已知函数f(x)=log⁡a(ax+1)+bx(a>0f(x)=\log _{a}(a^{x}+1)+bx(a > 0且a≠1a\neq 1,b∈R)b∈R)的图象关于yy轴对称,且满足f(0)=1f(0)=1. ((Ⅰ))求aa、bb的值; ((Ⅱ))若函数g(x)=f(x)−12x+cg(x)=f(x)- \dfrac {1}{2}x+c在[0,1][0,1]上存在零点,求实数cc的取值范围; ((Ⅲ))若函数φ(x)=2f(2x)+x+λ×2x−1(x∈−1,2])φ(x)=2^{f(2x)+x}+λ×2^{x}-1(x∈-1,2]),是否存在实数λλ使得φ(x)φ(x)的最小值为−1-1,若存在,求出λλ的值,若不存在,请说明理由.

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完整解法

(Ⅰ)

1. 利用已知点 $f(0)=1$ 求出 $a$ 的值

由 f(0)=1f(0) = 1 代入函数解析式,得:
log⁡a(a0+1)+b⋅0=1\log_a(a^0 + 1) + b \cdot 0 = 1
log⁡a2=1\log_a 2 = 1
解得 a=2a = 2.

2. 利用函数图象关于 $y$ 轴对称(偶函数)求出 $b$ 的值

将 a=2a = 2 代入得 f(x)=log⁡2(2x+1)+bxf(x) = \log_2(2^x + 1) + bx.
因为 f(x)f(x) 的图象关于 yy 轴对称,所以 f(x)f(x) 为偶函数,满足 f(−x)=f(x)f(-x) = f(x) 对任意 x∈Rx \in \mathbb{R} 恒成立.
其中:
f(−x)=log⁡2(2−x+1)−bx=log⁡2(1+2x2x)−bx=log⁡2(2x+1)−x−bxf(-x) = \log_2(2^{-x} + 1) - bx = \log_2\left(\frac{1 + 2^x}{2^x}\right) - bx = \log_2(2^x + 1) - x - bx
由 f(−x)=f(x)f(-x) = f(x),可得:
log⁡2(2x+1)−(b+1)x=log⁡2(2x+1)+bx\log_2(2^x + 1) - (b + 1)x = \log_2(2^x + 1) + bx
⇒−(b+1)x=bx\Rightarrow -(b + 1)x = bx
该式对任意 xx 恒成立,则 −(b+1)=b-(b + 1) = b,解得 b=−12b = -\dfrac{1}{2}.

答案

a=2a = 2, b=−12b = -\dfrac{1}{2}

(Ⅱ)

1. 化简函数 $g(x)$ 的解析式并分离参数 $c$

由 (Ⅰ) 知 f(x)=log⁡2(2x+1)−12xf(x) = \log_2(2^x + 1) - \dfrac{1}{2}x.
代入 g(x)g(x) 可得:
g(x)=log⁡2(2x+1)−12x−12x+c=log⁡2(2x+1)−x+cg(x) = \log_2(2^x + 1) - \frac{1}{2}x - \frac{1}{2}x + c = \log_2(2^x + 1) - x + c
由于 log⁡2(2x+1)−x=log⁡2(2x+12x)=log⁡2(1+2−x)\log_2(2^x + 1) - x = \log_2\left(\frac{2^x + 1}{2^x}\right) = \log_2(1 + 2^{-x}),
故 g(x)=log⁡2(1+2−x)+cg(x) = \log_2(1 + 2^{-x}) + c.
若 g(x)g(x) 在 [0,1][0,1] 上存在零点,即方程 log⁡2(1+2−x)+c=0\log_2(1 + 2^{-x}) + c = 0 在 x∈[0,1]x \in [0,1] 上有解,
转化为 c=−log⁡2(1+2−x)c = -\log_2(1 + 2^{-x}).

2. 分析函数在闭区间上的单调性与值域,求出参数 $c$ 的范围

设 h(x)=log⁡2(1+2−x)h(x) = \log_2(1 + 2^{-x}).
当 x∈[0,1]x \in [0,1] 时,2−x2^{-x} 单调递减,故 1+2−x1 + 2^{-x} 单调递减,进而 h(x)=log⁡2(1+2−x)h(x) = \log_2(1 + 2^{-x}) 在 [0,1][0,1] 上单调递减.
计算区间端点值:

  • 当 x=0x = 0 时,h(0)=log⁡2(1+1)=log⁡22=1h(0) = \log_2(1 + 1) = \log_2 2 = 1;
  • 当 x=1x = 1 时,h(1)=log⁡2(1+12)=log⁡232=log⁡23−1h(1) = \log_2\left(1 + \frac{1}{2}\right) = \log_2\frac{3}{2} = \log_2 3 - 1.
    因此,h(x)h(x) 在 [0,1][0,1] 上的值域为 [log⁡23−1,1]\left[\log_2 3 - 1, 1\right].
    故 c=−h(x)∈[−1,1−log⁡23]c = -h(x) \in \left[-1, 1 - \log_2 3\right].
答案

c∈[−1,1−log⁡23]c \in \left[-1, 1 - \log_2 3\right](或记作 [−1,log⁡223]\left[-1, \log_2\frac{2}{3}\right])

(Ⅲ)

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)=log⁡2(2x+1)−12xf(x) = \log_2(2^x + 1) - \dfrac{1}{2}x,
得 f(2x)+x=log⁡2(22x+1)−x+x=log⁡2(22x+1)f(2x) + x = \log_2(2^{2x} + 1) - x + x = \log_2(2^{2x} + 1).
因此 2f(2x)+x=2log⁡2(22x+1)=22x+1=(2x)2+12^{f(2x) + x} = 2^{\log_2(2^{2x} + 1)} = 2^{2x} + 1 = (2^x)^2 + 1.
代入 φ(x)\varphi(x),得:
φ(x)=(2x)2+1+λ⋅2x−1=(2x)2+λ⋅2x\varphi(x) = (2^x)^2 + 1 + \lambda \cdot 2^x - 1 = (2^x)^2 + \lambda \cdot 2^x
令 t=2xt = 2^x.因为 x∈(−1,2]x \in (-1, 2],所以 t∈(2−1,22]=(12,4]t \in (2^{-1}, 2^2] = \left(\frac{1}{2}, 4\right].
函数转化为 ψ(t)=t2+λt\psi(t) = t^2 + \lambda t,其中 t∈(12,4]t \in \left(\frac{1}{2}, 4\right].
其对称轴为直线 t=−λ2t = -\frac{\lambda}{2}.

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=−λ2t = -\frac{\lambda}{2} 与区间 (12,4]\left(\frac{1}{2}, 4\right] 的位置关系分类讨论:

① 当 −λ2≤12-\frac{\lambda}{2} \le \frac{1}{2} 即 λ≥−1\lambda \ge -1 时:
ψ(t)\psi(t) 在 (12,4]\left(\frac{1}{2}, 4\right] 上单调递增.当 t→12+t \to \frac{1}{2}^+ 时,ψ(t)\psi(t) 趋近于 ψ(12)\psi\left(\frac{1}{2}\right),但由于 t=12t = \frac{1}{2} 取不到,故 ψ(t)\psi(t) 在此区间上没有最小值,不合题意.

② 当 12<−λ2≤4\frac{1}{2} < -\frac{\lambda}{2} \le 4 即 −8≤λ<−1-8 \le \lambda < -1 时:
ψ(t)\psi(t) 在 t=−λ2t = -\frac{\lambda}{2} 处取得最小值:
ψ(−λ2)=(−λ2)2+λ(−λ2)=−λ24\psi\left(-\frac{\lambda}{2}\right) = \left(-\frac{\lambda}{2}\right)^2 + \lambda \left(-\frac{\lambda}{2}\right) = -\frac{\lambda^2}{4}
令 −λ24=−1-\frac{\lambda^2}{4} = -1,解得 λ2=4  ⟹  λ=±2\lambda^2 = 4 \implies \lambda = \pm 2.
结合范围 −8≤λ<−1-8 \le \lambda < -1,得 λ=−2\lambda = -2.

③ 当 −λ2>4-\frac{\lambda}{2} > 4 即 λ<−8\lambda < -8 时:
ψ(t)\psi(t) 在 (12,4]\left(\frac{1}{2}, 4\right] 上单调递减,在 t=4t = 4 处取得最小值:
ψ(4)=42+4λ=16+4λ\psi(4) = 4^2 + 4\lambda = 16 + 4\lambda
令 16+4λ=−116 + 4\lambda = -1,解得 λ=−174=−4.25\lambda = -\frac{17}{4} = -4.25.
但 −4.25>−8-4.25 > -8,不满足 λ<−8\lambda < -8,舍去.

综上,存在唯一的实数 λ=−2\lambda = -2,使得 φ(x)\varphi(x) 的最小值为 −1-1.

答案

存在实数 λ=−2\lambda = -2 使得 φ(x)\varphi(x) 的最小值为 −1-1.

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