已知函数f(x)=1−22ax−1+1(a>0f(x)=1- \dfrac {2}{2a^{x-1}+1}(a > 0且a≠1)a\neq 1)是定义在RR上的奇函数. ((Ⅰ))求实数aa的值; ((Ⅱ)) 证明函数f(x)f(x)在RR上是增函数; ((Ⅲ))当x∈[1,+∞)x∈[1,+∞)时,mf(x)⩽2x−2mf(x)\leqslant 2^{x}-2恒成立,求实数mm的取值范围.

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完整解法

(Ⅰ)

1. 利用奇函数的定义求出待定系数 $a$ 的值

因为 f(x)f(x) 是定义在 R\mathbb{R} 上的奇函数,所以其在 x=0x=0 处有定义,且必有 f(0)=0f(0) = 0。
代入 x=0x=0 得:
f(0)=1−22a0−1+1=1−22a−1+1=0f(0) = 1 - \dfrac{2}{2a^{0-1} + 1} = 1 - \dfrac{2}{2a^{-1} + 1} = 0
从而有 22a+1=1\dfrac{2}{\frac{2}{a} + 1} = 1,解得 2a=1\dfrac{2}{a} = 1,即 a=2a = 2。

2. 验证 $a=2$ 时函数确为奇函数

当 a=2a=2 时,f(x)=1−22x+1=2x−12x+1f(x) = 1 - \dfrac{2}{2^x + 1} = \dfrac{2^x - 1}{2^x + 1}。
其定义域为 R\mathbb{R},且对于任意 x∈Rx \in \mathbb{R},有:
f(−x)=2−x−12−x+1=12x−112x+1=1−2x1+2x=−f(x)f(-x) = \dfrac{2^{-x} - 1}{2^{-x} + 1} = \dfrac{\frac{1}{2^x} - 1}{\frac{1}{2^x} + 1} = \dfrac{1 - 2^x}{1 + 2^x} = -f(x)
所以 f(x)f(x) 为奇函数,满足题意。故 a=2a = 2。

答案

a=2a=2

(Ⅱ)

1. 利用定义法设定变量并作差

由第(Ⅰ)问知 f(x)=1−22x+1f(x) = 1 - \dfrac{2}{2^x + 1}。
任取 x1,x2∈Rx_1, x_2 \in \mathbb{R} 且 x1<x2x_1 < x_2。
作差得:
f(x1)−f(x2)=(1−22x1+1)−(1−22x2+1)=22x2+1−22x1+1=2(2x1−2x2)(2x1+1)(2x2+1)f(x_1) - f(x_2) = \left(1 - \dfrac{2}{2^{x_1} + 1}\right) - \left(1 - \dfrac{2}{2^{x_2} + 1}\right) = \dfrac{2}{2^{x_2} + 1} - \dfrac{2}{2^{x_1} + 1} = \dfrac{2(2^{x_1} - 2^{x_2})}{(2^{x_1} + 1)(2^{x_2} + 1)}

2. 判断差值的符号并得出结论

因为 x1<x2x_1 < x_2 且 y=2xy = 2^x 在 R\mathbb{R} 上是增函数,所以 2x1<2x22^{x_1} < 2^{x_2},即 2x1−2x2<02^{x_1} - 2^{x_2} < 0。
又因为 2x1+1>02^{x_1} + 1 > 0 且 2x2+1>02^{x_2} + 1 > 0,
所以 f(x1)−f(x2)<0f(x_1) - f(x_2) < 0,即 f(x1)<f(x2)f(x_1) < f(x_2)。
因此,函数 f(x)f(x) 在 R\mathbb{R} 上是增函数。

答案

证明见解析

(Ⅲ)

1. 将恒成立不等式进行变形与参变分离

当 x∈[1,+∞)x \in [1, +\infty) 时,mf(x)⩽2x−2m f(x) \leqslant 2^x - 2 恒成立,即:
m⋅2x−12x+1⩽2x−2m \cdot \dfrac{2^x - 1}{2^x + 1} \leqslant 2^x - 2
因为 x⩾1x \geqslant 1,所以 2x⩾22^x \geqslant 2,由此可得 2x−1>02^x - 1 > 0 且 2x+1>02^x + 1 > 0。
因此 2x−12x+1>0\dfrac{2^x - 1}{2^x + 1} > 0。
两边同除以该项,分离参数 mm 得:
m⩽(2x−2)(2x+1)2x−1m \leqslant \dfrac{(2^x - 2)(2^x + 1)}{2^x - 1}

2. 引入新变量换元简化函数结构

令 t=2x−1t = 2^x - 1。
因为 x⩾1x \geqslant 1,所以 2x⩾22^x \geqslant 2,从而有 t⩾1t \geqslant 1。
此时 2x=t+12^x = t + 1,代入上式得:
m⩽(t−1)(t+2)t=t2+t−2t=t−2t+1m \leqslant \dfrac{(t - 1)(t + 2)}{t} = \dfrac{t^2 + t - 2}{t} = t - \dfrac{2}{t} + 1

3. 构造新函数并求其在对应区间上的最小值

设 g(t)=t−2t+1g(t) = t - \dfrac{2}{t} + 1,t∈[1,+∞)t \in [1, +\infty)。
因为函数 y=ty = t 和 y=−2ty = -\dfrac{2}{t} 在 [1,+∞)[1, +\infty) 上均为单调递增函数,所以它们的和函数 g(t)g(t) 也在 [1,+∞)[1, +\infty) 上单调递增。
因此,当 t=1t = 1 时,g(t)g(t) 取得最小值:
g(t)min⁡=g(1)=1−2+1=0g(t)_{\min} = g(1) = 1 - 2 + 1 = 0
要使 m⩽g(t)m \leqslant g(t) 恒成立,必须有 m⩽g(t)min⁡m \leqslant g(t)_{\min},即 m⩽0m \leqslant 0。
所以实数 mm 的取值范围为 m⩽0m \leqslant 0。

答案

m⩽0m \leqslant 0

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