Feladat: 1990. évi Nemzetközi Matematika Diákolimpia 21. feladata Korcsoport: 16-17 Nehézségi fok: nehéz
Megoldó(k):  Lakos Gyula 
Füzet: 1990/november, 340 - 341. oldal  PDF  |  MathML 
Témakör(ök): Függvényegyenletek, Konstruktív megoldási módszer, Prímtényezős felbontás, Nemzetközi Matematikai Diákolimpia
Hivatkozás(ok):Feladatok: 1990/szeptember: 1990. évi Nemzetközi Matematika Diákolimpia 21. feladata

A szöveg csak Firefox böngészőben jelenik meg helyesen. Használja a fenti PDF file-ra mutató link-et a letöltésre.

Definiáljuk az f függvényt a következőképpen: Vegyük tetszőleges xQ+ számnak a prímfelbontását, ahol a prímeket a szokásosan értelmezzük, de nem csak nemnegatív, hanem egész hatványon fordulhatnak elő a prímfelbontásban. Vegyük sorra a prímeket (minden x esetében ugyanolyan sorrendben): p1, p2, p3, .... Ekkor f(x) legyen az a szám, amelyet x prímfelbontásából kapunk úgy, hogy p2n helyébe p2n-1-et, p2n-1 helyébe p2n-1-et írunk. Mivel mind a prímfelbontás, mind a behelyettesítési művelet egyértelmű, ezért f(x) is. (Persze csak adott prímfelsorolás mellett) Bebizonyítjuk, hogy f teljesíti a kívánt feltételeket:
I. f(x)Q+ nyilvánvaló.
II. Mivel f multiplikatív, és a kritérium nem érzékeny a multiplikativitásra, ezért elég f(f(y))=y-1-et igazolni, és ezt is csak prímekre. Az f definíciója szerint

y=p2neseténf(f(y))=f(p2n-1)=p2n-1=y-1,y=p2n-1eseténf(f(y))=f(p2n-1)=p2n-1-1=y-1.
Ezzel beláttuk az f(xf(y))=f(x)y kritérium teljesülését is, azaz az így kapott f függvény példa ilyen függvényre.
 

Megjegyzés. Hammel-bázissal R+-ra is általánosítható a feladat, illetve minden ilyen f függvény jellemezhetővé válik. (A versenyen beadott, R+-ra is általánosított megoldásom is ezzel dolgozik, míg az itt leírt megoldásom alapötletét a versenyen csak megjegyzésben közöltem.)