2024-05-28 一道直博考试题

g是R上的连续周期T的函数,f是R上的连续函数,证明关于f的方程 f(f(x))=-x^3+g(x)没有解。

看起来很难。

try1 看错条件以为f是周期的,则f有界,g也周期连续,也有界,而x^3无界,矛盾。伪证。

try2 对条件中令x=x+T,差分,差分的次数多了多项式部分就没了.

        得ff(x+3T)-3ff(x+2T)+3ff(x+t)-ff(x)=以T为周期的函数

        不知道有什么用。

try3 ffx差不多是x^3,f值域很大,必须是整个R.

try4 gx使得整个题目太混乱了,先令g(x)=0解解看呢。

        ffx=-x^3,怎么解?

       多么希望f是有渐进阶的,但不行,f万一是一上一下同时逼近正负无穷那种呢。

try5 构造函数g(x)=[0,x]上f(t)的最大值,试图控制f别往下振了,但是不知道有什么用。

        不过讨论出gx单调连续,

try6 转换视角,考虑R上的连续函数在复合下构成幺半群,题目要解决的是-x^3不是平方元.

        于是对抽象幺半群G,定义集合S_2=可开平方的元。S_k=可开k次方的元。

        但是细想,这集合没任何结构。如果G交换,那么S_k都是子半群,倒是还行。但是在函数复合的意义下哪™有交换性。值得注意的是在有交换性的时候\bigcup_{k=1}^{N} S_{p^k}是子半群。

try7 试着考虑R上连续函数全体构成的半群的平方元,即集合S={g∈C(R)|存在f∈C(R),ffx=g}.这集合中有啥没啥啊?算一算,发现x∈S,sinsinx∈S,x²∈S,x^2n∈S,但是这个集合S上没发现什么结构,比如加法肯定不封闭。所以想想数乘?算了一下是

           n偶数时,对任意a,ax^2n∈S

           n奇数时,对b≥0,bx^2n∈S.

    x^(2n+1)∈S?仍未可知。此题几乎就是n=1 case.

    此时已经觉得,这个集合S的结构实为光怪陆离。

try8 令h=-x^3,g已经令为0了。题目就是ffx=hx了,我们注意到!h是连续函数半群中的可逆元。那么f呢???

立即搜索得到答案:一般的半群中,不可逆元的乘积可以是可逆的。我们不能通过半群的一般性质来断言f是不可逆或可逆。但现在我们的半群中的元素是一种具体形式——即,是函数半群,(写的时候突然想到,是不是或者是算子半群?。)h是双射,ff=h,那么f是不是双射?

感觉有戏。

设!若f不单!则存在f(x1)=f(x2),则ffx1=ffx2,则hx1=hx2,则h不单!而h=-x^3是单射,矛盾!所以f必为单射!!

又!!f是连续函数!!!连续+单射→单调!!!!!!!!!!妈的,好厉害啊我自己。

f单调,不知增减。但是!!!f增时,ff增,f减时,ff还增!!只要f单调,ff就单调增!!非常像x²≥0,只不过此时是单调性层面上的。但是ff=h=-x^3,严格单调减!!矛盾。

所以ff=-x^3无连续解。

至此try8,我们解决了toy情形。

rmk:以上推理中本质上用到了-x^3这个函数什么性质呢?换成哪些函数答案也是无解呢?

 按照证明中用到的,我们总结为   1,值域为整个R的连续函数,2,是单射,3,严格递减

但是以上条件簇可以简化为:h是R→R的单调减的连续满射.

或者换换说法,h是R的单调减的自同胚。单调减显然可以理解成反定向,但是为了定义定向需要流形结构。这一下有点高级,假设该有的都有吧,提出猜想:h是可定向(微分)流形M上的反定向自同胚,f是M到自身的连续映射,则ff=h无解。

这样的h都使得ffx=hx无连续解。证明过程完全同上。

try9 

toy model玩完了,我们还是要回到原题。

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