函数f(x)=xax+b(a,bf(x)=\dfrac{x}{ax+b}(a,b为常数))满足:点(2,1)(2,1)在f(x)f(x)的图象上,方程f(x)=xf(x)=x有唯一解. (1)求f(x)f(x)的解析式; (2)判断f(x)f(x)在(−2,+∞)(-2,+∞)上的单调性,并证明.

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完整解法

(1)

1. 利用点在函数图象上建立关于 $a, b$ 的第一个方程

因为点 (2,1)(2,1) 在函数 f(x)f(x) 的图象上,
代入可得:f(2)=22a+b=1f(2) = \dfrac{2}{2a+b} = 1,
变形得:2a+b=22a+b = 2 ①.

2. 利用方程有唯一解建立第二个方程,并求出 $a, b$ 的值及解析式

由方程 f(x)=xf(x)=x 得 xax+b=x\dfrac{x}{ax+b}=x,
即 x=x(ax+b)x = x(ax+b),整理得 ax2+(b−1)x=0ax^2 + (b-1)x = 0.
因为该方程有唯一解,且显然 x=0x=0 是其一个解,
由于 a≠0a \neq 0(若 a=0a=0,则 b=2b=2,这使得 f(x)=x2f(x)=\dfrac{x}{2} 无渐近线,与第(2)问中研究 (−2,+∞)(-2, +\infty) 的单调性矛盾,故舍去),
所以该一元二次方程有两个相等的实数根,即唯一解为 x=0x=0.
因此一次项系数必须为 0,即 b−1=0b-1=0,解得 b=1b=1.
将 b=1b=1 代入①得 2a+1=2  ⟹  a=122a+1=2 \implies a=\dfrac{1}{2}.
此时解析式为 f(x)=x12x+1=2xx+2f(x) = \dfrac{x}{\frac{1}{2}x+1} = \dfrac{2x}{x+2}.

答案

f(x)=2xx+2f(x) = \dfrac{2x}{x+2}

(2)

1. 写出单调性结论

f(x)f(x) 在 (−2,+∞)(-2, +\infty) 上单调递增.

2. 用定义法证明单调性

证明:任取 x1,x2∈(−2,+∞)x_1, x_2 \in (-2, +\infty),且 x1<x2x_1 < x_2,
则 f(x2)−f(x1)=2x2x2+2−2x1x1+2f(x_2) - f(x_1) = \dfrac{2x_2}{x_2+2} - \dfrac{2x_1}{x_1+2}
=2x2(x1+2)−2x1(x2+2)(x1+2)(x2+2)= \dfrac{2x_2(x_1+2) - 2x_1(x_2+2)}{(x_1+2)(x_2+2)}
=2x1x2+4x2−2x1x2−4x1(x1+2)(x2+2)= \dfrac{2x_1x_2 + 4x_2 - 2x_1x_2 - 4x_1}{(x_1+2)(x_2+2)}
=4(x2−x1)(x1+2)(x2+2)= \dfrac{4(x_2-x_1)}{(x_1+2)(x_2+2)}.
因为 −2<x1<x2-2 < x_1 < x_2,
所以 x2−x1>0x_2 - x_1 > 0,x1+2>0x_1 + 2 > 0,x2+2>0x_2 + 2 > 0.
所以 4(x2−x1)(x1+2)(x2+2)>0\dfrac{4(x_2-x_1)}{(x_1+2)(x_2+2)} > 0,
即 f(x2)−f(x1)>0  ⟹  f(x2)>f(x1)f(x_2) - f(x_1) > 0 \implies f(x_2) > f(x_1).
所以 f(x)f(x) 在 (−2,+∞)(-2, +\infty) 上单调递增.

答案

f(x)f(x) 在 (−2,+∞)(-2, +\infty) 上单调递增,证明见解析.

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