پاسخ : معادله تابع (بسیار زیبا)
چون مدتی گذشتو کسی جواب نذاشت، جوابشو میذارم.
جوابهای بدیهی آن f=1 و f=0 است. غیر از اینها بدیهی است که
و
. از این به بعد منظورم از n عدد صحیح مثبت است. به دو حالت میرسیم:
حالت 1:
حالت 2:
ابتدا حالت 1 را بررسی میکنیم:
اگر
در این صورت طبق بزو اعداد صحیح
وجود دارند که
. اما در اینصورت از آنجا که
داریم:
یعنی
. اما اگر
هر دو اکیدا کمتر از یک باشند، در اینصورت اعداد طبیعی بزرگ
وجود داردند که
. اما از آنجا که
پس
که یک تناقض است. یعنی به ازای هر دو عدد m,n که نسبت به هم اولند، یکی از مقادیر
یا
برابر 1 است. درواقع حداکثر یک عدد اول مانند p وجود دارد که
. پس تابع f به شکل
است که در آن p یک عدد اول و بتا عددی حقیقی بین صفر و یک است. به راحتی میشه دید که هر تابع به این شکل هم در شرایط مسئله صدق میکند.
حالت 2: فرض کنید p کوچکترین عدد طبیعی باشد که
. واضح است که p اول است ولی مهم نیست. همچنین عدد حقیقی آلفا وجود دارد که
و
. در این صورت هر عدد طبیعی n را که
میتوان به طور یکتا در مبنای p به شکل زیر نوشت:
در اینصورت چون p کوچکترین عدد انتخاب شده است، پس
، پس داریم
که در آن C یک عدد ثابت و مستقل از n است. پس اگر در نامساوی بالا به جای n بذاریم
خواهیم داشت:
با
نتیجه میشه که
.
از طرفی با استفاده از نامساویی که به دست آوردیم و نامساویی که جزو شرط مسئله بود و اینکه
داریم:
که در آن 'C یک عدد ثابت و مستقل از n است. پس میتونیم مثل بالا عمل کنیم و به جای n،
بذاریم و با
به این نتیجه برسیم که
و در نتیجه
. پس در این حالت نیز تابع به شکل
که در آن
است. و همچنین میتوان دید هر تابع به این شکل در شرایط مسئله صدق میکند.