已知f(x)=∣2x+1∣+∣x−1∣.(Ⅰ)f(x)=\left|2x+1\right|+\left|x-1\right|.(Ⅰ)求f(x)f(x)在[−1,1][-1,1]上的最大值mm及最小值nn; (Ⅱ)(Ⅱ)在(Ⅰ)(Ⅰ)的条件下,设a,b∈Ra,b\in R,且am+bn=1am+bn=1,求证:a2+b2⩾445.a^{2}+b^{2}\geqslant\dfrac{4}{45}.

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完整解法

(Ⅰ)

1. 根据绝对值零点对区间 $[-1, 1]$ 进行分段,化简解析式

令 2x+1=02x+1=0 得 x=−12x=-\dfrac{1}{2};令 x−1=0x-1=0 得 x=1x=1。
当 x∈[−1,−12)x \in \left[-1, -\dfrac{1}{2}\right) 时,2x+1<02x+1 < 0,x−1<0x-1 < 0,
f(x)=−(2x+1)−(x−1)=−3x;f(x) = -(2x+1) - (x-1) = -3x;
当 x∈[−12,1]x \in \left[-\dfrac{1}{2}, 1\right] 时,2x+1⩾02x+1 \geqslant 0,x−1⩽0x-1 \leqslant 0,
f(x)=(2x+1)−(x−1)=x+2.f(x) = (2x+1) - (x-1) = x + 2.

2. 分析各段函数的单调性,求出最大值 $m$ 与最小值 $n$

在 [−1,−12)\left[-1, -\dfrac{1}{2}\right) 上,f(x)=−3xf(x) = -3x 单调递减,此时 f(−1)=3f(-1) = 3,f(−12)=32f\left(-\dfrac{1}{2}\right) = \dfrac{3}{2};
在 [−12,1]\left[-\dfrac{1}{2}, 1\right] 上,f(x)=x+2f(x) = x + 2 单调递增,此时 f(−12)=32f\left(-\dfrac{1}{2}\right) = \dfrac{3}{2},f(1)=3f(1) = 3。
因此,f(x)f(x) 在 [−1,1][-1, 1] 上的最小值为 n=f(−12)=32n = f\left(-\dfrac{1}{2}\right) = \dfrac{3}{2};
最大值为 m=f(−1)=f(1)=3m = f(-1) = f(1) = 3。

答案

m=3m = 3,n=32n = \dfrac{3}{2}

(Ⅱ)

1. 代入 $m, n$ 的值,得到 $a, b$ 的线性约束条件

由 (Ⅰ) 知 m=3m = 3,n=32n = \dfrac{3}{2}。
代入 am+bn=1am + bn = 1,得:
3a+32b=1  ⟹  2a+b=23.3a + \dfrac{3}{2}b = 1 \implies 2a + b = \dfrac{2}{3}.

2. 利用柯西不等式(或消元配方法)证明不等式成立

由柯西不等式,有:
(22+12)(a2+b2)⩾(2a+b)2.(2^2 + 1^2)(a^2 + b^2) \geqslant (2a + b)^2.
将 2a+b=232a + b = \dfrac{2}{3} 代入上式,得:
5(a2+b2)⩾(23)2=49,5(a^2 + b^2) \geqslant \left(\dfrac{2}{3}\right)^2 = \dfrac{4}{9},
解得:
a2+b2⩾445.a^2 + b^2 \geqslant \dfrac{4}{45}.
当且仅当 a2=b1\dfrac{a}{2} = \dfrac{b}{1},即 a=415,b=215a = \dfrac{4}{15}, b = \dfrac{2}{15} 时,等号成立。
故命题得证。

答案

证明见解析

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