Question Number 154647 by mathdanisur last updated on 20/Sep/21
$$\mathrm{f}\::\:\mathrm{Q}\:\rightarrow\:\mathrm{Q} \\ $$$$\mathrm{f}\left(\mathrm{x}\:+\:\mathrm{f}\left(\mathrm{y}\right)\right)\:=\:\mathrm{y}\:+\:\mathrm{f}\left(\mathrm{x}\right) \\ $$$$\forall\:\mathrm{x};\mathrm{y}\:\in\:\mathrm{Q} \\ $$
Answered by TheHoneyCat last updated on 20/Sep/21
$$\mathrm{I}\:\mathrm{demote}\:\mathrm{by}\:{f}^{{n}} \::\:{f}\circ…\circ{f}\:{n}\:\mathrm{times} \\ $$$$\mathrm{I}\:\mathrm{wont}\:\mathrm{precise}\:\mathrm{it},\:\mathrm{but}\:\mathrm{when}\:\mathrm{a}\:\mathrm{value}\:\left({x},{y},{z}…\right)\:\mathrm{is}\:\mathrm{not}\:\mathrm{defined}\:\mathrm{it}\:\mathrm{means}\:\mathrm{it}\:\mathrm{can}\:\mathrm{be}\:\mathrm{any}\:\mathrm{element}\:\mathrm{of}\:\mathbb{Q} \\ $$$$\mathrm{let}\:\mathbb{I}\:\mathrm{be}\:\mathrm{the}\:\mathrm{identity}\:\mathrm{function} \\ $$$$\mathrm{I}\:\mathrm{am}\:\mathrm{assuming}\:\mathrm{that}\:\mathrm{Q}\:\mathrm{here}\:\mathrm{stands}\:\mathrm{for}\:\mathbb{Q}\:\mathrm{the}\:\mathrm{set}\:\mathrm{of}\:\mathrm{rationnals} \\ $$$$\mathrm{but}\:\mathrm{note}\:\mathrm{that}\:\mathrm{this}\:\mathrm{proof}\:\mathrm{works}\:\mathrm{on}\:\mathrm{any}\:\mathrm{group}\:\mathrm{were}\:−\mathrm{2},−\mathrm{1},\mathrm{0},\mathrm{1},\mathrm{2}\:\mathrm{are}\:\mathrm{all}\:\mathrm{distinct} \\ $$$$\mathrm{I}\:\mathrm{am}\:\mathrm{also}\:\mathrm{assuming}\:\mathrm{that}\:\mathrm{the}\:\mathrm{question}\:\mathrm{is}: \\ $$$$“\mathrm{Find}\:\mathrm{all}\:{f}\:\mathrm{such}\:\mathrm{that}\:\left[{your}\:{proprety}\right]'' \\ $$$$ \\ $$$$\mathrm{evaluating}\:\mathrm{for}\:{x}=\mathrm{0}\:\mathrm{we}\:\mathrm{get}: \\ $$$${f}^{\mathrm{2}} \left({y}\right)={y}+{f}\left(\mathrm{0}\right) \\ $$$$\mathrm{applying}\:{f}\:\mathrm{over}\:\mathrm{that}\:\mathrm{equality}\:\mathrm{we}\:\mathrm{get}: \\ $$$${f}^{\mathrm{3}} \left({y}\right)={f}\left({y}+{f}\left(\mathrm{0}\right)\right)=\mathrm{0}+{f}\left({y}\right) \\ $$$$\mathrm{hence}:\:{f}^{\mathrm{3}} ={f}\:\:\:\:\:\:\left(\mathrm{1}\right) \\ $$$$ \\ $$$${f}\left({x}+{f}\left({y}\right)\right)={y}+{f}\left({x}\right) \\ $$$${f}\left(−{f}\left({y}\right)+{f}\left({y}\right)\right)={y}+{f}\left({f}\left({y}\right)\right) \\ $$$$\mathrm{i}.\mathrm{e}.\:{f}\left(\mathrm{0}\right)−{y}={f}^{\mathrm{2}} \left({y}\right) \\ $$$$\mathrm{so}\:{f}^{\mathrm{3}} \left({y}\right)={f}\left(−{y}+{f}\left(\mathrm{0}\right)\right)={f}\left(−{y}\right) \\ $$$$\mathrm{i}.\mathrm{e}.\:{f}^{\mathrm{3}} ={f}\circ\left(−\mathbb{I}\right) \\ $$$$\mathrm{hence}\:{f}={f}\circ\left(−\mathbb{I}\right)\:\left(\mathrm{2}\right) \\ $$$$ \\ $$$${y}+{f}\left({x}\right)={y}+{f}\left(−{x}\right)={f}\left(−{x}+{f}\left({y}\right)\right)={f}\left({x}+{f}\left({y}\right)\right) \\ $$$${f}\left(\mathrm{0}\right)={f}\left(\mathrm{2}{f}\left({y}\right)\right) \\ $$$${f}\left(\mathrm{2}{f}\left({y}\right)\right)={y}+{f}\left({y}\right)={f}\left(\mathrm{0}\right) \\ $$$$\mathrm{so}\:{f}^{\mathrm{2}} ={f}\:\left(\mathrm{3}\right) \\ $$$$ \\ $$$${f}\left({x}+{f}\left({y}\right)\right)={y}+{f}\left({x}\right) \\ $$$${f}^{\mathrm{2}} \left({y}\right)={f}\left({y}\right)+{f}\left(\mathrm{0}\right)\:{so}\:{f}\left(\mathrm{0}\right)=\mathrm{0} \\ $$$$\mathrm{so}\:{f}\left({y}\right)=−{y} \\ $$$$\mathrm{but}\:\mathrm{then}\:{y}!=\mathrm{0}\:\Rightarrow\:{f}\left(−{y}\right)!={f}\left({y}\right) \\ $$$$\mathrm{this}\:\mathrm{contradicts}\:\left(\mathrm{2}\right)\: \\ $$$$ \\ $$$$\mathrm{therefore}\:\mathrm{there}\:\mathrm{is}\:\mathrm{no}\:\mathrm{such}\:\mathrm{function}_{\blacksquare} \\ $$$$\: \\ $$
Commented by mathdanisur last updated on 20/Sep/21
$$\mathrm{Perfect}\:\mathrm{solution}\:\boldsymbol{\mathrm{S}}\mathrm{er},\:\mathrm{thanks} \\ $$