函数f(x)=1+ln⁡xxf(x)= \dfrac {1+\ln x}{x}. ((Ⅰ))判断f(x)f(x)的单调性,并求f(x)f(x)的极值; ((Ⅱ))求证:当x⩾1x\geqslant 1时,(x+1)(1+ln⁡x)x⩾2 \dfrac {(x+1)(1+\ln x)}{x}\geqslant 2.

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完整解法

(Ⅰ)

1. 确定定义域并求导数

函数 f(x)=1+ln⁡xxf(x) = \dfrac{1+\ln x}{x} 的定义域为 (0,+∞)(0, +\infty).
对 f(x)f(x) 求导数,得:
f′(x)=(1+ln⁡x)′⋅x−(1+ln⁡x)⋅x′x2=1x⋅x−(1+ln⁡x)x2=−ln⁡xx2f'(x) = \frac{(1+\ln x)' \cdot x - (1+\ln x) \cdot x'}{x^2} = \frac{\frac{1}{x} \cdot x - (1+\ln x)}{x^2} = -\frac{\ln x}{x^2}.

2. 分析导数符号确定单调区间

令 f′(x)>0f'(x) > 0,即 −ln⁡xx2>0-\frac{\ln x}{x^2} > 0,解得 0<x<10 < x < 1;
令 f′(x)<0f'(x) < 0,即 −ln⁡xx2<0-\frac{\ln x}{x^2} < 0,解得 x>1x > 1.
所以,f(x)f(x) 在区间 (0,1)(0, 1) 上单调递增,在区间 (1,+∞)(1, +\infty) 上单调递减.

3. 计算函数的极值

由单调性可知,f(x)f(x) 在 x=1x=1 处取得极大值,其极大值为:
f(1)=1+ln⁡11=1f(1) = \frac{1+\ln 1}{1} = 1.
f(x)f(x) 没有极小值.

答案

单调递增区间为 (0,1)(0, 1),单调递减区间为 (1,+∞)(1, +\infty);极大值为 11,无极小值。

(Ⅱ)

1. 构造辅助函数

要证当 x≥1x \ge 1 时,(x+1)(1+ln⁡x)x≥2\dfrac{(x+1)(1+\ln x)}{x} \ge 2 恒成立,
可构造辅助函数 g(x)=(x+1)(1+ln⁡x)x=(1+1x)(1+ln⁡x)g(x) = \dfrac{(x+1)(1+\ln x)}{x} = \left(1 + \frac{1}{x}\right)(1+\ln x),其中 x≥1x \ge 1.

2. 对辅助函数求导数

对 g(x)g(x) 求导数,得:
g′(x)=(1+1x)′(1+ln⁡x)+(1+1x)(1+ln⁡x)′g'(x) = \left(1 + \frac{1}{x}\right)' (1+\ln x) + \left(1 + \frac{1}{x}\right) (1+\ln x)'
g′(x)=−1x2(1+ln⁡x)+(1+1x)1x=−1x2−ln⁡xx2+1x+1x2=x−ln⁡xx2g'(x) = -\frac{1}{x^2}(1+\ln x) + \left(1+\frac{1}{x}\right)\frac{1}{x} = -\frac{1}{x^2} - \frac{\ln x}{x^2} + \frac{1}{x} + \frac{1}{x^2} = \frac{x - \ln x}{x^2}.

3. 判断导数的符号以确定函数的单调性

令 h(x)=x−ln⁡xh(x) = x - \ln x,当 x≥1x \ge 1 时,h′(x)=1−1x≥0h'(x) = 1 - \frac{1}{x} \ge 0.
所以 h(x)h(x) 在 [1,+∞)[1, +\infty) 上单调递增,故 h(x)≥h(1)=1>0h(x) \ge h(1) = 1 > 0.
因此,当 x≥1x \ge 1 时,恒有 g′(x)=h(x)x2>0g'(x) = \frac{h(x)}{x^2} > 0.
所以 g(x)g(x) 在 [1,+∞)[1, +\infty) 上单调递增.

4. 求最值并得出结论

因为 g(x)g(x) 在 [1,+∞)[1, +\infty) 上单调递增,
所以对于任意 x≥1x \ge 1,恒有 g(x)≥g(1)g(x) \ge g(1).
而 g(1)=(1+1)(1+ln⁡1)1=2g(1) = \frac{(1+1)(1+\ln 1)}{1} = 2,
所以当 x≥1x \ge 1 时,(x+1)(1+ln⁡x)x≥2\dfrac{(x+1)(1+\ln x)}{x} \ge 2 成立.

答案

证明见步骤。

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