已知函数f(x)=ln⁡(x+x2+1)+1f(x)=\ln(x+\sqrt{{{x}^{2}}+1})+1,若正实数a , ba\text{ },\text{ }b满足f(4a)+f(b−1)=2f(4a)+f(b-1)=2,则1a+1b\dfrac{1}{a}+\dfrac{1}{b}的最小值为___

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完整解法

1. 构造辅助函数并利用奇偶性与单调性求出 $a, b$ 的线性关系

设 g(x)=f(x)−1=ln⁡(x+x2+1)g(x) = f(x) - 1 = \ln(x + \sqrt{x^2 + 1})。
对任意 x∈Rx \in \mathbb{R},有:
g(−x)=ln⁡(−x+(−x)2+1)=ln⁡(x2+1−x)=ln⁡(1x+x2+1)=−ln⁡(x+x2+1)=−g(x)g(-x) = \ln(-x + \sqrt{(-x)^2 + 1}) = \ln(\sqrt{x^2 + 1} - x) = \ln\left(\frac{1}{x + \sqrt{x^2 + 1}}\right) = -\ln(x + \sqrt{x^2 + 1}) = -g(x)
故 g(x)g(x) 为奇函数。
又因为 y=x+x2+1y = x + \sqrt{x^2 + 1} 在 R\mathbb{R} 上单调递增且大于0,所以 g(x)g(x) 在 R\mathbb{R} 上单调递增。
根据题意,f(4a)+f(b−1)=2  ⟺  [g(4a)+1]+[g(b−1)+1]=2  ⟺  g(4a)+g(b−1)=0f(4a) + f(b-1) = 2 \iff [g(4a) + 1] + [g(b-1) + 1] = 2 \iff g(4a) + g(b-1) = 0。
利用奇函数和单调性,g(4a)=−g(b−1)=g(1−b)g(4a) = -g(b-1) = g(1-b),故 4a=1−b4a = 1 - b,即 4a+b=14a + b = 1。

2. 利用基本不等式求 $\dfrac{1}{a} + \dfrac{1}{b}$ 的最小值

因为 a,ba, b 为正实数,且 4a+b=14a + b = 1,利用“乘1法”展开:
1a+1b=(1a+1b)(4a+b)=4+ba+4ab+1=5+(ba+4ab)\frac{1}{a} + \frac{1}{b} = \left(\frac{1}{a} + \frac{1}{b}\right)(4a + b) = 4 + \frac{b}{a} + \frac{4a}{b} + 1 = 5 + \left(\frac{b}{a} + \frac{4a}{b}\right)
由基本不等式 x+y≥2xyx + y \ge 2\sqrt{xy}(x,y>0x, y > 0),可得:
ba+4ab≥2ba⋅4ab=24=4\frac{b}{a} + \frac{4a}{b} \ge 2\sqrt{\frac{b}{a} \cdot \frac{4a}{b}} = 2\sqrt{4} = 4
当且仅当 ba=4ab  ⟹  b=2a\frac{b}{a} = \frac{4a}{b} \implies b = 2a 时等号成立。
结合 4a+b=14a + b = 1,解得 a=16,b=13a = \frac{1}{6}, b = \frac{1}{3},符合 a,b>0a, b > 0。
因此,1a+1b\dfrac{1}{a} + \dfrac{1}{b} 的最小值为 5+4=95 + 4 = 9。

答案

9

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