●陳伊遐(俄亥俄州立大學(xué)數(shù)學(xué)系俄亥俄)
二次函數(shù)迭代的一個(gè)問(wèn)題的探究
●陳伊遐(俄亥俄州立大學(xué)數(shù)學(xué)系俄亥俄)
文獻(xiàn)[1]~[3]對(duì)二次函數(shù)f(x)=x2+bx+c的迭代進(jìn)行了探討,其中文獻(xiàn)[2]、[3]得到了關(guān)于方程f2(x)=x在特殊情形下根的一個(gè)結(jié)論:設(shè)f(x)=x2+bx+c,記Δ0=(b-1)2-4c,若方程f(x)=x有2個(gè)不等實(shí)根,則1)當(dāng)0<Δ0<4時(shí),f2(x)=x只有2個(gè)不等實(shí)根;2)當(dāng)Δ0>4時(shí),f2(x)=x有4個(gè)不等實(shí)根.方程f2(x)=x中的f2(x)為f2(x)=f(f(x)),一般地有fn(x)= f(fn-1(x)).
本文將考慮一般二次函數(shù)f(x)=ax2+bx+c (其中a≠0且a,b,c∈R)的迭代,用初等方法給出了方程f2(x)=x的所有實(shí)根,顯然方程f2(x)=x為x的4次方程.
記y=f(x),即
由f2(x)=x知x=f(y),即
上述2式相減整理可得
從而x-y=0或a(x+y)+(b+1)=0.
當(dāng)x-y=0時(shí),即x=ax2+bx+c,亦即
記Δ=(b-1)2-4ac,根據(jù)判別式易解方程(1).
當(dāng)a(x+y)+(b+1)=0時(shí),由方程組
消去y,整理可得
此時(shí)判別式為
方程(2)可解,因而有:
定理1設(shè)f(x)=ax2+bx+c,記Δ=(b-1)2-4ac,則
1)當(dāng)Δ<0時(shí),方程f2(x)=x無(wú)實(shí)根;
2)當(dāng)Δ=0時(shí),方程f2(x)=x有1個(gè)實(shí)根;
3)當(dāng)0<Δ≤4時(shí),方程f2(x)=x有2個(gè)不等實(shí)根;
4)當(dāng)Δ>4時(shí),方程f2(x)=x有4個(gè)不等實(shí)根.
證明當(dāng)Δ<4時(shí),結(jié)論顯然成立.
當(dāng)Δ=4時(shí),方程(1)的2個(gè)不等實(shí)根為
當(dāng)Δ>4時(shí),方程(1)的2個(gè)不等實(shí)根為
方程(2)的2個(gè)不等實(shí)根為
例1設(shè)f(x)=x2+x-2,解方程f2(x)=x.
解方程(1)為x2-2=0,解得,顯然點(diǎn)為f(x)的不動(dòng)點(diǎn),此時(shí)有fn(x)=x.
方程(2)為x2+2x= 0,解得x=-2或x=0,顯然點(diǎn)(-2,0),(0,0)為f(x)的2-周期點(diǎn),此時(shí)有f2n(x)=x.
圖1
因而方程f2(x)=x有4個(gè)實(shí)根:,-2,0 (如圖1所示).
[1]王興東,顧新輝.二次函數(shù)迭代的一個(gè)問(wèn)題[J].數(shù)學(xué)通訊,2005(13):24-26.
[2]陶楚國(guó).二次函數(shù)迭代的一個(gè)問(wèn)題初探[J].數(shù)學(xué)通訊,2006(17):31-32.
[3]李永利.關(guān)于二次函數(shù)迭代的一個(gè)定理的簡(jiǎn)證[J].數(shù)學(xué)通訊,2007(11):15.