Chuyên đề 18: PHƯƠNG TRÌNH HÀM
1. KIẾN THỨC TRỌNG TÂM
Ánh xạ và hàm số
- Một ánh xạ f từ tập X đến tập Y là một quy tắc đặt tương ứng mỗi phần tử x của X với một và
chỉ một phần tử y của Y. Phần tử y tương ứng của x gọi là ảnh của ánh xạ f, kí hiệu y = f(x) , x
gọi là nghịch ảnh của y:
f : X �: x a y f x
- Một ánh xạ f từ tập X đến tập Y gọi là đơn ánh nếu hai phần tử khác nhau bất kỳ của X đều
a, b ι X : a b
f a f b
cho hai ảnh khác nhau của Y:
Hay a,b �X : f a f b � a b
- Một ánh xạ f từ tập X đến tập Y gọi là toàn ánh nếu mỗi phần tử Y bất kỳ của Y đều có
nghịch ảnh x của X:
y �Y, x �X : y f x
Hay Y f x y �Y | �X, y f x .
- Một ánh xạ f từ tập X đến tập Y gọi là song ánh nếu f vừa đơn ánh và toàn ánh, tức là nếu
mỗi phân tử y bất kỳ của Y đều có nghịch ảnh duy nhất x của X.
Hai tập hữu hạn có cùng số phần tử khi tồn tại một song ánh giữa chúng. Còn 2 tập vô hạn mà
có song ánh giữa chúng thì gọi là cùng lực lượng hay cùng bản số.
- Hàm số y = f(x) với tập xác định D gọi là hàm số chẵn nếu:
x �D thì x �D và f x f x
- Hàm số y = f(x) với tập xác định D gọi là hàm số lẻ nếu:
x �D thì x �D và f x f x
a �0
�
- Hàm số tuần hoàn : �
f x a f x , x,x a �D
�
Số dương bé nhất nếu có trong các số a thỏa mãn điều kiện trên gọi là chu kỳ T của
hàm số f.
a �0
�
- Hàm phản tuần hoàn : �
f x b f x , x,x b �D
�
- Hàm cộng tính: f x + y f x f y
- Hàm nhân tính: f xy f x .f y
Trang 1
– Website chuyên đề thi thử file word có lời giải
- Điểm bất đồng của hàm f(x) là x = a sao cho f(x) = a
- Nếu hàm số f(x) có f '(x) 0 trên D thì f(x) là hàm hằng trên D.
Đặc trưng hàm sơ cấp:
�x y � f x f y
- Hàm bậc nhất f x ax b, a �0 : f �
�
2
�2 �
- Hàm tuyến tính f x ax, a �0 : f x y f x . f y
x
- Hàm mũ f x a , a 0, a �1: f x y f x f y
- Hàm lôgarit f x log a x , a 0, a �1: f xy f x f y
3
- Hàm sin f x sin : f 3x 3f x 4f x
2
- Hàm cosin f x cos x : f 2x 2f x 1
f x y f x y 2f x f y
- Hàm tang f x tanx : f x y
f x f y
1 f x f y
- Hàm cotang f x cot x : f x y
- Hàm f x shx
f x f y 1
f x f y
ex e x
: f 3x 3f x 4f 3 x
2
- Hàm f x chx
e x e x
: f x y f x y 2f x f y
3
Phương trình hàm
- Tính giá trị đặc biệt f(0), f(1),...
- Dùng phép thế, đổi biến, các chuyển đổi số học, đại lượng trung bình, biến đổi tịnh tiến và
đồng dạng, biến đổi phân tuyến tính,...
- Dùng tính chất đơn ánh, toàn ánh, song án, tuần hoàn,..
- Đánh giá, dự đoán hàm số, quy nạp,...
Phương trình hàm Cauchy: Hàm f(x) xác định và liên tục trên R thỏa mãn:
f x y f x f y , x,y �� thì f x ax với a hằng số tùy ý.
2. CÁC BÀI TOÁN
Bài toán 18. 1: Cho hàm số f: �� � thỏa: f x 2xy f x 2f xy , x,y ��
Trang 2
– Website chuyên đề thi thử file word có lời giải
Biết f(201) = a, hãy tính f(202).
Hướng dẫn giải
Thay x 0 ta được: f 0 f 0 2f 0 � f 0 0
Thay y 1 ta được : f x f x 2f x � f x f x
Thay y
x
1
�x�
�� f x 2f
ta được f 0 f x 2f �
2
2
� 2�
�x �
Suy ra f x 2f � �
�2 �
Xét x �, t �� bất kì. Thay y
t
ta được:
2x
�t �
f x t f x 2f � � f x f t
�2 �
Với x 0 ta cũng có f 0 t f 0 f t
Ta chứng minh bằng quy nạp theo k: f kx kf x , x ��, k ��
Từ đó rút ra: a f 201 201.f 1 � f 1
Do đó f 202 202.f 1
a
201
202
a
201
Bài toán 18. 2: Cho hàm f(x, y) thỏa mãn các điều kiện:
f 0, y y 1; f x 1, 0 f x,1
f x 1, y 1 f x, f x 1, y
Với mọi số nguyên không âm x, y. Tìm f(4, 1981)
Hướng dẫn giải
Ta có: f 1, n f 0, f 1, n 1 1 f 1, n 1
Do đó: f 1, n n f 1,0 n f 0,1 n 2
Ta lại có: f 2, n f 1, f 2, n 1 f 2, n 1 2
Do đó: f 2, n 2n f 2, 0 2n f 1,1 2n 3
Bây giờ: f 3, n f 2, f 3, n 1 2 f 3, n 1 3
Trang 3
– Website chuyên đề thi thử file word có lời giải
Đặt u n 2u n 1 và u 0 f 3, 0 3 f 2,1 3 0
n+3
n+3
Do vậy: u n 2 f 3,n 2 3
f 4,n 1 3
3
Ta có: f 4,n f 3, f 4, n 1 2
f 4,0 = f 3,1 24 3 13
f 4,2 2224 3
22..24
3
Bằng qui nạp ta chứng minh được f 4,n 2
Trong đó số mũ chứa (n + 2) chữ số 2. Từ đó:
f 4, 1981 222..24 3 với số mũ chứa 1983 chữ số 2.
Bài toán 18. 3: Cho hàm f: � � � thỏa mãn các điều kiện sau:
(i) f n 1 f n ; n ��
(ii) f f n 3n, n �Z . Hãy tính f(2003).
Hướng dẫn giải
Từ (i) và (ii) � f (1) f f 1 3 � f 1 2
Ta có: f 2 f f 1 3.1 3
f 3 f f 3 3.2
f 2.3 f f 3 3.3 32
.............
n
n 1
n
n
Suy ra f 2.3 3 , n �� ; f 3 2.3 ; n �Z
n 1
n
n 1
Nên có f 3 f f 2.3 2.3
f 2.3n 1 f f 3n 1 3.3n 1 3n 2
Do đó khẳng định đúng với mọi n
n
Ta có 3 1 số nguyên m nằm giữa 3n và 2. 3n và do giả thiết (i) f n 1 f n
n
nên có 3 1 số nguyên m nằm giữa f( 3n ) và f(2. 3n ) suy ra 0 m 3n
� f 3n m 2.3n 3n . Do giả thiết (ii) suy ra.
Trang 4
– Website chuyên đề thi thử file word có lời giải
f 2.3n m f f 3n m 3 3n m
n
n
Vậy f 2.3 m 3 3 m với 0 m 3n
6
6
Suy ra: n 2003 2.3 545 � f (2003) 3 3 545 3822
Bài toán 18. 4: Cho f(n) là hàm số xác định với mọi n � * và lấy giá tị không âm thỏa mãn
tính chất:
*
1. n, m � : f m n f m f n lấy giá trị 0 hoặc 1
2. f 2 0 và f 3 0
3. f 9999 3333 . Tính f 2000 .
Hướng dẫn giải
Vì f m n f m f n lấy giá trị 0 hoặc 1 nên ta suy ra:
f m n �f m f n
�f �
2 2 f 1
f 1
0
f 3
1
Ta có: f 6 �f 3 f 3 2
f 9 �f 6 f 3 �3
.................
f 9999 �f 9996 f 3 �3333
Vì giả thiết cho f 9999 3333 nên ta có dấu “=” ở các bất đẳng thức trên xảy ra, tức là
f 3n n, n 1, 2,...,3333
� f 1998 666, f 2001 667
bf a
Mặt khác nếu a a, b � * và a �
��
666 f 2000
667
f 2000
f b
f a b
f b
666 hoắc 667
Giả sử f 2000 667
f 4000
1334
f 6000
1334 667
2001
mà f 6000 2000 (mâu thuẫn). Vậy: f 2000 666
Bài toán 18. 5: Cho f và g là các hàm xác định trên R thỏa:
Trang 5
– Website chuyên đề thi thử file word có lời giải
f x y f x y 2 f x .g y , x, y ��
Chứng minh rằng:
Nếu f x �0 và f x �1, x �� thì g y0 a 1
Hướng dẫn giải
Ta dùng phương pháp phản chứng
Giả sử lại một điểm y0 ��: g y0 a 1
Ta lấy x0 : f x0 �0 và xây dựng dãy xk k 0,1, 2.... như sau:
�xk y0 , khi f xk y0 � f xk y0
�
xk 1 �
x y0 , khi f xk y0 f xk y0
�
�k
Theo giả thiết ta có:
2 f xk 1 f xk y0 f xk y0 � f xk y0 f xk y0
2 f xk g y0 2a f xk
Nên f xk 1 �a f xk với a 1; k 1, 2,3...
k
Do đó ta có: f xk �a f x0 . Nhưng vì f x0 �0 và a 1 nên có thể chọn k sao
k
cho a f x0 1 dó đó f xk 1
Mâu thuẫn với giả thiết. Vậy g y �1, y �R
Bài toán 18. 6: Cho hàm số f: �� � thỏa 2 điều kiện:
i) f x �1 x; x ��
ii) f x y �f x . f y ; x, y ��
Chứng minh rằng không thể tồn tại hai số a; b �� mà f a . f b �0
Hướng dẫn giải
Ta sẽ chứng minh: f x 0, x ��
Thật vậy: với x 1 thì theo điều kiện (i) ta có ngay f x 0
Với x 1 , trước hết ta sẽ chứng minh bất đẳng thức:
Trang 6
– Website chuyên đề thi thử file word có lời giải
2n
�
�x �
x ��, n ��thì f x ��
�f �2n �
�
�� �
�
(1)
Với n = 0: công thức (1) đúng.
� x
Giả sử công thức (1) đúng với n k 0 tức f x ��f �
�k
� �2
2k
2k
�
�
�
�
�
�
(2)
2k 1
2k .2
� x�
�
x �� x �
x�
�x
�
Ta có: �f �
f � k 1 k 1 ���f ( k 1 ) � f �k 1 � tức (1) đúng với
�k �
�
2 �� 2 �
�2
� 2 �
� �2 �
�
n k 1
Theo nguyên lý quy nạp toán học bất đẳng thức (1) đúng.
n
Bây giờ chọn n đủ lớn để x 2 , x �� tùy ý, khi đó
x
1�
2n
�x
f �n
�2
�
� 0
�
2n
� x �
�
Do đó �f �
�n �
� 0 tức f x 0, x ��
� �2 �
�
Như vậy không thể tồn tại a, b �� mà f a . f b �0
Bài toán 18. 7: Đặt f x
1
với x là số thực dương, và với mọi số nguyên dương n, ta
1 x
đặt: g n x x f x f f x ... f f ...f x , f được lấy n lần ở số hạng cuối
cùng. Chứng minh rằng:
a) g n x g n y nếu x y 0
b) g n 1
F
F1 F2
... n 1
F2 F3
Fn 2
với F1 F2 1 và Fn 2 Fn 1 Fn với n �1 .
Hướng dẫn giải
a) Kí hiệu f n x f f ...f x (n lần). Kí hiệu g 0 x là hàm đồng nhất. Chú ý rằng f 2 x
là hàm tăng thực sự khi x 0 .
Ta sẽ chứng minh bằng qui nạp theo n rằng g n x là hàm tăng thực sự khi x 0 . Dễ
dàng kiểm tra được điều này đúng với g1 x
Giả sử khi n �2, g1 x ,..., g n 1 x là các hàm tăng thực sự với x 0
Cho x y 0 . Ta có: g n x g n y
Trang 7
– Website chuyên đề thi thử file word có lời giải
x y f x f y f 2 x f 2 y ... f n x f n y
g1 x g1 y g n 2 f 2 x g n 2 f 2 y 0
Vậy g n x là hàm tăng thực sự khi x 0 .
b) Để y rằng
�F � F
F1
1 và f � i � i 1 . Suy ra:
F2
�Fi 1 � Fi 2
F
F1 F2
... n 1 g n 1
F2 F3
Fn 2
Bài toán 18. 8: Cho f x, y
2003
cos 2 x y a cos x y với a, ��.
2
Chứng minh rằng min f x, y max f x, y �2003.
2
2
Hướng dẫn giải
2003
� �
Ta có: f 0, 0 f � ; � 2
2
�2 2 �
�
Nên max f x, y �max �f 0, 0 ,
�
� max f x, y
2
� 2003
� �
f�, �
x, y ��
��
2
�2 2 �
2003
2
2003
2003
� �
� �
a.sin , f �
; �
a.sin
Ta lại có: f � ; �
2
2
�4 4 �
�4 4�
� �
Nên f � ; �
�4 4 �
2003
� �
f � ; �
. Suy ra:
2
� 4 4�
� � �
min f x, y �min �f � ; �
,f
� �4 4 �
min f x, y
2
�
2003
� �
; �
x, y ��
��
�
2
� 4 4�
2003
.
2
Do đó : min f x, y max f x, y �2003.
2
2
Bài toán 18. 9: Cho hàm số f : *� * . Giả sử f 1 1, f 2n f n và
f 2n 1 f 2n 1 với mọi số tự nhiên n.
a) Tìm giá trị lớn nhất M của f n với n � * thỏa mãn điều kiện 1 �n �1994
Trang 8
– Website chuyên đề thi thử file word có lời giải
b) Tìm tất cả các số n � , với 1 �n �1994 , sao cho f n M
Hướng dẫn giải
Có thể dùng quy nạp để chứng minh rằng f(n) là số tất cả các chữ số 1 trong biểu diễn nhị
phân của số n.
a) Tồn tại nhiều nhất 10 chữ số 1 trong biểu diễn nhị phân của một số nếu số đó bé hơn
hoặc bằng 1994 111111001010 2
Suy ra M = 10
b) Với mọi số tự nhiên n �1994, ta có f n 10 nếu và chỉ nếu n là một trong các số:
1023 1111111111 2 ,
1535 1011111111 2 ,1791 1101111111 2 ,
1919 1110111111 2 ,1983 1110111111 2 .
Bài toán 18. 10: Cho f x
x2 1
, x �0. Giả sử f 0 x x và
2x
f n x f f n 1 x n � * , x �0 .
Chứng minh
n �, x �1, 0,1
fn x
1
f n 1 x
1
2n
�x 1 �
f� �
�x 1 �
Hướng dẫn giải
Đặt pn x
qn x
1�
2n
2n
�x 1 x 1 �
�
2
1�
2n
2n
x, y �
�x 1 x 1 �
�
2
2
2
Ta có: pn 1 x pn x qn x
qn 1 x 2 pn x qn x
f0 x x
x p0 x
, x �0
1 q0 x
Giả sử: f k x
Trang 9
x, y �
pk x
qk x
– Website chuyên đề thi thử file word có lời giải
2
�pk x �
�
� 1
qk x �
pk2 x qk2 x pk 1 x
�
� f k 1 x
pk x
2 pk x q k x
qk 1 x
2.
qk x
Do đó: f n x
pn x
qn x
n �, x �0
Ta có: n � , x �1, 0,1 thì có:
n1
2
2
2
2 1
�
�
x 1 x 1 �
x 1 x 1 �
fn x
�
�
�
�
n
n
n1
n
2
2
2
2
1
f n 1 x �
�
x 1 x 1 �
x 1 x 1 �
�
��
�
n
n
n
2
2
2
�
2n
2n
�x 1 x 1 �
2 x 1 x 1
1
�
1
1
2n1
2n 1
2n1
2 n 1
x
1 2n
x 1 x 1
x 1 x 1
f(
)
x 1
n
n
Bài 18. 11: Cho hàm số f : � � � thỏa mãn phương trình:
f 4 x 2005 f 2 x 2006 f x x �� . Chứng minh tồn tại số thực k để:
f x f kx
Hướng dẫn giải
n
*
Đặt f 2 x un n �N
Từ f 4 x 2500 f 2 x 2006 f x x �� bằng quy nạp ta có:
f 2n 2 x 2005 f 2n 1 x 2006 f 2n x x ��
Hay un 2 2005un 1 2006un 0 un 0
Hướng dẫn giải phương trình đặc trưng:
2 2500 2006 0 ta được 1; 2006
Vậy un p.1n q 2006 0, n
n
Với p 0, q 0 thì un u0
n
Vậy f 2 x f x hay k 2n n �N
Bài toán 18. 12: Cho ánh xạ P : * �* � �
Trang 10
– Website chuyên đề thi thử file word có lời giải
x, y a
P x, y
Chứng minh nếu P z , y !� thì
*
3
x2 y 2 6
xy
P x, y �* .
Hướng dẫn giải
2
2
Đặt P x, y z . Xét phương trình: x xyz y 6 0
1
Gọi x0 , y0 , z là nghiệm sao cho x0 y0 bé nhất. Vai trò x0 , y0 như nhau nên giả sử
x0 �y0 .
2
2
2
Xét phương trình x zy0 x y0 6 0
Gọi nghiệm thứ hai là x1 thì x0 �x1
2
Ta có: x0 x1 zy0 3 x0 x1 y0 6 0
1) Nếu y0 x0 từ 1 � z 2
4
6
� *
2
x0
� x0 y0 1, z 8 (thỏa đề bài)
2) Nếu x0 x1 từ 4 � x0 y0 x0 y0 6 , vô lý vì x0 y0 và x0 y0 cùng chẵn hay
cùng lẻ
3) Nếu y0
x0
x1
x0
y0 1 và x1 �y0 2
2
y0�1 y0
Từ 4 �y0 �6 �
x
2
y0
4
3
y0
1
z0 z1
7
y02 mà y0 1 � x0 x1 7
x0 1 và x1 7 , vô lý vì x0 y0
3
Vậy z 2 �
p x, y 2 � *
Bài 18. 13: Giả sử f : �� � là hàm liên tục và giảm sao cho với mọi
x, y �� : f x y f f x f y f y f x
Chứng minh rằng f f x x
Hướng dẫn giải
Cho y x ta được: f 2 x f 2 f x f 2 f x f x
Thay x bằng f(x) ta có: f 2 f x f 2 f f x f 2 f f x f f x
Trang 11
– Website chuyên đề thi thử file word có lời giải
Trừ hai phương trình trên ta suy ra:
f 2 f f x f 2x f 2 f f x f f x f 2 f x f x
Nếu f f x x , vế trái của phương trình trên âm, do đó:
f f x f f x f x f x và f x f f x x f x
là điều mâu thuẫn.
Tương tự, ta cũng có điều mâu thuẫn xảy ra khi f f x x
Vậy f f x x , điều phải chứng minh.
Bài toán 18. 14: Cho song ánh f : � . Chứng minh rằng: Tồn tại vô số bộ a, b, c với
a, b, c � thỏa: a b c và 2 f b f a f c
Hướng dẫn giải
Ta xây dựng dãy an như sau:
Trong các số từ 0, 1, 2,..., m chọn số a1 sao cho f a1 f i i 0; a1 m �
Chọn a2 a1 sao cho f a2 f i , i 0; a2
Chọn ak ak 1 sao cho f ak f i , i 0; ak
Vậy ta có dãy a1 a2 ... ak ak 1 và f a1 f a2 ... f ak f ak 1
Trong đó ai � và f ai f j j 0; ai
*
Vì f là song ánh nên f ak 1 f ak p, p �N
Và c � để f c f ak 1 p f ak 1
�
ak 1 ai
�
Mặt khác: �
�
�f ak 1 f i
i 1, k
i 1, an 1
Nên c ak 1
�p ak f ak 1 p
�
��
� 2 f ak 1 f ak f c
f
c
f
a
p
�
k 1
�
Do cách xây dựng, dãy {an}là dãy vô hạn nên tồn tại vô số bộ (a, b, c) thỏa điều kiện
đã nêu.
Trang 12
– Website chuyên đề thi thử file word có lời giải
Bài toán 18. 15: Chứng minh với mọi hàm f : �� � thì:
f xy x y f xy f x f y , x, y ��
� f x y f x f y , x, y ��
Hướng dẫn giải
- Phần đảo: Cho f x y f x f y , x, y �R
thì f xy x y f xy f x y f xy f x f y , x, y �R
- Phần thuận: Cho f xy x y f xy f x f y , x, y �R
Chọn x y 0 thì f 0 0; a, b, c �R ta có :
f a b c ab bc ac abc f a c b bc a c b bc
f a c b bc f a f a b bc
f ac ab abc f a f c f b f bc
Vì f ( a b c ab bc ca abc) f (ba bc abc) f (a ) f (b) f (c) f (ac )
Nên f (bc) f ( ab ac abc) f ( ac) f ( ab bc abc)
Lấy a 1: f (bc) f (b c bc) f (c) f (b bc bc)
�
Do đó f (u 2v) f (u ) 2 f ( v), u, v �R
Lấy u a thì (2v) 2 f (v), v � R nên f (u 2v) f (u ) f (2v)
Hay: f (b 2bc) f (b) f (2bc), b, c � R
Nếu b 0 thì f (0) 2 f (0) 0 : Đúng
Nếu b �0 thì b x, c
y
thì có f ( x y ) f ( x) f ( y ), x, y �0.
2b
Bài toán 18. 16: Hàm số f xác định trên tập các số tự nhiên N và có giá trị trên đó. Chứng
minh rằng đẳng thức f f n n 1995 không thể nghiệm đúng với mọi n � N .
Hướng dẫn giải
Ta chứng minh bằng phương pháp phản chứng Giả sử rằng ta có đẳng thức
f f n n 1995 đúng n �N . Khi đó:
f n 1995 f f f n
Trang 13
f n 1995
– Website chuyên đề thi thử file word có lời giải
Và suy ra: f n 1995k f n 1995k (1) đúng n, k �N
Xét số nguyên r bất kì: 0 �r �1994 và chia f(r) cho 1995 có số dư
f (r ) 1995 p q với 0 �q �1994
Theo giả thiết: f ( f (r )) r 1995
Từ (1): f ( f ( r )) f ( q 1995 p) f ( q) 1995 p
Vì r �1994 nên chỉ có thể có hai khả năng
(i): p 0 � f (r ) q và f (q ) r 1995
(ii): p 1 � f (r ) q 1995 và f (r ) � f (q ) nghĩa là r �q
Như vậy các số 0, 1,2,...,1994 có thể chia thành các cặp (a, b) sao cho
trong mỗi cặp f (a) b và f (b) a 1995 . Đó là điều vô lí vì từ 0 đến 1994 có
một số lẻ số.
Bài toán 18.17: Cho hàm số f(x) xác định và liên tục trên [0, 1] sao cho:
(i) f (0) f (1) 0
�2 x y �
(ii) 2 f ( x) f ( y) 3 �
�với mọi x, y �[0, 1]
� 3 �
Chứng minh rằng f ( x) 0 với mọi x, y �[0, 1]
Hướng dẫn giải
�m �
Bằng quy nạp theo n ta sẽ chứng minh rằng f � n � 0 với mọi số nguyên n �0
�3 �
và với mọi m thoả mãn 0 �m �3n . Các điều kiện ở đề bài chứng tỏ điều này đúng với
n 0 . Giả sử điều này đúng với n k 1 0 , ta chứng minh nó đúng với n k .
�m � �m / 3 �
Nếu m 3 (mod 3) thì theo giả thiết quy nạp ta có: f � k � f � k 1 � 0
�3 � �3 �
Nếu m 1 (mod 3) thì 1 �m 3k 2 và
� m 1 / 3 �
�m �
3 f � k � 2 f � k 1 �
�3 �
� 3
�
� m 2 / 3 �
f � k 1
� 0 0 0
� 3
�
Cuối cùng, nếu m 2 (mod 3) thì 2 �m �3k 1 và
� m 1 / 3 �
�m � � m 2 / 3 �
3 f � k � f � k 1
� 2 f � k 1 �
�3 � � 3
�
� 3
�
Trang 14
– Website chuyên đề thi thử file word có lời giải
�m �
Vậy f � k � 0 với mọi số nguyên n, m �0 và m 3n
�3 �
Với mọi x � 0,1 , ta có thể lập nên một dãy số có dạng
m
có giới hạn x. Vì hàm f(x)
3k
liên tục nên suy ra f x 0 với mọi x � 0,1 ta có điều phải chứng minh.
Bài toán 18.18: Hàm số f(x) xác định và có đạo hàm trên 0, � . Biết rằng với mọi x �0
luôn có:
1) �
�f x �
��5
f x
2) f ( x ). f '( x ) sin x . Tồn tại hay không lim
x ��
Hướng dẫn giải
2
Đặt F x f x 2 cos x xác định trên 0, �
(1) �F ( x)
f 2 ( x)
52 + 2
2 cos x
(2) � F ' x 2 f ' x . f x 2sin x �0 nên F(x) tang
n
Xét dãy số {x } = [2 , 2 +
, 4 , 4 + , 6 , 6 + ...]
2
2
2
Thì xn 0 , xn tăng và xn � �khi xn � �
Đặt U n f ( xn ) thì U n là dãy số tăng và bj chặn trên, nên tồn tại lim U n
Giả sử rằng tồn tại limf(x) khi xn � � thì tồn tại Vn
lim F xn F 2 xn lim U n lim F xn
x ��
x ��
x ��
2
Như thế tồn tại limcosx khi n � �, điều này không thể được vì:
2 cos xn = {2, 0, 2, 0,...} là dãy số không có giới hạn.
Vậy không tồn tại limf(x) khi xn � �.
Bài toán 18. 19: Tìm hàm f xác định trên tập các số nguyên dương và cũng nhận giá trị nguyên
dương thoả mãn: f ( n 1) f ( f ( n)), n � N *
Hướng dẫn giải
Trước tiên ta sẽ chứng minh qui nạp: f (1) f (2) f (3)...
Gọi S n là phát biểu sau: nếu r �n và m r thì f (r ) f (m)
Trang 15
– Website chuyên đề thi thử file word có lời giải
Vì khi m 1 thì (m) f ( s ), với s f (m - 1) , nên f(m) không thể là phần tử nhỏ nhất
của tập { f (1), f (2), f (3),...}
Nhưng tập này bị chặn dưới bởi 0, nên chắc chắn nó phải có phần tử bé , nhất. Suy ra phần
tử này là f(1). Vậy S1 đúng.
Giả sử S n đúng. Lấy m n 1 , khi đó m - 1 n , do đó ta có f (m - 1) f (n)
(vì S n đúng). Nhưng cũng từ Sn ta có: f ( n) f (n - 1) ... f (1) , do vậy, ta được
f (n) �n -1 f (1) �n . Suy ra f ( m - 1) n 1 từ đó f (m) f (n 1) . Từ đây
suy ra rằng S n 1 đúng.
Vậy S n đúng với mọi n. Nói cách khác, nếu n �m thì f (n) f (m).
Giả sử với số m nào đó ta có f ( m) �m 1 , thế thì: f ( f ( m)) f ( m 1) iều này mâu
thuẫn. Suy ra f (m) �m với mọi m. Nhưng do ta có f (1) �1 và
f m f (m - 1) ... f (1) nên f m �m với mọi m. Suy ra f m m với mọi
m.
Bài toán 18. 20: Cho tập hợp T gồm tất cả các số tự nhiên không vượt quá 1999. Hãy tìm tất cả
hàm số f xác định trên N, lấy giá trị trên T và thoả mãn đồng thời các điều kiện sau:
i) f (t ) t với mọi t �T
ii) f (m n) f ( f (m) f ( n)) với mọi m, n �N
Hướng dẫn giải
Đặt f (2000) a, b 2000 - a , với 1 �b � 2000
Ta nhận xét:
1) Với mọi r mà 0 �r b, ta có: f(2000 + r) = a + r
N,0 r
2) Với mọi k Σ�
b , ta có: f (2000 kb r ) a r
Từ đó suy ra nếu f là hàm số cần tìm thì thoả mãn:
(t ) t
�
�
với mọi t �T (*)
�f (2000) a
�f (2000 m) a r
�
Với r m (mod (2000 - a)) và 0 �r �2000 a
Ngược lại cho a �T , xét hàm số f xác định trên N thoả (*) thì để ý:
f (n b) f (n) với mọi n �a, b 2000 - a
n f (n) (mod b) với mọi n �N
Trang 16
– Website chuyên đề thi thử file word có lời giải
Vậy tất cả các hàm số thoả mãn đề bài được xác định theo công thức (*) với mỗi a �T cho
trước. Vậy có 2000 hàm số.
Bài toán 18. 21: Xác định tất cả các hàm f: N* � N* hoả mãn điều kiện:
f ( n) f ( n 1) f ( n 2) f ( n 3) - 1996 với mọi n �N *
Hướng dẫn giải
Từ giả thiết ta có: (k ) f (k 1) f (k 2) f ( k 3) - 1996
Và f ( k 1) f ( k 2) f k 3 f k 4 1996 .
Do đó với mọi k �N thì f ( k 2) - f (k ) f ( k 3)[ f ( k 4) - f ( k 2)]
Suy ra rằng:
f (3) - f ( 1) f (4) f (6)... f (2 k )[( f (2 k 1) - f (2 k - 1)] (1)
f (4) - f (2) f (5) f (7)... f (2k 1 )[( f (2k 2) - f (2k ) (2)
Nếu f (3) - f (1) �0 và f (4) - f (2) �0 thì hai đẳng thức trên dẫn đến mâu thuẫn. Do
đó xảy ra các trường hợp sau:
1) f (3) - f (1) �0 và f (4) - f (2) 0
Từ (2) có f (2k 2) f (2 k ) c � 0 với mọi k.
k 1
Nên (2) dẫn tới f (3) - f (1) I ck _11 f (2 k 1) - f (2k -1) �c với mọi k. Như vậy
ta phải có c 1 .
Từ đó (1) trở thành f (3) - f (1) f (2k 1) - f (2k - 1) nên dãy ( f (2k 1))
là cấp số cộng với công sái d. Như thế với mọi k ta có:
f (2k ) 1, f (2k - 1) f (1) ( k - 1) d .
Từ giả thiết cho n 1 ta có
f (1) f (2) f (3) f (4) - 1996 f (1) 1 ( f (1) d ) - 1996
1 khi n 2k
�
� d 1997 . Vậy ta có: f n �
a là số nguyên dương
�a ( k - 1)1997 khi n 2 k -1
tùy ý.
2) f (3) - f (1) 0, f (4) - f (2) � 0 . Lập luận như trên ta có kết quả:
1 khi n 2k 1
�
f n �
với a là sô nguyên dương tùy ý.
�a (k -1)1997 khi n 2k
3) f (3) - f (1) 0, f (4) - f (2) 0
Khi đó f (2k ) a, f (2k - 1) b với mọi k �N * và a, b nguyên dương tùy ý.
Trang 17
– Website chuyên đề thi thử file word có lời giải
Với n 1 ta có:
f (1) f (2) f (3) f (4) - 1996 � b a ab -1996
� (a -1 )(b -1 ) 1997
Vì 1997 là số nguyên tố nên hoặc a 2, b 1998 hoặc a = 1998, b = 2. Ta có hai hàm
số thỏa mãn yêu cầu bài toán là:
�2 khi n 2k
�2 khi n 2 k -1
f n �
và f n �
1998 khi n 2 k -1
1998 khi n 2k
�
�
Bài toán 18. 22: Tìm tất cả các hàm f: N * � N * thoả mãn
i) f x 22 f x với mọi x �N *
ii) f x 2 y f x với mọi x, y �N *
2
Hướng dẫn giải
Ta chỉ cần xác định giá trị hàm số tại x �{1, 2, 3,..., 22}
Cho x y 1 ta tính được f (1) 1
Với mỗi x nguyên (2 �x �21) luôn có k �N * sao cho 1 22k Mx
Suy ra với x như trên ta có
1 22k mx mx 2 x 22kx với k là số tự nhiên.
Từ đó:
f ( x ) f ( x 22kx) f ( x 2 m) ( f ( x )) 2 f (m) f ( x) f (m) 1
� f ( x) 1 . Ta tính f(11) và f(22)
Ta có f (22) f (44) f (22.11) ( f (2)) 2 . f (11) f (11) 1
Mặt khác f (112.2) ( f (11 )) 2 . f (2) ( f (11)) 2
Và f (112.2) f (22 10.22) f (22) f (11)
Vậy: f ( x) 1 với mọi x �N
Bài toán 18. 23: Tồn tại hay không hàm số f: N * � N * thoả mãn điều kiện:
f f n 3n 2 f n với mọi x �N *
Hướng dẫn giải
Giả sử tồn tại hàm số f thỏa mãn yêu cầu bài toán.
Với mỗi a �N * , xây dựng dãy số a n như sau:
a1 a, an i f (an ), n 1 , 2, 3..
Trang 18
– Website chuyên đề thi thử file word có lời giải
Từ giả thiết ta có:
an 1 f (an ) f ( an 1 ) f ( an 1 ) 3an 1 � a n 1 2an 3an 1
Từ đó chứng minh được an 1 4an 2 3an 3 0 với mọi n �4
Do an 0 nên đẳng thức trên không thể xảy ra.
Vậy không tồn tại hàm số f.
Bài toán 18. 24: Tìm tất cả các hàm f : Z � Z thoả mãn điều kiện
3 f (n) 2 f ( f (n)) n, n, � Z
Hướng dẫn giải
Viết lại phương trình hàm ban đầu 2 f ( f (n) 2 f (n) f (n) n
Đặt g (n) f ( n) n ta có g (n) 2 g ( f ( n)), n � Z.
Ta có: g (n) 2 g ( f (n)) 2 2 g ( f ( f (n)) 23 g ( f ( f ( f ( n)))) ...
Suy ra rằng g n chia hết cho 2k với mọi số tự nhiên k. Điều này chỉ xảy ra khi
g (n) 0 � f (n) n . Thử lại đúng.
Vậy f (n) n, n � Z.
Bài toán 18. 25: Tìm tất cả các hàm số f : Z � Z thỏa mãn:
i) f ( f (m) n) f (m 2 ) f (n) 2nf (m), m, n �Z
ii) f 1 0.
Hướng dẫn giải
Cho n 0 ta có f ( f ( m)) f ( m2 ) f (0)
Thay n bởi f(m) ta có:
f (0) f ( m 2 ) f ( f (m) 2( f ( m)) 2 2 f ( m 2 ) f (0) 2( f ( m)) 2
Từ đó ta có: f (m2 ) ( f (m)) 2 , m � Z
Suy ra f (0) ( f ( f (0)) 2 � f (0) 0 hoặc f 0 1
Giả sử f 0 1 . Cho m 0 thì f ( f (0)) 2 f (0) nên f 1 2
Cho m 1 thì f (1) f 2 (1) 4 : vô lý nên f 0 0
Thay m 0 vào hệ thức đầu bài ta có f (-n) f ( n), n � Z
Thay m 1 vào hệ thức ở đầu bài ta có: f (1 n) 1 f (n) 2n
Trang 19
– Website chuyên đề thi thử file word có lời giải
Hay f (n 1) 1 f (n) 2n f ( n) f (n 1) 2n 1
Từ đó với mọi n 0 ta có
f (n) f (n) f ( n 1) f ( n 1) f ( n 2) ... f (1) f (0) f (0)
(2n 1) (2 n 3) ... 3 1 n 2
2
2
Do đó f n n , n �Z . Thử lại đúng. Vậy f n n , n �Z
Bài toán 18. 26: Cho hàm số f xác định trên tập hợp các số nguyên dương N* và nhận giá trị
trong tập đó thoả mãn: m 2 n chia hết cho f m
2
2
f n với mọi số nguyên
dương m, n.
Hướng dẫn giải
Trước hết cho m n 1 ta được 4 chia hết cho ( f (1)) 2 f (1) nên có f 1 1
Với mỗi p nguyên tố, thay m 1 và n p 1 ta được:
f ( p 1) 1 chia hết p 2
Từ đó: f ( p 1) p 1 hoặc f ( p 1) p 2 1
Giả sử f ( p 1) p 2 1 thì
f (1) ( f ( p 1))2 p 4 2 p 2 2 chia hết (1 ( p 1) 2 ) 2
� p 4 2 p 2 2 ( p 2 2 p 2) 2 , vô lí
Do đó ta phải có f ( p 1) p 1.
Bây giờ với n là số tự nhiên tùy ý, chọn m p 1 , ta có:
A f (n) ( p 1) 2 chia hết (n ( p 1) 2 ) 2
Chú ý rằng (n ( p 1) 2 )2 ( n f (n) A) 2 ( n f ( n)) 2 (mod A)
Như vậy A chia hết (n f (n)) 2 Với bất kì số nguyên tố p. Chỉ cần chọn p đủ lớn ta có
A (n f (n)) 2 .
Từ đó f ( n) n . Thử lại đúng. Vậy f ( n) n vơi mọi n �N *
Bài toán 18. 27: Tìm tất cả f : Z � Z sao cho:
i) f 1995 1996
ii) m �Z , Nếu f ( m) n thì f ( n) m và f (n 3) m 3
Hướng dẫn giải
Trang 20
– Website chuyên đề thi thử file word có lời giải
Ta có: n �Z , f ( f (n)) n và f ( f ( n) 3) n 3
Nên f ( n 3) f ( f ( f (n) 3)) f ( n) 3, n � Z
�f (0) 3k , n 3k
�
(1) 3k , n 3k 1
Suy ra: f n �
�f (2) 3k , n 3k 2
�
Với k �Z . Vì 1995M3 nên từ f (1995) 1996
f (0) 1995 1996 � f (0) 3991 � f (3991) 0
Mà 3991 =3.1330+ 1 nên: 0 f (1) 3990 � f (1) 3990
Nếu f (2) 3t , t � Z thì:
2 f (3t ) f (0) 3t 3991 3t 3989 3t 3989 M
3 (vô lý)
�f 2
3t , t
Z
Nếu f (2) 3t 1 thì
2 f (3t 1) f (1) 3t 3990 3t 3988 3t 3988 M3 (vô lý)
f (2)
3t
1. Như vậy: f (2) 3t 2
3991 n, n �3k 2
�
Tóm lại ta có: f n �
với t bất kỳ, k �Z
3t n 4, n 3k 2
�
Thử lại, ta thấy hàm số trên là nghiệm của bài toán.
Bài toán 18. 29: Tìm tất cả các hàm số f xác định trên tập hợp các số nguyên z và lấy giá trị
trong tập số thực dương R* sao cho:
f (m 1) f (m) f (m) f (m 1) 2 f ( m 1) f ( m 1), m � Z
Hướng dẫn giải
Giả sử hàm số thoả f ( m - 1) f ( m) f ( m) f ( m 1) 2 f ( m -1 ) f ( m 1), m � Z
�
1
1
2
�
, m �Z
f m 1 f m 1 f m
�
1
1
1
1
�
, m �Z
f m 1 f m 1 f m f m 1
Đặt g m
1
1
, m �Z
f m f m 1
Ta có: g (m 1) g (m), Vm �Z
Trang 21
– Website chuyên đề thi thử file word có lời giải
Nếu f(m) không là hàm hằng thì tồn tại k � Z sao cho g k � 0 .
Xét trường hợp g k 0 : Với p nguyên dương thì:
g (k 1) g (k 2) ... g (k p) =
�
1
1
f k f k p
1
1
1
g k 1 g k 2 ... g k p �
pg k 0
f k p f k
f k
� p
1
f k g k
Khi đó 0
1
1
�
vô lý
f k p f k
* Xét trường hợp g k 0 với q nguyên dương thì:
g (k ) g (k 1) ... g ( k ( q 1)) =
�
1
1
f k f k q
1
1
1
g(k ) + g(k 1) + ... + g(k q + 1 ) �
qg k
f k q
f k
f k
Ta có:
1
0 , ta sẽ chọn q nguyên dương sao cho:
f k q
1
1
qg k 0 � q
f k
f k g k
Khi đó
1
1
�
qg k 0, vô lý
f k q
f k
Vậy f(m) phải là hàm hằng � f m C . Thử lại đúng
Vậy f m C , m �Z , với C là số thực dương tuỳ ý.
Bài toán 18. 30: Tìm tất cả các hàm số f : Q � Q thoả:
�f 1 2
�
�f ( xy y ) f ( x). f ( y ) f ( x 1) 2 x, y � Q
Hướng dẫn giải
Từ giả thiết, cho y 1 ta có:
Trang 22
– Website chuyên đề thi thử file word có lời giải
f ( x 1) 2 f ( x) f ( x 1) 2, x � Q
� f ( x 1) f ( x) 1, x � Q
Bằng phương pháp quy nạp ta chứng minh được:
f ( x n) f ( x) n x � Q, n �Z .
Từ giả thiết cho y x , ta có:
f ( x 2 x) f 2 x f ( x 1) 2, x �Q
f ( x 2 x) f 2 x f ( x) 1 2, x �Q
x �Q , đặt x
p
(p �Z, q � N \ {0} thì có:
q
2
�
� 2 �p
�p
� �p
�
�
f�
q
q
� f � q �
�
� �
�
�
�
�q
� �q
�
�q
�
�
�
�p
�
f � q � 1
�q
�
2
2
�
� �
�p � p
�p � �
2
� f�
� � q 2 p q � f �
� � q �
q
q
�
�
�
�
�q � �
�
�
�
�p �
f � � q 1
�q �
2
�
� 2 �p �
�p � p
�p �
2
� f�
q
2
p
q
� f � � 2qf � � q 2
� �
�
�
�q � q
�q �
�q �
�
�
�p � �p �
�p �
� f 2 � � f � � 1 q 2 2 p q f 2 � � 2qf
�q � �q �
�q �
�p �
f � � q 1
�q �
�p � 2
�p �
� � q f � � q 1
�q �
�q �
�p �
�p � p
� qf � � p q � f � � 1 (Do q �0 )
�q �
�q � q
Vậy f ( x ) x 1 , x � Q
Thử lại ta thấy hàm số f ( x ) x 1, x � Q thảo đề bài
Bài toán 18. 31: Tìm tất cả các hàm số f : Q * � Q * thoả mãn đồng thời các điều kiện sau
với mọi x �Q *
i) f ( x 1) f ( x) 1
i)) f x 2 f x
2
Hướng dẫn giải
Từ điều kiện i) thì có f ( x nk ) f ( x) k , x �Q * và k �N
Trang 23
– Website chuyên đề thi thử file word có lời giải
Lấy x
p
�Q * ( p, q � N *).
q
�p 2 � m 2
�p � m
Giả sử f x f � � � f � 2 � 2
�q � n
�q � n
�p
� �p �
m
Khi đó f � q � f � � q q
n
�q
� �q �
�p 2
� m 2 2mq
� f � 2 2 p q 2 � 2
q2
n
�q
� n
�p 2 �
m 2 2mq
2mq
m p
2
f
2
p
q
q2 �
2p �
Hay � 2 �
2
n
n
n
n q
�q �
Nên f ( x) x, x � Q . Thử lại đúng. Vậy f x x, x �Q
Bài toán 18. 32: Gọi Q* là tập hợp tất cả các số hữu tỉ dương. Hãy xây dựng một hàm số f:
Q* � Q * sao cho: f ( xf ( y ))
f x
, với mọi x, y �Q * .
y
Hướng dẫn giải
Trước tiên, ta chứng minh f (1) 1
Thật vậy, ấy x y 1 ta có f ( f (1)) f ( 1) , suy ra:
f (1 ) f ( f (1 )) f (1 f ( f (1 )))
f 1
1
f 1
Tiếp đến, ta sẽ chứng minh rằng f ( xy ) f ( x) f ( y)
�1 �
f�
�
�1
� �f y �
Với mọi y �Q * ta có:
1 = f(1) =f �
�f y f y �
�
y
�
�
Do đó, nếu z
1
thì f ( z ) y . Từ đó suy ra:
f y
f ( xy ) f ( xf ( z ))
f x
f ( x) f ( y)
z
Sau cùng, ta có: f ( f ( x)) f (1 f ( x))
f 1 1
x
x
Bài toán chỉ yêu cầu tìm một hàm thoả mãn các điều kiện đã cho. Do vậy, ta phân tập các
số nguyên tố thành 2 tập vô hạn:
Trang 24
– Website chuyên đề thi thử file word có lời giải
S { p1 , p2 ,..}; T {q1 , q2 ,...}
Ta bắt đầu xây dựng hàm f thoả mãn yêu cầu bài toán bằng định nghĩa
1
f pn qn . f p n
pn
Sau đó, chúng ta mở rộng định nghĩa này trên tập các số hữu tỉ bằng cách dùng các hệ thức
f xy f x f y :
� pi pi ...qi qi
f� 1 2 1 2
�pk pk ...qm qm
� 1 2
1
2
� pm1 pm2 ...qi1 qi2 ..
�
� pi pi ...qk qk
� 1 2
1
2
Thử lại, ta thây hàm vừa xây dựng thoả mãn: f ( xf ( y ))
f x
y
Bài toán 18. 33: Tìm tất cả các hàm f: [0, 1) � 0, 1 thoả mãn điều kiện:
f ( f ( x )) f ( x ) 12 x , với mọi x �0 .
Hướng dẫn giải
Cho trước x �0 tùy ý. Đặt f 0 x x và f1 x f x
Với n �1 đặt f n x f f n 1 x
Phương trình hàm đã cho trở thành f n 2 x f n 1 x 12 f n x
2
Phương trình đặt trưng x x 12 0 � x1 3, x2 4
Nên f n x C1 3n C2 4
n
Sử dụng điều kiện ban đầu, ta có:
C1
f x 4x
3x f x
và C2
7
7
Từ đó ta có: f 0 x
1
1
n
f x 4 x 3n 3x f x . 4
7
7
Vì f x �0 nên f n x �0 với mọi n �0
Cho n là số chẵn, ta có:
1
1
n
f x 4 x 3n 3 x f x . 4 �0
7
7
Từ đây ta có được 3 x f x �0
Cho n là số lẻ, ta có:
Trang 25
1
1
f x 4 x 3n 3x f x 4n �0
7
7
– Website chuyên đề thi thử file word có lời giải