函数 03 求抽象函数解析式

例1:已知函数\(f(x)\)满足\(f(x + 1)=2x + 1\),求\(f(x)\)的解析式。

解:令\(t=x + 1\),则\(x=t - 1\)。将\(x=t - 1\)代入\(f(x + 1)=2x + 1\)中,得到

\(f(t)=2(t - 1)+1 = 2t-1\)。所以\(f(x)=2x - 1\)。

例2:已知\(f(x - 1)=x^{2}-2x + 3\),求\(f(x)\)。

解:令\(t=x - 1\),则\(x=t + 1\)。

\(f(t)=(t + 1)^{2}-2(t + 1)+3=t^{2}+2t + 1 - 2t - 2 + 3=t^{2}+2\)。所以\(f(x)=x^{2}+2\)。

例3:已知\(f(2x + 1)=4x^{2}+4x - 1\),求\(f(x)\)。

解:令\(t = 2x+1\),则\(x=\frac{t - 1}{2}\)。

\(f(t)=4(\frac{t - 1}{2})^{2}+4(\frac{t - 1}{2})-1=t^{2}-2t + 1 + 2t - 2 - 1=t^{2}-2\)。所以\(f(x)=x^{2}-2\)。

例4:已知\(f(\frac{1}{x})=\frac{x}{1 - x^{2}}\),求\(f(x)\)。

解:令\(t=\frac{1}{x}\),则\(x=\frac{1}{t}\)。

\(f(t)=\frac{\frac{1}{t}}{1 - (\frac{1}{t})^{2}}=\frac{\frac{1}{t}}{\frac{t^{2}-1}{t^{2}}}=\frac{t}{t^{2}-1}\)。所以\(f(x)=\frac{x}{x^{2}-1}\)。

例5:已知\(f(x+\frac{1}{x})=x^{2}+\frac{1}{x^{2}}\),求\(f(x)\)。

解:因为\(x^{2}+\frac{1}{x^{2}}=(x+\frac{1}{x})^{2}-2\),令\(t=x+\frac{1}{x}\),则\(f(t)=t^{2}-2\)。

所以\(f(x)=x^{2}-2\)(注意\(x+\frac{1}{x}\)的取值范围,\(x+\frac{1}{x}\in(-\infty,-2]\cup[2,+\infty)\))。

例6:已知\(f(x - 2)+3f(2 - x)=x\),求\(f(x)\)。

解:令\(t=x - 2\),则\(x=t + 2\),原方程变为\(f(t)+3f(-t)=t + 2\) ①。

再令\(t=-t\),则\(f(-t)+3f(t)= - t + 2\) ②。

由②\(\times3-\)①得:\(8f(t)= - 3t + 6 - t - 2=-4t + 4\),所以\(f(t)=-\frac{1}{2}t+\frac{1}{2}\)。

所以\(f(x)=-\frac{1}{2}x+\frac{1}{2}\)。

例7:已知\(f(x)+2f(-x)=3x - 1\),求\(f(x)\)。

解:令\(x=-x\),则\(f(-x)+2f(x)= - 3x - 1\)。

联立\(\begin{cases}f(x)+2f(-x)=3x - 1\\f(-x)+2f(x)= - 3x - 1\end{cases}\),

将第二个方程乘以\(2\)得\(2f(-x)+4f(x)= - 6x - 2\),用这个式子减去第一个方程得\(3f(x)= - 9x - 1\),所以\(f(x)= - 3x-\frac{1}{3}\)。

例8:已知\(f(\sqrt{x}+1)=x + 2\sqrt{x}\),求\(f(x)\)。

解:令\(t=\sqrt{x}+1\),则\(\sqrt{x}=t - 1\),\(x=(t - 1)^{2}\)。

\(f(t)=(t - 1)^{2}+2(t - 1)=t^{2}-2t + 1+2t - 2=t^{2}-1\)。所以\(f(x)=x^{2}-1\)。

例9:已知\(f(x^{2}+1)=x^{4}+2x^{2}+3\),求\(f(x)\)。

解:因为\(x^{4}+2x^{2}+3=(x^{2}+1)^{2}+2\),令\(t=x^{2}+1\)(\(t\geqslant1\)),

则\(f(t)=t^{2}+2\)(\(t\geqslant1\))。所以\(f(x)=x^{2}+2\)(\(x\geqslant1\))。

例10:已知\(f(\sin x)=\cos2x\),求\(f(x)\)。

解:因为\(\cos2x = 1 - 2\sin^{2}x\),令\(t=\sin x\),则\(f(t)=1 - 2t^{2}\)。

所以\(f(x)=1 - 2x^{2}\),\(x\in[-1,1]\)。

例11:已知\(f(\frac{1 - x}{1 + x})=\frac{1 - x^{2}}{1 + x^{2}}\),求\(f(x)\)。

解:令\(t=\frac{1 - x}{1 + x}\),则\(x=\frac{1 - t}{1 + t}\)。

\(f(t)=\frac{1 - (\frac{1 - t}{1 + t})^{2}}{1 + (\frac{1 - t}{1 + t})^{2}}=\frac{(1 + t)^{2}-(1 - t)^{2}}{(1 + t)^{2}+(1 - t)^{2}}=\frac{4t}{2 + 2t^{2}}=\frac{2t}{1 + t^{2}}\)。

所以\(f(x)=\frac{2x}{1 + x^{2}}\)。

例12:已知\(f(x)+f(\frac{x - 1}{x})=1 + x\),求\(f(x)\)。

解:令\(t=\frac{x - 1}{x}\),则\(x=\frac{1}{1 - t}\)。原方程变为\(f(\frac{1}{1 - t})+f(t)=1+\frac{1}{1 - t}\) ①。

再令\(t=\frac{1}{1 - t}\),则\(f(\frac{1}{1 - t})+f(\frac{-t}{1 - t})=1+\frac{1}{1 - \frac{1}{1 - t}}\) ②。

联立①②消去\(f(\frac{1}{1 - t})\)可求出\(f(x)\)(过程较复杂,经过一系列代换和化简后)\(f(x)=\frac{x^{3}-x^{2}-1}{2x(x - 1)}\)。

例13:已知\(f(x - 1)-f(x - 2)=x^{2}-3x + 2\),求\(f(x)\)。

解:令\(t=x - 1\),则\(x=t + 1\),\(x - 2=t - 1\)。

原方程变为\(f(t)-f(t - 1)=(t + 1)^{2}-3(t + 1)+2=t^{2}-t\)。

再令\(t=t - 1\),\(f(t - 1)-f(t - 2)=(t - 1)^{2}-(t - 1)=t^{2}-3t + 2\)。

依次类推,通过累加法可求出\(f(t)\)(假设\(f(0)=C\)),最后得到\(f(x)=\frac{1}{6}x^{3}-\frac{1}{2}x^{2}+\frac{1}{3}x + C\)。

例14:已知\(f(3x + 2)=9x^{2}+12x - 1\),求\(f(x)\)。

解:令\(t = 3x+2\),则\(x=\frac{t - 2}{3}\)。

\(f(t)=9(\frac{t - 2}{3})^{2}+12(\frac{t - 2}{3})-1=t^{2}-4t + 4 + 4t - 8 - 1=t^{2}-5\)。所以\(f(x)=x^{2}-5\)。

例15:已知\(f(x + y)=f(x)+f(y)\),且\(f(1)=2\),求\(f(x)\)。

解:令\(y = 1\),则\(f(x + 1)=f(x)+f(1)=f(x)+2\)。

令\(t=x\),则\(f(t + 1)-f(t)=2\),这是一个等差数列形式。

通过等差数列通项公式可得\(f(x)=2x\)。

例16:已知\(f(xy)=f(x)+f(y)\),且\(f(2)=1\),求\(f(x)\)。

解:令\(y = 2\),\(f(2x)=f(x)+f(2)=f(x)+1\)。

令\(x = 2^{n - 1}\),则\(f(2^{n})=f(2^{n - 1})+1\),这是一个首项为\(f(2)=1\),公差为\(1\)的等差数列。

可得\(f(2^{n})=n\)。对于任意\(x>0\),设\(x = 2^{t}\)(\(t=\log_{2}x\)),则\(f(x)=f(2^{t})=t=\log_{2}x\)。

例17:已知\(f(x - a)+f(x + a)=2f(x)\),且\(f(0)=0\),求\(f(x)\)。

解:令\(x = a\),则\(f(0)+f(2a)=2f(a)\),所以\(f(2a)=2f(a)\)。

令\(x = 2a\),则\(f(a)+f(3a)=2f(2a)\),可得\(f(3a)=3f(a)\)。

通过数学归纳法可推测\(f(na)=nf(a)\)。设\(x = na\),则\(f(x)= \frac{x}{a}f(a)\)(假设\(a\neq0\))。

例18:已知\(f(\frac{x + y}{2})=\frac{f(x)+f(y)}{2}\),且\(f(0)=0\),求\(f(x)\)。

解:令\(y = 0\),则\(f(\frac{x}{2})=\frac{f(x)+f(0)}{2}=\frac{f(x)}{2}\)。

令\(x = 2t\),则\(f(t)=\frac{f(2t)}{2}\)。

通过不断迭代可得\(f(x)=kx\)(其中\(k\)为常数,可通过给定的其他条件确定,如\(f(1)\)的值等)。

例19:已知\(f(x^{3})=x^{2}\),求\(f(x)\)。

解:令\(t=x^{3}\),则\(x=t^{\frac{1}{3}}\)。

\(f(t)=(t^{\frac{1}{3}})^{2}=t^{\frac{2}{3}}\)。所以\(f(x)=x^{\frac{2}{3}}\)。

例20:已知\(f(\log_{a}x)=\frac{1 - x}{1 + x}\),求\(f(x)\)。

解:令\(t=\log_{a}x\),则\(x=a^{t}\)。

\(f(t)=\frac{1 - a^{t}}{1 + a^{t}}\)。所以\(f(x)=\frac{1 - a^{x}}{1 + a^{x}}\)。

例21:已知函数\(f(x)\)满足\(f(x)+f\left(\frac{x - 1}{x}\right)=1 + x\),且\(x\neq0\),\(x\neq1\),求\(f(x)\)。

解:令\(t = \frac{x - 1}{x}\),则\(x=\frac{1}{1 - t}\)。

把\(x=\frac{1}{1 - t}\)代入原方程得\(f\left(\frac{1}{1 - t}\right)+f(t)=1+\frac{1}{1 - t}\) ①。

再令\(u=\frac{1}{1 - t}\),则\(t=\frac{u - 1}{u}\),代入①式得\(f(u)+f\left(\frac{u - 1}{u}\right)=1 + u\),即\(f(x)+f\left(\frac{x - 1}{x}\right)=1 + x\)(形式不变)。

设\(f(x)=g(x)+h(x)\),其中\(g(x)\)是多项式函数,\(h(x)\)是其他函数。

假设\(g(x)=ax + b\),代入\(f(x)+f\left(\frac{x - 1}{x}\right)=1 + x\)得:

\((ax + b)+\left[a\left(\frac{x - 1}{x}\right)+b\right]=1 + x\)。

展开并整理得\(ax + b+\frac{a(x - 1)}{x}+b = 1 + x\),\(ax + b+\frac{ax - a}{x}+b = 1 + x\),\(ax + \frac{ax - a}{x}+2b = 1 + x\)。

比较系数可得\(a = \frac{x^{2}}{x^{2}-1}\),\(b=\frac{x^{2}-x - 1}{2(x^{2}-1)}\)。

所以\(f(x)=\frac{x^{2}}{x^{2}-1}x+\frac{x^{2}-x - 1}{2(x^{2}-1)}\)(需检验其正确性)。

例22:已知\(f(x)+f(y)+f(z)+f(x + y + z)=f(x + y)+f(y + z)+f(z + x)\),对任意实数\(x\),\(y\),\(z\)都成立,且\(f(1)=1\),\(f(2)=2\),求\(f(2024)\)。

解:令\(x = y = z = 0\),得\(4f(0)=3f(0)\),所以\(f(0)=0\)。

令\(z = -y\),\(x = 1\),则\(f(1)+f(y)+f(-y)+f(1)=f(1 + y)+f(0)+f(1 - y)\)。

即\(2 + f(y)+f(-y)=f(1 + y)+f(1 - y)\)。

令\(y = 1\),得\(2 + f(1)+f(-1)=f(2)+f(0)\),所以\(2 + 1+f(-1)=2 + 0\),解得\(f(-1)= - 1\)。

通过归纳法猜测\(f(n)=n\),用数学归纳法证明:

当\(n = 0\),\(1\),\(2\)时已成立。

假设当\(n = k\)时成立,即\(f(k)=k\)。

令\(x = 1\),\(y = k\),\(z = 0\),则\(f(1)+f(k)+f(0)+f(k + 1)=f(k + 1)+f(k)+f(1)\),等式成立,所以\(f(n)=n\)对任意整数\(n\)成立。

所以\(f(2024)=2024\)。

例23:已知\(f(x)\)满足\(f\left(\frac{x + 1}{x - 1}\right)-f(x)=\frac{x + 1}{x - 1}\),\(x\neq1\),求\(f(x)\)。

解:令\(t=\frac{x + 1}{x - 1}\),则\(x=\frac{t + 1}{t - 1}\)。

原方程变为\(f(t)-f\left(\frac{t + 1}{t - 1}\right)=\frac{t + 1}{t - 1}\)。

再令\(u = \frac{t + 1}{t - 1}\),则\(t=\frac{u + 1}{u - 1}\),得到\(f\left(\frac{u + 1}{u - 1}\right)-f(u)=\frac{u + 1}{u - 1}\)。

设\(f(x)=g(x)+h(x)\),假设\(g(x)=\frac{ax + b}{cx + d}\),代入方程进行复杂的运算(通过比较系数等方法)来确定\(a\),\(b\),\(c\),\(d\)的值,最终得到\(f(x)\)的表达式(过程冗长且复杂,需要仔细运算和化简)。

例24:已知\(f(x)\)满足\(f\left(\frac{1}{x}\right)+f(x)=x\),且\(f\left(\frac{1}{x^{2}}\right)+f\left(x^{2}\right)=x^{2}\),求\(f(x)\)。

解:令\(t=\frac{1}{x}\),则\(x=\frac{1}{t}\),\(f(t)+f\left(\frac{1}{t}\right)=\frac{1}{t}\)。

又已知\(f\left(\frac{1}{x}\right)+f(x)=x\),两式相减得\(f(x)-f\left(\frac{1}{x^{2}}\right)=x-\frac{1}{t}\)。

结合\(f\left(\frac{1}{x^{2}}\right)+f\left(x^{2}\right)=x^{2}\),通过复杂的代换和方程组求解,设\(y = x^{2}\),得到关于\(f(y)\)和\(f\left(\frac{1}{y}\right)\)的方程组,进而求解\(f(x)\)(过程涉及大量的代数运算和代换)。

例25:已知\(f(x + y)+f(x - y)=2f(x)f(y)\),\(f(0)\neq0\),且\(f(1)=a\),求\(f(x)\)。

解:令\(x = y = 0\),则\(2f(0)=2f(0)f(0)\),因为\(f(0)\neq0\),所以\(f(0)=1\)。

令\(y = 1\),则\(f(x + 1)+f(x - 1)=2f(x)f(1)=2af(x)\)。

设\(f(x)=A\cos(\omega x)+B\sin(\omega x)\),代入\(f(x + 1)+f(x - 1)=2af(x)\),并利用三角函数的两角和差公式,通过比较系数确定\(A\),\(B\),\(\omega\)的值(涉及到三角函数的运算和方程组求解),从而得到\(f(x)\)的表达式。

例26:已知\(f(x)\)满足\(f(x^{2}-y^{2})=(x + y)(f(x)-f(y))\),且\(x\neq y\),求\(f(x)\)。

解:令\(y = 0\),则\(f(x^{2})=x(f(x)-f(0))\)。

令\(x = 1\),得\(f(1)=1\times(f(1)-f(0))\),所以\(f(0)=0\)。

令\(x = \sqrt{t}\),\(y=\sqrt{s}\),则\(f(t - s)=(\sqrt{t}+\sqrt{s})(f(\sqrt{t})-f(\sqrt{s}))\)。

通过巧妙的变量代换和函数性质的分析,设\(g(x)=f(\sqrt{x})\),将方程转化为关于\(g(x)\)的方程,再通过求解这个方程来得到\(f(x)\)的表达式(过程需要对函数的结构和变量代换有深入理解)。

例27:已知\(f\left(\frac{x + y}{2}\right)=\sqrt{f(x)f(y)}\),\(f(1)=a\),\(f(2)=b\),求\(f(n)\)(\(n\in N^+\))。

解:令\(x = y = 1\),则\(f(1)=\sqrt{f(1)f(1)}\),符合条件。

令\(x = 1\),\(y = 2\),则\(f\left(\frac{3}{2}\right)=\sqrt{f(1)f(2)}=\sqrt{ab}\)。

令\(x = 2\),\(y = 2\),则\(f(2)=\sqrt{f(2)f(2)}\),也符合。

通过归纳法,假设\(f(k)=\sqrt{a^{k - 1}b}\)(\(k\geqslant2\))。

令\(x = k\),\(y = 1\),则\(f\left(\frac{k + 1}{2}\right)=\sqrt{f(k)f(1)}=\sqrt{a^{k - 1}b\times a}=\sqrt{a^{k}b}\)。

再通过一些数学推理和归纳步骤,可得到\(f(n)\)的表达式(需要严谨的归纳证明过程)。

例28:已知\(f(x)\)满足\(f(x + 1)-f(x)=2x + 1\),且\(f(0)=1\),求\(f(x)\)。

解:由\(f(x + 1)-f(x)=2x + 1\),可得:

\(f(1)-f(0)=1\),\(f(2)-f(1)=3\),\(f(3)-f(2)=5\),\(\cdots\),\(f(x)-f(x - 1)=2(x - 1)+1\)。

将以上\(x\)个式子相加得:

\(f(x)-f(0)=1 + 3 + 5+\cdots+(2x - 1)\)。

根据等差数列求和公式\(S_n=\frac{n(a_1 + a_n)}{2}\)(这里\(n=x\),\(a_1 = 1\),\(a_n=2x - 1\)),可得\(1 + 3 + 5+\cdots+(2x - 1)=x^{2}\)。

因为\(f(0)=1\),所以\(f(x)=x^{2}+1\)。

例29:已知\(f(x)\)满足\(f\left(\frac{x}{y}\right)=f(x)-f(y)\),\(x\gt0\),\(y\gt0\),且\(f(2)=1\),求\(f(x)\)。

解:令\(x = 4\),\(y = 2\),则\(f(2)=f(4)-f(2)\),所以\(f(4)=2f(2)=2\)。

令\(x = 8\),\(y = 2\),则\(f(4)=f(8)-f(2)\),所以\(f(8)=f(4)+f(2)=3\)。

猜测\(f(2^{n})=n\),用数学归纳法证明:

当\(n = 1\)时,\(f(2)=1\)成立。

假设当\(n = k\)时,\(f(2^{k})=k\)成立。

当\(n = k + 1\)时,令\(x = 2^{k + 1}\),\(y = 2\),则\(f\left(\frac{2^{k + 1}}{2}\right)=f(2^{k + 1})-f(2)\),即\(f(2^{k})=f(2^{k + 1})-f(2)\),所以\(f(2^{k + 1})=f(2^{k})+f(2)=k + 1\)。

对于任意\(x\gt0\),设\(x = 2^{t}\)(\(t=\log_{2}x\)),则\(f(x)=t=\log_{2}x\)。

例30:已知\(f(x)\)满足\(f(x + 1)f(x - 1)=[f(x)]^{2}\),\(f(0)=1\),\(f(1)=a\),求\(f(x)\)。

解:由\(f(x + 1)f(x - 1)=[f(x)]^{2}\)可得\(\frac{f(x + 1)}{f(x)}=\frac{f(x)}{f(x - 1)}\)。

设\(a_{n}=f(n)\),则\(\frac{a_{n + 1}}{a_{n}}=\frac{a_{n}}{a_{n - 1}}\),所以数列\(\left\{\frac{a_{n + 1}}{a_{n}}\right\}\)是常数列。

\(\frac{a_{n + 1}}{a_{n}}=\frac{a_{1}}{a_{0}}=a\),所以\(a_{n}=a_{0}\times a^{n}\)。

因为\(a_{0}=f(0)=1\),所以\(f(n)=a^{n}\),对于任意实数\(x\),可以通过极限或者其他函数性质的分析(如连续性等)将\(n\)推广到\(x\),得到\(f(x)=a^{x}\)(需要进一步的严格论证)。

例31:已知\(f(x)\)满足\(f(x)+f(x - 1)=x^{2}\),且\(f(0)=0\),求\(f(x)\)。

解:令\(x = 1\),则\(f(1)+f(0)=1\),所以\(f(1)=1\)。

设\(f(x)=ax^{2}+bx + c\),代入\(f(x)+f(x - 1)=x^{2}\)得:

\((ax^{2}+bx + c)+[a(x - 1)^{2}+b(x - 1)+c]=x^{2}\)。

展开并整理得\(ax^{2}+bx + c+ax^{2}-2ax + a + bx - b + c=x^{2}\)。

比较系数得\(\begin{cases}2a = 1\\-2a + 2b = 0\\a - b + 2c = 0\end{cases}\),解得\(\begin{cases}a=\frac{1}{2}\\b=\frac{1}{2}\\c = 0\end{cases}\)。

所以\(f(x)=\frac{1}{2}x^{2}+\frac{1}{2}x\)。

例32:已知\(f(x)\)满足\(f\left(\frac{1 - x}{1 + x}\right)+f(x)=x\),求\(f(x)\)。

解:令\(t = \frac{1 - x}{1 + x}\),则\(x=\frac{1 - t}{1 + t}\)。

原方程变为\(f(t)+f\left(\frac{1 - t}{1 + t}\right)=\frac{1 - t}{1 + t}\)。

再令\(u=\frac{1 - t}{1 + t}\),则\(t=\frac{1 - u}{1 + u}\),代入上式得\(f\left(\frac{1 - u}{1 + u}\right)+f(u)=\frac{1 - u}{1 + u}\)。

设\(y = f(x)\),令\(x = \frac{1 - z}{1 + z}\),则方程变为\(y + f(z) = \frac{1 - z}{1 + z}\),移项得\(f(z)=\frac{1 - z}{1 + z}-y\)。

把\(z = x\)代入得\(f(x)=\frac{1 - x}{1 + x}-f\left(\frac{1 - x}{1 + x}\right)\)。

结合原方程\(f\left(\frac{1 - x}{1 + x}\right)+f(x)=x\),可得\(f(x)=\frac{x^{2} + x - 1}{2x}\)(求解过程中涉及到联立方程消元等复杂运算)。

例33:已知\(f(x)\)满足\(f(x + 2) - 2f(x + 1)+f(x)=0\),且\(f(0)=1\),\(f(1)=2\),求\(f(x)\)。

解:设\(a_{n}=f(n)\),则由\(f(x + 2)-2f(x + 1)+f(x)=0\)可得\(a_{n + 2}-2a_{n + 1}+a_{n}=0\)。

其特征方程为\(r^{2}-2r + 1 = 0\),即\((r - 1)^{2}=0\),解得\(r = 1\)(二重根)。

所以\(a_{n}=(An + B)\times1^{n}=An + B\)。

由\(a_{0}=f(0)=1\),\(a_{1}=f(1)=2\),可得\(\begin{cases}B = 1\\A + B = 2\end{cases}\),解得\(\begin{cases}A = 1\\B = 1\end{cases}\)。

所以\(f(n)=n + 1\),对于任意实数\(x\),可根据函数的性质(如连续性等)将\(n\)推广到\(x\),猜测\(f(x)=x + 1\)(需要进一步严格验证)。

例34:已知\(f(x)\)满足\(f\left(\frac{x + 1}{x}\right)=x^{2}+ \frac{1}{x^{2}}\),求\(f(x)\)。

解:令\(t=\frac{x + 1}{x}\),则\(x=\frac{1}{t - 1}\)。

因为\(x^{2}+\frac{1}{x^{2}}=(x+\frac{1}{x})^{2}-2\),而\(x+\frac{1}{x}=\frac{x + 1}{x}=t\)。

所以\(f(t)=t^{2}-2\),故\(f(x)=x^{2}-2\)。

例35:已知\(f(x)\)满足\(f(x)f(y)-f(xy)=x + y\),对任意\(x,y\in R\),且\(f(1)=2\),求\(f(x)\)。

解:令\(y = 1\),则\(f(x)f(1)-f(x)=x + 1\)。

因为\(f(1)=2\),所以\(2f(x)-f(x)=x + 1\),即\(f(x)=x + 1\)。

例36:已知\(f(x)\)满足\(f\left(\frac{x}{y}\right)=\frac{f(x)}{f(y)}\),\(x,y>0\),且\(f(a)=b\)(\(a,b>0\)),求\(f(x)\)。

解:令\(x = a^{n}\),\(y = a\),则\(f\left(\frac{a^{n}}{a}\right)=\frac{f(a^{n})}{f(a)}\)。

即\(f(a^{n - 1})=\frac{f(a^{n})}{b}\),设\(f(a^{n})=b^{n}\),用数学归纳法证明:

当\(n = 1\)时,\(f(a)=b\)成立。

假设当\(n = k\)时,\(f(a^{k})=b^{k}\)成立。

当\(n = k + 1\)时,令\(x = a^{k + 1}\),\(y = a\),则\(f\left(\frac{a^{k + 1}}{a}\right)=\frac{f(a^{k + 1})}{f(a)}\),即\(f(a^{k})=\frac{f(a^{k + 1})}{b}\),所以\(f(a^{k + 1})=b^{k + 1}\)。

对于任意\(x>0\),设\(x = a^{\log_{a}x}\),则\(f(x)=b^{\log_{a}x}\)。

例37:已知\(f(x)\)满足\(f(x + y)=f(x)f(y)+f(x)+f(y)\),且\(f(0)\neq0\),求\(f(x)\)。

解:令\(x = y = 0\),则\(f(0)=f(0)f(0)+f(0)+f(0)\)。

设\(f(0)=t\),则\(t=t^{2}+2t\),即\(t^{2}+t = 0\),因为\(t\neq0\),所以\(t=-1\),即\(f(0)= - 1\)。

令\(y = 1\),则\(f(x + 1)=f(x)f(1)+f(x)+f(1)\)。

设\(f(1)=a\),则\(f(x + 1)=(a + 1)f(x)+a\)。

设\(f(x)=g(x)-1\),则\(g(x + 1)-1=(a + 1)(g(x)-1)+a\),即\(g(x + 1)=(a + 1)g(x)\)。

所以\(g(x)=g(0)(a + 1)^{x}\),又\(g(0)=f(0)+1 = 0\),所以\(f(x)= - 1\)(需要重新检查条件,这里可能出现矛盾或者特殊情况)。

例38:已知\(f(x)\)满足\(f(x^{n})=n f(x)\),\(n\in N^+\),且\(f(2)=1\),求\(f(x)\)。

解:令\(x = 2^{\frac{1}{n}}\),则\(f\left((2^{\frac{1}{n}})^{n}\right)=n f\left(2^{\frac{1}{n}}\right)\),即\(f(2)=n f\left(2^{\frac{1}{n}}\right)\),所以\(f\left(2^{\frac{1}{n}}\right)=\frac{1}{n}\)。

对于任意\(x>0\),设\(x = 2^{t}\)(\(t = \log_{2}x\)),则\(f(x)=t f(2)=t=\log_{2}x\)。

例39:已知\(f(x)\)满足\(f\left(\frac{1}{1 - x}\right)+f(x)=\frac{1}{1 - x}\),求\(f(x)\)。

解:令\(t=\frac{1}{1 - x}\),则\(x = 1-\frac{1}{t}\)。

原方程变为\(f(t)+f\left(1 - \frac{1}{t}\right)=t\)。

再令\(u = 1-\frac{1}{t}\),则\(t=\frac{1}{1 - u}\),得到\(f\left(\frac{1}{1 - u}\right)+f(u)=\frac{1}{1 - u}\)。

通过联立方程,设\(y = f(x)\),\(z = f\left(\frac{1}{1 - x}\right)\),解方程组\(\begin{cases}y + z=\frac{1}{1 - x}\\z + f\left(1 - \frac{1}{x}\right)=x\end{cases}\)(过程中需要复杂的代换和化简)来求解\(f(x)\)。

例40:已知\(f(x)\)满足\(f(x + y) = \frac{f(x)+f(y)}{1 - f(x)f(y)}\),且\(f(0)=0\),\(f'(0)=1\),求\(f(x)\)。

解:对\(f(x + y)=\frac{f(x)+f(y)}{1 - f(x)f(y)}\)两边同时对\(y\)求导(把\(x\)看成常数)。

令\(y = 0\),得\(f'(x)=\left.\frac{f'(y)(1 - f(x)f(y))-(f(x)+f(y))(-f(x)f'(y))}{(1 - f(x)f(y))^{2}}\right|_{y = 0}\)。

因为\(f(0)=0\),\(f'(0)=1\),所以\(f'(x)=1 + f^{2}(x)\)。

这是一个可分离变量的微分方程\(\frac{df(x)}{1 + f^{2}(x)}=dx\)。

两边积分\(\int\frac{df(x)}{1 + f^{2}(x)}=\int dx\),得\(\arctan(f(x))=x + C\)。

因为\(f(0)=0\),所以\(C = 0\),则\(f(x)=\tan x\)。

数学基础 - 中初数学、高中数学

函数 03 求抽象函数解析式