已知函数f(x)=2xx+1f(x)=\frac { 2x } { x+1 }. (1)用定义证明函数f(x)f(x)在区间(1,+∞)(1,+∞)上单调递增; (2)对任意x∈[2,4]x∈[2,4]都有f(x)≤mf(x)≤m成立,求实数mm的取值范围.

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完整解法

(1)

1. 设值并写出函数值之差

任取 x1,x2∈(1,+∞)x_1, x_2 \in (1, +\infty),且 x1<x2x_1 < x_2.
计算 f(x2)−f(x1)f(x_2) - f(x_1):
f(x2)−f(x1)=2x2x2+1−2x1x1+1f(x_2) - f(x_1) = \frac{2x_2}{x_2+1} - \frac{2x_1}{x_1+1}

2. 通分并化简差值代数式

将上式通分,得:
f(x2)−f(x1)=2x2(x1+1)−2x1(x2+1)(x2+1)(x1+1)f(x_2) - f(x_1) = \frac{2x_2(x_1+1) - 2x_1(x_2+1)}{(x_2+1)(x_1+1)}
=2x1x2+2x2−2x1x2−2x1(x2+1)(x1+1)= \frac{2x_1x_2 + 2x_2 - 2x_1x_2 - 2x_1}{(x_2+1)(x_1+1)}
=2(x2−x1)(x2+1)(x1+1)= \frac{2(x_2 - x_1)}{(x_2+1)(x_1+1)}

3. 判断符号并得出单调性结论

因为 x2>x1>1x_2 > x_1 > 1,所以 x2−x1>0x_2 - x_1 > 0,且 x1+1>0x_1 + 1 > 0,x2+1>0x_2 + 1 > 0,
故 (x2+1)(x1+1)>0(x_2+1)(x_1+1) > 0,
从而 f(x2)−f(x1)>0f(x_2) - f(x_1) > 0,即 f(x2)>f(x1)f(x_2) > f(x_1).
所以函数 f(x)f(x) 在区间 (1,+∞)(1, +\infty) 上单调递增.

答案

因此,函数 f(x)f(x) 在区间 (1,+∞)(1, +\infty) 上单调递增.

(2)

1. 将恒成立问题转化为最值问题

因为对任意 x∈[2,4]x \in [2, 4] 都有 f(x)≤mf(x) \le m 成立,
所以只需 m≥f(x)max⁡m \ge f(x)_{\max} 在 x∈[2,4]x \in [2, 4] 上成立.

2. 利用单调性确定函数的最大值

由(1)知,函数 f(x)f(x) 在区间 (1,+∞)(1, +\infty) 上单调递增,
因为 [2,4]⊆(1,+∞)[2, 4] \subseteq (1, +\infty),
所以 f(x)f(x) 在区间 [2,4][2, 4] 上单调递增.
故当 x=4x = 4 时,函数 f(x)f(x) 取得最大值,
f(x)max⁡=f(4)=2×44+1=85f(x)_{\max} = f(4) = \frac{2 \times 4}{4+1} = \frac{8}{5}

3. 得出实数 m 的取值范围

因此,只需 m≥85m \ge \frac{8}{5}.
即实数 mm 的取值范围是 [85,+∞)\left[\frac{8}{5}, +\infty\right).

答案

m∈[85,+∞)m \in \left[\frac{8}{5}, +\infty\right)

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