Látum $f:\mathbb{R}\rightarrow\mathbb{R}$ vera fall sem er skilgreint
fyrir allar rauntölur og sem uppfyllir
fyrir allar rauntölur $x$ að
$$f(x+19)\leq f(x)+19\quad\text{og}\quad f(x+94)\geq f(x)+94.$$
Sýnið að $f(x+1)=f(x)+1$ fyrir allar rauntölur $x$.
Lausn
Athugum að með endurtekningu fáum við
$$
f(x+19a)\leq f(x)+19 a \quad\quad \text{ og } \quad\quad
f(x+94b)\geq f(x)+94 b
$$
ef $a$ og $b$ eru náttúrlegar tölur. Með því að skipta á $x$ og
$x-19a$ í fyrri ójöfnunni og $x-94b$ í þeirri síðari, þá
fáum við
$$
f(x)\leq f(x-19a)+19a \quad\quad \text{ og } \quad\quad
f(x)\geq f(x-94b)+94b
$$
svo að
$$
f(x-19 a)\geq f(x)-19 a \quad\quad \text{ og } \quad\quad
f(x-94 b)\leq f(x)-94 b.
$$
Nú skulum við gera ráð fyrir að hægt sé að velja náttúrlegar tölur
$a$ og $b$ þannig að $19a-94b=1$. Þá er
$$
\begin{aligned}
f(x+1)&=f(x+19a-94 b)\leq f(x+19a)-94 b\\
&\leq f(x)+19a-94b = f(x)+1.
\end{aligned}
$$
Ef hinsvegar til eru náttúrlegar tölur $c$ og $d$ þannig að $94c-19 d=1$, þá fáum við
$$
\begin{aligned}
f(x+1)&=f(x+94 c -19d)\geq f(x+94d)-19 d\\
&\geq f(x)+94 c-19 d = f(x)+1.
\end{aligned}
$$
Af tveimur síðustu ójöfnunum fáum við $f(x+1)=f(x)+1$. Nú er $19\cdot 5=95$ og þar með getum við vallið $a=5$ og $b=1$. Til þess að ákvarða $c$ og $d$, þá athugum við að
$$
\begin{aligned}
94\cdot (-1) + 19\cdot 5=1\\ 94\cdot 19+19\cdot (-94)=0.
\end{aligned}
$$
Ef við leggjum þessar tvær jöfnur saman, þá fáum við að hægt er að velja
$c=18$ og $d=89$.