15/10/25 16:29:51.70 U2A2nlW9.net
>>597
補題：実数a,bがa<bを満たすとき、a<q<bとなる有理数qが存在する。
a<bより、1/(b-a)は正の実数であり、N>1/(b-a)となる自然数Nが存在する。
このとき、Nb-Na>1なので、Nb<M<Naとなる整数Mが存在する。
q=M/Nとすると、a<q<bを満たす。
以下本題
条件を満たす関数f(x)が存在すると仮定する。
関数g(x)をg(x)=x+f(x)と定義すると、g(x)は連続関数であり、
xが有理数ならf(x)は無理数なのでg(x)は無理数
xが無理数ならf(x)は有理数なのでg(x)は無理数
よって、g(x)は任意の実数xに対して無理数となる。
g(x)が定数関数の場合、g(x)=kとおくと、f(-k)=2kとなり、
kが有理数ならば-kもf(-k)も有理数、kが無理数ならば-kもf(-k)も無理数となるので
条件と矛盾
g(x)が定数関数ではない場合、g(a)<g(b)となる実数a,bが存在する。
このとき、補題より、g(a)<q<g(b)となる有理数qが存在し、
g(x)は連続関数なので、中間値の定理より、g(c)=qとなるcがaとbの間に存在する。
ところが、g(c)は無理数なので、qが有理数であることと矛盾
以上より、いずれの場合も矛盾が生じるので、仮定は誤りであり
条件を満たす関数f(x)は存在しない。
# そもそも中間値の定理が実数の連続性から導かれるものなので、
# それを証明なしに勝手に使っていい高校数学は、結構ゆるゆる。