已知函数f(x)=mln⁡xf(x)=m\ln x. (1)讨论函数F(x)=f(x)+1x−1F(x)=f(x)+ \dfrac {1}{x}-1的单调性; (2)定义:“对于在区域DD上有定义的函数y=f(x)y=f(x)和y=g(x)y=g(x),若满足f(x)⩽g(x)f(x)\leqslant g(x)恒成立,则称曲线y=g(x)y=g(x)为曲线y=f(x)y=f(x)在区域DD上的紧邻曲线”.试问曲线y=f(x+1)y=f(x+1)与曲线y=xx+1y= \dfrac {x}{x+1}是否存在相同的紧邻直线,若存在,请求出实数mm的值;若不存在,请说明理由.

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完整解法

(1)

1. 确定函数 $F(x)$ 的定义域并求出其导函数

函数 F(x)=f(x)+1x−1=mln⁡x+1x−1F(x) = f(x) + \dfrac{1}{x} - 1 = m \ln x + \dfrac{1}{x} - 1,定义域为 (0,+∞)(0, +\infty).
对 F(x)F(x) 求导得:
F′(x)=mx−1x2=mx−1x2(x>0)F'(x) = \dfrac{m}{x} - \dfrac{1}{x^2} = \dfrac{mx - 1}{x^2} \quad (x > 0)

2. 分 $m \leqslant 0$ 与 $m > 0$ 讨论 $F'(x)$ 的符号,得出函数单调性

① 当 m⩽0m \leqslant 0 时,对于任意 x∈(0,+∞)x \in (0, +\infty),有 mx⩽0mx \leqslant 0,故 mx−1<0mx - 1 < 0.
此时 F′(x)<0F'(x) < 0,函数 F(x)F(x) 在 (0,+∞)(0, +\infty) 上单调递减.

② 当 m>0m > 0 时,令 F′(x)=0F'(x) = 0,解得 x=1mx = \dfrac{1}{m}.
当 x∈(0,1m)x \in \left(0, \dfrac{1}{m}\right) 时,F′(x)<0F'(x) < 0,F(x)F(x) 单调递减;
当 x∈(1m,+∞)x \in \left(\dfrac{1}{m}, +\infty\right) 时,F′(x)>0F'(x) > 0,F(x)F(x) 单调递增.

综上所述:

  • 当 m⩽0m \leqslant 0 时,F(x)F(x) 的单调递减区间为 (0,+∞)(0, +\infty);
  • 当 m>0m > 0 时,F(x)F(x) 的单调递减区间为 (0,1m)\left(0, \dfrac{1}{m}\right),单调递增区间为 (1m,+∞)\left(\dfrac{1}{m}, +\infty\right).
答案

当 m⩽0m \leqslant 0 时,F(x)F(x) 在 (0,+∞)(0, +\infty) 上单调递减;
当 m>0m > 0 时,F(x)F(x) 在 (0,1m)\left(0, \dfrac{1}{m}\right) 上单调递减,在 (1m,+∞)\left(\dfrac{1}{m}, +\infty\right) 上单调递增.

(2)

1. 分析两曲线均过原点的几何特征,确定 $y = \dfrac{x}{x+1}$ 在原点处的切线 $y = x$ 并验证其为紧邻直线

设 g(x)=xx+1g(x) = \dfrac{x}{x+1},h(x)=f(x+1)=mln⁡(x+1)h(x) = f(x+1) = m\ln(x+1),定义域均为 (−1,+∞)(-1, +\infty).
注意到 g(0)=0g(0) = 0,h(0)=mln⁡1=0h(0) = m\ln 1 = 0,即两曲线均经过点 (0,0)(0,0).
对 g(x)g(x) 求导得 g′(x)=1(x+1)2g'(x) = \dfrac{1}{(x+1)^2},故在 x=0x=0 处的切线斜率为 g′(0)=1g'(0) = 1.
切线方程为 y=xy = x.
考虑作差:
x−g(x)=x−xx+1=x2x+1x - g(x) = x - \dfrac{x}{x+1} = \dfrac{x^2}{x+1}
当 x∈(−1,+∞)x \in (-1, +\infty) 时,x+1>0x+1 > 0 且 x2⩾0x^2 \geqslant 0,故 g(x)⩽xg(x) \leqslant x 恒成立(当且仅当 x=0x=0 时取等号).
因此直线 y=xy = x 是曲线 y=xx+1y = \dfrac{x}{x+1} 的一条紧邻直线.

2. 由极值必要条件求出 $m=1$,并验证其充分性

若直线 y=xy = x 也是曲线 y=h(x)=mln⁡(x+1)y = h(x) = m\ln(x+1) 的紧邻直线,则需满足 h(x)⩽xh(x) \leqslant x 对 x∈(−1,+∞)x \in (-1, +\infty) 恒成立.
设 ψ(x)=mln⁡(x+1)−x\psi(x) = m\ln(x+1) - x,因为 ψ(0)=0\psi(0) = 0,要使 ψ(x)⩽ψ(0)=0\psi(x) \leqslant \psi(0) = 0 在 x=0x=0 附近恒成立,则 x=0x=0 必须是 ψ(x)\psi(x) 的极大值点,故必有 ψ′(0)=0\psi'(0) = 0.
求导得 ψ′(x)=mx+1−1\psi'(x) = \dfrac{m}{x+1} - 1,代入 x=0x=0 得 ψ′(0)=m−1=0  ⟹  m=1\psi'(0) = m - 1 = 0 \implies m = 1.

充分性检验:
当 m=1m = 1 时,ψ′(x)=1x+1−1=−xx+1\psi'(x) = \dfrac{1}{x+1} - 1 = \dfrac{-x}{x+1}.
当 x∈(−1,0)x \in (-1, 0) 时,ψ′(x)>0\psi'(x) > 0,ψ(x)\psi(x) 单调递增;
当 x∈(0,+∞)x \in (0, +\infty) 时,ψ′(x)<0\psi'(x) < 0,ψ(x)\psi(x) 单调递减.
故 ψ(x)⩽ψ(0)=0\psi(x) \leqslant \psi(0) = 0 在 (−1,+∞)(-1, +\infty) 上恒成立,即 ln⁡(x+1)⩽x\ln(x+1) \leqslant x 成立.
因此,存在相同的紧邻直线 y=xy = x,此时 m=1m = 1.

答案

存在相同的紧邻直线,此时实数 m=1m = 1(相同的紧邻直线方程为 y=xy = x).

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