょうほうが出でる式しきでは 1 を入いれると情報じょうほうが出でやすい。理由りゆうは、0 が加法かほうの単位元たんいげん、1 が乗法じょうほうの単位元たんいげんだからである。

6.1命題めいだい 3:加法方程式かほうほうていしきでは f(0)=0

6.2仮定かてい

D を実数じっすうの部分集合ぶぶんしゅうごうで、加法かほうで閉とじているものとする。つまり、x,y∈D なら x+y∈D とする。また 0∈D とする。

f:D→R が任意にんいの x,y∈D について

f(x+y)=f(x)+f(y)

を満みたすとする。

6.3結論けつろん

f(0)=0

である。

6.4証明しょうめい

x=0,y=0 を代入だいにゅうすると、

f(0)=f(0)+f(0)

である。両辺りょうへんから f(0) を引ひくと、

0=f(0)

である。□

6.5命題めいだい 4:乗法方程式じょうほうほうていしきでは f(1) が制限せいげんされる

6.6仮定かてい

f:R→R が任意にんいの実数じっすう x,y について

f(xy)=f(x)f(y)

を満みたすとする。

6.7結論けつろん

f(1)=0またはf(1)=1

である。さらに、ある a について f(a)≠0 なら f(1)=1 である。

6.8証明しょうめい

x=1,y=1 を代入だいにゅうすると、

f(1)=f(1)f(1)

である。よって

f(1)2-f(1)=0

であり、

f(1)(f(1)-1)=0

である。したがって f(1)=0 または f(1)=1 である。

また、y=1 を代入だいにゅうすると、

f(x)=f(x)f(1)

である。ある a について f(a)≠0 なら、

f(a)=f(a)f(1)

の両辺りょうへんを f(a) で割わって f(1)=1 を得える。□

この命題めいだいは、乗法じょうほうが出でる関数方程式かんすうほうていしきで 1 を代入だいにゅうする理由りゆうを示しめしている。1 は乗法じょうほうの単位元たんいげんなので、関数かんすうの基準値きじゅんちを制限せいげんしやすい。

7命題めいだい 5:整数せいすうでの加法方程式かほうほうていしき

7.1仮定かてい

f:Z→R が任意にんいの整数せいすう m,n について

f(m+n)=f(m)+f(n)

を満みたすとする。

7.2結論けつろん

f(n)=cn(n∈Z)

である。ただし c=f(1) である。

7.3証明しょうめい

まず命題めいだい 3 より f(0)=0 である。

n が正せいの整数せいすうの場合ばあいを考かんがえる。c=f(1) と置おく。n=1 では f(1)=c である。もし f(n)=nc なら、

f(n+1)=f(n)+f(1)=nc+c=(n+1)c

である。したがって数学的帰納法すうがくてききのうほうにより、正せいの整数せいすう n で f(n)=nc が成立せいりつする。

次つぎに負ふの整数せいすうを扱あつかう。n を正せいの整数せいすうとすると、

0=f(0)=f(n+(-n))=f(n)+f(-n)

である。よって

f(-n)=-f(n)=-nc

である。これは f(k)=ck が負ふの整数せいすう k=-n でも成立せいりつすることを意味いみする。

したがって任意にんいの n∈Z で f(n)=cn である。□

この命題めいだいから分わかるように、定義域ていぎいきが整数せいすうなら、加法方程式かほうほうていしきは f(1) だけで全体ぜんたいが決きまる。

8注意ちゅうい:R では追加条件ついかじょうけんが必要ひつようである

f:R→R が

f(x+y)=f(x)+f(y)

を満みたすとき、すぐに f(x)=cx と断定だんていしてはいけない。この方程式ほうていしきをCauchy 方程式ほうていしきCauchy functional equationという。

もし f が連続れんぞくである、単調たんちょうである、ある長ながさが正せいの区間くかんで有界ゆうかいである、などの追加条件ついかじょうけんを持もてば、f(x)=cx が導みちびける。しかし追加条件ついかじょうけんなしでは、直感ちょっかんに反はんする解かいが存在そんざいする。

ここでは、もっとも基本的きほんてきな追加条件ついかじょうけんとして「0 で連続れんぞく」の場合ばあいだけを証明しょうめいする。

8.1定理ていり 1:連続れんぞくな加法関数かほうかんすうは一次関数いちじかんすうである

8.2仮定かてい

f:R→R が

f(x+y)=f(x)+f(y)

を満みたし、さらに 0 で連続れんぞくであるとする。ここで 0 で連続れんぞくとは、un→0 なら f(un)→f(0) となることをいう。

8.3結論けつろん

f(x)=cx(x∈R)

である。ただし c=f(1) である。

8.4証明しょうめい

まず命題めいだい 3 より f(0)=0 である。

また、任意にんいの実数じっすう x について

0=f(0)=f(x+(-x))=f(x)+f(-x)

なので、

f(-x)=-f(x)

である。

整数せいすうの場合ばあいと同おなじ議論ぎろんにより、任意にんいの整数せいすう n について

f(n)=nf(1)

である。

次つぎに q=m/n を有理数ゆうりすうとする。ただし n>0 とする。nq=m だから、

f(m)=f(q+⋯+q⏟n個)=nf(q)

である。よって

f(q)=mnf(1)=qf(1)

である。したがって有理数ゆうりすう q では f(q)=cq が成立せいりつする。

任意にんいの実数じっすう x を取とる。有理数ゆうりすうは実数じっすうの中なかで稠密ちゅうみつなので、x に収束しゅうそくする有理数列ゆうりすうれつ qn を選えらべる。たとえば小数しょうすうで x を近似きんじする有理数ゆうりすうを順じゅんに取とればよい。このとき qn-x→0 である。連続性れんぞくせいより

f(qn-x)→f(0)=0

である。一方いっぽう、加法性かほうせいより

f(qn-x)=f(qn)-f(x)

である。したがって

f(qn)→f(x)

である。しかし qn は有理数ゆうりすうなので

f(qn)=cqn→cx

である。よって f(x)=cx である。□

この定理ていりで重要じゅうようなのは、加法性かほうせいだけでなく連続性れんぞくせいを使つかっていることである。関数方程式かんすうほうていしきでは、追加条件ついかじょうけんを見落みおとすと結論けつろんが変かわる。

data/lecture/math/calculus/limits-and-continuity.lecture.n.md

9定石じょうせき 2:入いれ替かえて差さを取とる

式しきに x,y が対称的たいしょうてきに現あらわれるときは、x と y を入いれ替かえた式しきを作つくるとよい。理由りゆうは、2 つの式しきを比くらべることで、対称たいしょうな部分ぶぶんと反対称はんたいしょうな部分ぶぶんが分わかれるからである。

たとえば

f(x+y)+f(x-y)=2f(x)

のような式しきでは、y を -y に替かえても同おなじ形かたちが現あらわれる。このような変形へんけいは、二次式にじしきや対称式たいしょうしきで文字もじを入いれ替かえる発想はっそうと近ちかい。

data/lecture/math/algebra/symmetric-expressions.lecture.n.md

10定石じょうせき 3:合成ごうせいが出でたら単射たんしゃ・全射ぜんしゃを見みる

10.1命題めいだい 6:f(f(x))=x なら f は全単射ぜんたんしゃである

10.2仮定かてい

D を集合しゅうごうとし、f:D→D が任意にんいの x∈D について

f(f(x))=x

を満みたすとする。

10.3結論けつろん

f は単射たんしゃかつ全射ぜんしゃである。

10.4証明しょうめい

まず単射たんしゃを示しめす。f(a)=f(b) とする。両辺りょうへんに f を合成ごうせいすると、

f(f(a))=f(f(b))

である。仮定かていより f(f(a))=a、f(f(b))=b なので、a=b である。したがって f は単射たんしゃである。

次つぎに全射ぜんしゃを示しめす。任意にんいの y∈D を取とる。x=f(y) と置おくと、x∈D であり、

f(x)=f(f(y))=y

である。したがって任意にんいの y は f の像ぞうに入はいるので、f は全射ぜんしゃである。□

この命題めいだいは、f(f(x)) のような合成ごうせいが出でたときに、関数かんすうの値あたいだけでなく写像しゃぞうとしての性質せいしつを見みるべきことを示しめしている。

data/lecture/math/discrete-math/injections-surjections-and-bijections.lecture.n.md

11定石じょうせき 4:差分さぶんとして読よむ

次つぎのような関数方程式かんすうほうていしきを考かんがえる。

f(n+1)-f(n)=g(n)(n∈Z)

これは、関数かんすう f の差さが g で与あたえられている、という意味いみである。数列すうれつの階差かいさと同おなじである。

11.1公式こうしき 1:差分方程式さぶんほうていしきは足たし戻もどせる

ここからは n=0,1,2,… で定義ていぎされた関数かんすう、つまり数列すうれつとしての関数かんすうを考かんがえる。

11.2仮定かてい

f:Z[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"ge\")")]0→R と g:Z[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"ge\")")]0→R が

f(n+1)-f(n)=g(n)

を n=0,1,… で満みたすとする。

11.3結論けつろん

f(n)=f(0)+∑k=0n-1g(k)(n[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"ge\")")]1)

である。

11.4証明しょうめい

等式とうしき

f(k+1)-f(k)=g(k)

を k=0,1,…,n-1 で足たす。すると左辺さへんは

∑k=0n-1(f(k+1)-f(k))=f(n)-f(0)

となる。途中とちゅうの f(1),f(2),…,f(n-1) が打うち消けし合あうからである。したがって

f(n)-f(0)=∑k=0n-1g(k)

であり、移項いこうして結論けつろんを得える。□

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12例れい 1:f(n+1)=f(n)+2n+1

f:Z[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"ge\")")]0→R が

f(n+1)=f(n)+2n+1

を満みたすとする。この式しきを見みたとき、右辺うへんの 2n+1 は

(n+1)2-n2=2n+1

に見みえる。そこで

g(n)=f(n)-n2

と置おく。すると

\begin{aligned} g(n+1)-g(n) &=f(n+1)-(n+1)^2-\{f(n)-n^2\}\\ &=\{f(n)+2n+1\}-(n+1)^2-f(n)+n^2\\ &=0. \end{aligned}

したがって g(n) は定数ていすうである。C=g(0)=f(0) と置おけば、

f(n)=n2+C

である。

逆ぎゃくに、任意にんいの定数ていすう C に対たいして f(n)=n2+C と置おくと、

f(n+1)-f(n)={(n+1)2+C}-(n2+C)=2n+1

である。したがって f(n+1)=f(n)+2n+1 を満みたす。よって解かいはちょうど

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]f(n)=n2+C

である。

この解法かいほうを思おもいつく理由りゆうは、2n+1 が平方数へいほうすうの差さとして現あらわれるからである。関数かんすうそのものを当あてるのではなく、差さが簡単かんたんになる形かたちを探さがしている。

13線型作用素せんけいさようそとしての見方みかた

関数方程式かんすうほうていしきの中なかには、線型作用素方程式せんけいさようそほうていしきとして扱あつかえるものがある。

たとえば

f(n+1)-f(n)=g(n)

は、シフト作用素さようそ E を

(Ef)(n)=f(n+1)

で定義ていぎすると、

(E-I)f=g

と書かける。ここで I は恒等作用素こうとうさようそである。

ここで線型作用素方程式せんけいさようそほうていしきと呼よべる理由りゆうは、E-I が線型作用素せんけいさようそだからである。V を Z[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"ge\")")]0 上じょうの実数値じっすうち関数かんすう全体ぜんたいとする。h1,h2∈V、α,β∈R について、

\begin{aligned} ((E-I)(\alpha h_1+\beta h_2))(n) &=(\alpha h_1+\beta h_2)(n+1)-(\alpha h_1+\beta h_2)(n)\\ &=\alpha\{h_1(n+1)-h_1(n)\}+\beta\{h_2(n+1)-h_2(n)\}\\ &=(\alpha(E-I)h_1+\beta(E-I)h_2)(n) \end{aligned}

である。任意にんいの n で等ひとしいので、

(E-I)(αh1+βh2)=α(E-I)h1+β(E-I)h2

である。したがって E-I は線型作用素せんけいさようそである。

この形かたちでは、未知みちの関数かんすう f に線型作用素せんけいさようそ L=E-I が作用さようし、右辺うへん g が与あたえられている。つまり

Lf=g

という形かたちの線型作用素方程式せんけいさようそほうていしきである。

ただし、全すべての関数方程式かんすうほうていしきが線型せんけいとは限かぎらない。たとえば

f(f(x))=x,f(xy)=f(x)f(y)

には合成ごうせいや積せきが入はいるので、線型作用素方程式せんけいさようそほうていしきの枠組わくぐみとは別べつに考かんがえる必要ひつようがある。

data/lecture/math/linear-operator/linear-operator-equation-basics.lecture.n.md

14よくある誤あやまり

14.11. 一部いちぶの値あたいだけで解かいだと思おもう

関数方程式かんすうほうていしきの解かいは関数かんすうである。f(0) や f(1) が分わかっただけでは、まだ解かいを求もとめたことにはならない。

14.22. 定義域ていぎいきの外そとを代入だいにゅうする

f:Z→R なのに x=1/2 を代入だいにゅうしてはいけない。関数方程式かんすうほうていしきでは、許ゆるされた入力にゅうりょくの範囲はんいを先さきに確認かくにんする。

14.33. 追加条件ついかじょうけんなしに滑なめらかな形かたちを仮定かていする

f(x+y)=f(x)+f(y) だからといって、R 上じょうでただちに f(x)=cx と決きめてはいけない。連続れんぞくや単調たんちょうなどの追加条件ついかじょうけんを確認かくにんする。

14.44. 候補こうほの検算けんざんを忘わすれる

変形へんけいで候補こうほを得えても、その関数かんすうが本当ほんとうに元もとの方程式ほうていしきを全すべての入力にゅうりょくで満みたすかを代入だいにゅうして確認かくにんする。

15見分みわけ方かた

形かたち最初さいしょに見みること理由りゆう
f(x+y) が出でるx=0,y=0,y=-x加法かほうの単位元たんいげんと逆元ぎゃくげんが効きく
f(xy) が出でるx=1,y=1,x=0乗法じょうほうの単位元たんいげんと 0 が効きく
f(f(x)) が出でる単射たんしゃ・全射ぜんしゃ合成ごうせいは写像しゃぞうの性質せいしつを制限せいげんする
f(x+1)-f(x) が出でる差分さぶん・望遠鏡和ぼうえんきょうわ差さを足たし戻もどせる
対称たいしょうな x,y が出でるx,y の入いれ替かえ差さを取とると情報じょうほうが分わかれる
R 上じょうの加法方程式かほうほうていしき連続れんぞく・単調たんちょうなど追加条件ついかじょうけんなしでは結論けつろんが弱よわい

16一言ひとことでいうと

関数方程式かんすうほうていしきは、未知みちの数すうではなく未知みちの関数かんすうを求もとめる方程式ほうていしきである。任意にんいの入力にゅうりょくで成立せいりつするという強つよい条件じょうけんを使つかい、0、1、入いれ替かえ、差分さぶん、合成ごうせい、正則性せいそくせいを順じゅんに確認かくにんする。

17関連かんれんリンク

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