1. 化简 $\varphi(x)$ 的表达式并用换元法转化为二次函数
由 (Ⅰ) 知 f(x)=log2(2x+1)−21x,
得 f(2x)+x=log2(22x+1)−x+x=log2(22x+1).
因此 2f(2x)+x=2log2(22x+1)=22x+1=(2x)2+1.
代入 φ(x),得:
φ(x)=(2x)2+1+λ⋅2x−1=(2x)2+λ⋅2x
令 t=2x.因为 x∈(−1,2],所以 t∈(2−1,22]=(21,4].
函数转化为 ψ(t)=t2+λt,其中 t∈(21,4].
其对称轴为直线 t=−2λ.
2. 按对称轴位置分类讨论二次函数在开/半开区间上的最小值
根据对称轴 t=−2λ 与区间 (21,4] 的位置关系分类讨论:
① 当 −2λ≤21 即 λ≥−1 时:
ψ(t) 在 (21,4] 上单调递增.当 t→21+ 时,ψ(t) 趋近于 ψ(21),但由于 t=21 取不到,故 ψ(t) 在此区间上没有最小值,不合题意.
② 当 21<−2λ≤4 即 −8≤λ<−1 时:
ψ(t) 在 t=−2λ 处取得最小值:
ψ(−2λ)=(−2λ)2+λ(−2λ)=−4λ2
令 −4λ2=−1,解得 λ2=4⟹λ=±2.
结合范围 −8≤λ<−1,得 λ=−2.
③ 当 −2λ>4 即 λ<−8 时:
ψ(t) 在 (21,4] 上单调递减,在 t=4 处取得最小值:
ψ(4)=42+4λ=16+4λ
令 16+4λ=−1,解得 λ=−417=−4.25.
但 −4.25>−8,不满足 λ<−8,舍去.
综上,存在唯一的实数 λ=−2,使得 φ(x) 的最小值为 −1.
答案存在实数 λ=−2 使得 φ(x) 的最小值为 −1.