Question Number 117984 by Ar Brandon last updated on 14/Oct/20
$$\mathrm{If}\:{f}\left({x}\right)\:\mathrm{is}\:\mathrm{a}\:\mathrm{polynomial}\:\mathrm{function}\:\mathrm{satisfying}\:\mathrm{the}\:\mathrm{relation} \\ $$$$\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:{f}\left({x}\right)+{f}\left(\frac{\mathrm{1}}{{x}}\right)={f}\left({x}\right){f}\left(\frac{\mathrm{1}}{{x}}\right) \\ $$$$\mathrm{for}\:\mathrm{all}\:\mathrm{0}\neq{x}\in\mathbb{R}\:\mathrm{and}\:\mathrm{if}\:{f}\left(\mathrm{2}\right)=\mathrm{9},\:\mathrm{then}\:\mathrm{f}\left(\mathrm{6}\right)\:\mathrm{is} \\ $$$$\left(\mathrm{A}\right)\:\mathrm{216}\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\left(\mathrm{B}\right)\:\mathrm{217}\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\left(\mathrm{C}\right)\:\mathrm{126}\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\left(\mathrm{D}\right)\:\mathrm{127} \\ $$
Answered by Ar Brandon last updated on 14/Oct/20
$${f}\left(\mathrm{2}\right)=\mathrm{9}\:\mathrm{therefore}\:{f}\left({x}\right)\:\mathrm{must}\:\mathrm{be}\:\mathrm{a}\:\mathrm{non}-\mathrm{zero}\:\mathrm{polynomial}. \\ $$$$\mathrm{Let}\:{f}\left({x}\right)={a}_{\mathrm{0}} +{a}_{\mathrm{1}} {x}+{a}_{\mathrm{2}} {x}^{\mathrm{2}} +\centerdot\centerdot\centerdot+{a}_{{n}} {x}^{{n}} ,\:{a}_{{n}} \neq\mathrm{0} \\ $$$$\mathrm{Suppose}\:\mathrm{that}\:{f}\left({x}\right)+{f}\left(\frac{\mathrm{1}}{{x}}\right)={f}\left({x}\right){f}\left(\frac{\mathrm{1}}{{x}}\right)\:\mathrm{for}\:\mathrm{all}\:{x}\neq\mathrm{0} \\ $$$$\mathrm{Then}\:\underset{\mathrm{r}=\mathrm{0}} {\overset{{n}} {\sum}}{a}_{\mathrm{r}} {x}^{\mathrm{r}} +\underset{\mathrm{r}=\mathrm{1}} {\overset{{n}} {\sum}}\frac{{a}_{\mathrm{r}} }{{x}^{\mathrm{r}} }=\left(\underset{\mathrm{r}=\mathrm{0}} {\overset{{n}} {\sum}}{a}_{\mathrm{r}} {x}^{\mathrm{r}} \right)\left(\underset{\mathrm{r}=\mathrm{1}} {\overset{{n}} {\sum}}\frac{{a}_{\mathrm{r}} }{{x}^{\mathrm{r}} }\right) \\ $$$$\mathrm{Multiplying}\:\mathrm{through}\:\mathrm{by}\:{x}^{{n}} ,\:\mathrm{we}\:\mathrm{get}\:\mathrm{that} \\ $$$$\underset{\mathrm{r}=\mathrm{0}} {\overset{{n}} {\sum}}{a}_{\mathrm{r}} {x}^{{n}+\mathrm{r}} +\underset{\mathrm{r}=\mathrm{0}} {\overset{{n}} {\sum}}{a}_{\mathrm{r}} {x}^{{n}−\mathrm{r}} =\left(\underset{\mathrm{r}=\mathrm{0}} {\overset{{n}} {\sum}}{a}_{\mathrm{r}} {x}^{\mathrm{r}} \right)\left(\underset{\mathrm{r}=\mathrm{0}} {\overset{{n}} {\sum}}{a}_{\mathrm{r}} {x}^{{n}−\mathrm{r}} \right) \\ $$$$\mathrm{That}\:\mathrm{is}, \\ $$$$\left({a}_{\mathrm{0}} {x}^{{n}} +{a}_{\mathrm{1}} {x}^{{n}+\mathrm{1}} +\centerdot\centerdot\centerdot{a}_{{n}} {x}^{\mathrm{2}{n}} \right)+\left({a}_{\mathrm{0}} {x}^{{n}} +{a}_{\mathrm{1}} {x}^{{n}−\mathrm{1}} +\centerdot\centerdot\centerdot+{a}_{{n}−\mathrm{1}} {x}+{a}_{{n}} \right) \\ $$$$\:\:\:\:\:\:=\left({x}^{{n}} +{a}_{\mathrm{1}} {x}^{{n}} +\centerdot\centerdot\centerdot{a}_{{n}} {x}^{{n}} \right)\left({a}_{\mathrm{0}} {x}^{{n}} +{a}_{\mathrm{1}} {x}^{{n}−\mathrm{1}} +\centerdot\centerdot\centerdot+{a}_{{n}−\mathrm{1}} {x}+{a}_{{n}} \right) \\ $$$$\mathrm{Equating}\:\mathrm{the}\:\mathrm{corresponding}\:\mathrm{coefficients}\:\mathrm{of}\:\mathrm{powers}\:\mathrm{of}\:{x}, \\ $$$$\mathrm{we}\:\mathrm{have} \\ $$$$\:\:\:\:\:\:\:\:\:{a}_{{n}} ={a}_{\mathrm{0}} {a}_{{n}} ,\:{a}_{{n}−\mathrm{1}} ={a}_{\mathrm{0}} {a}_{{n}−\mathrm{1}} +{a}_{\mathrm{1}} {a}_{{n}} \\ $$$$\:\:\:\:\:\:\:\:\:{a}_{{n}−\mathrm{2}} ={a}_{\mathrm{2}} {a}_{{n}} +{a}_{\mathrm{1}} {a}_{{n}−\mathrm{1}} +{a}_{{n}−\mathrm{2}} {a}_{\mathrm{0}} \\ $$$$\:\:\:\:\:\:\:\:\:\mathrm{2}{a}_{\mathrm{0}} ={a}_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{2}} +{a}_{{n}} ^{\mathrm{2}} \\ $$$$\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:{a}_{{n}} ={a}_{\mathrm{0}} {a}_{{n}} \Rightarrow{a}_{\mathrm{0}} =\mathrm{1}\:\left(\mathrm{since}\:{a}_{{n}} \neq\mathrm{0}\right) \\ $$$$\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:{a}_{{n}−\mathrm{1}} ={a}_{\mathrm{0}} {a}_{{n}−\mathrm{1}} +{a}_{\mathrm{1}} {a}_{{n}} \Rightarrow{a}_{\mathrm{1}} {a}_{{n}} =\mathrm{0}\Rightarrow{a}_{\mathrm{1}} =\mathrm{0} \\ $$$$\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:{a}_{{n}−\mathrm{2}} ={a}_{\mathrm{2}} {a}_{{n}} +{a}_{\mathrm{1}} {a}_{{n}−\mathrm{1}} +{a}_{{n}−\mathrm{2}} {a}_{\mathrm{0}} \Rightarrow{a}_{{n}−\mathrm{2}} ={a}_{\mathrm{2}} {a}_{{n}} +{a}_{{n}−\mathrm{2}} \Rightarrow{a}_{\mathrm{2}} =\mathrm{0} \\ $$$$\mathrm{Continuing}\:\mathrm{this}\:\mathrm{process},\:\mathrm{we}\:\mathrm{get}\:\mathrm{that}\:{a}_{{n}−\mathrm{1}} =\mathrm{0}\:\mathrm{and}\:\mathrm{2}=\mathrm{1}+{a}_{{n}} ^{\mathrm{2}} . \\ $$$$\mathrm{Hence}\:{a}_{{n}} =\pm\mathrm{1}.\:\mathrm{Therefore} \\ $$$$\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:{f}\left({x}\right)=\mathrm{1}\pm{x}^{{n}} \\ $$$$\mathrm{Since}\:\mathrm{we}\:\mathrm{are}\:\mathrm{given}\:\mathrm{that}\:{f}\left(\mathrm{2}\right)=\mathrm{9}\:\mathrm{we}\:\mathrm{have} \\ $$$$\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\mathrm{9}=\mathrm{1}\pm\mathrm{2}^{\mathrm{n}} \\ $$$$\mathrm{Therefore}\:{f}\left({x}\right)\:\mathrm{cannot}\:\mathrm{be}\:\mathrm{1}−{x}^{{n}} .\:\mathrm{Thus},\:{f}\left({x}\right)=\mathrm{1}+{x}^{{n}} \:\mathrm{and} \\ $$$$\mathrm{9}=\mathrm{1}+\mathrm{2}^{{n}} \:\mathrm{and}\:\mathrm{hence}\:{n}=\mathrm{3}.\:\mathrm{So}\:{f}\left({x}\right)=\mathrm{1}+{x}^{\mathrm{3}} \:\mathrm{and}\:{f}\left(\mathrm{6}\right)=\mathrm{217}. \\ $$