若不等式tt2+9⩽μ⩽t2+3t+3\dfrac{t}{t^{2}+9}\leqslant μ\leqslant\dfrac{\sqrt{t^{2}+3}}{t+\sqrt{3}}对任意的t∈(0,2]t\in(0,2]上恒成立,则μμ的取值范围是()(\quad)
A. [16,27−21][\dfrac{1}{6},2\sqrt{7}-\sqrt{21}]
B. [213,27−21][\dfrac{2}{13},2\sqrt{7}-\sqrt{21}]
C. [16,22][\dfrac{1}{6},\dfrac{\sqrt{2}}{2}]
D. [213,22][\dfrac{2}{13},\dfrac{\sqrt{2}}{2}]

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完整解法

1. 将不等式恒成立问题等价转化为求函数最值的问题

设 f(t)=tt2+9f(t) = \dfrac{t}{t^2+9}, g(t)=t2+3t+3g(t) = \dfrac{\sqrt{t^2+3}}{t+\sqrt{3}},其中 t∈(0,2]t \in (0, 2]。
若不等式 f(t)⩽μ⩽g(t)f(t) \leqslant \mu \leqslant g(t) 对任意 t∈(0,2]t \in (0, 2] 恒成立,
则其等价于:
f(t)max⁡⩽μ⩽g(t)min⁡f(t)_{\max} \leqslant \mu \leqslant g(t)_{\min}

2. 利用函数单调性求出 $f(t)$ 在区间 $(0, 2]$ 上的最大值

分析 f(t)=tt2+9f(t) = \dfrac{t}{t^2+9} 在 t∈(0,2]t \in (0, 2] 上的单调性:
由于 t>0t > 0,可将 f(t)f(t) 改写为 f(t)=1t+9tf(t) = \dfrac{1}{t + \frac{9}{t}}。
令 h(t)=t+9th(t) = t + \dfrac{9}{t},其导数 h′(t)=1−9t2=t2−9t2h'(t) = 1 - \dfrac{9}{t^2} = \dfrac{t^2-9}{t^2}。
当 t∈(0,2]t \in (0, 2] 时,t2−9<0t^2 - 9 < 0,故 h′(t)<0h'(t) < 0,函数 h(t)h(t) 在 (0,2](0, 2] 上单调递减。
因此,f(t)=1h(t)f(t) = \dfrac{1}{h(t)} 在 (0,2](0, 2] 上单调递增。
所以,当 t=2t = 2 时,f(t)f(t) 取得最大值:
f(t)max⁡=f(2)=222+9=213f(t)_{\max} = f(2) = \dfrac{2}{2^2+9} = \dfrac{2}{13}

3. 利用导数求出 $g(t)$ 在区间 $(0, 2]$ 上的最小值

对 g(t)=t2+3t+3g(t) = \dfrac{\sqrt{t^2+3}}{t+\sqrt{3}} 求导:
g′(t)=tt2+3(t+3)−t2+3(t+3)2=t(t+3)−(t2+3)t2+3(t+3)2=3t−3t2+3(t+3)2g'(t) = \frac{\frac{t}{\sqrt{t^2+3}}(t+\sqrt{3}) - \sqrt{t^2+3}}{(t+\sqrt{3})^2} = \frac{t(t+\sqrt{3}) - (t^2+3)}{\sqrt{t^2+3}(t+\sqrt{3})^2} = \frac{\sqrt{3}t - 3}{\sqrt{t^2+3}(t+\sqrt{3})^2}
令 g′(t)=0g'(t) = 0,解得 t=3t = \sqrt{3}。
当 t∈(0,3)t \in (0, \sqrt{3}) 时,g′(t)<0g'(t) < 0,g(t)g(t) 单调递减;
当 t∈(3,2]t \in (\sqrt{3}, 2] 时,g′(t)>0g'(t) > 0,g(t)g(t) 单调递增。
因此,当 t=3t = \sqrt{3} 时,g(t)g(t) 取得极小值,也是最小值:
g(t)min⁡=g(3)=(3)2+33+3=623=22g(t)_{\min} = g(\sqrt{3}) = \frac{\sqrt{(\sqrt{3})^2+3}}{\sqrt{3}+\sqrt{3}} = \frac{\sqrt{6}}{2\sqrt{3}} = \frac{\sqrt{2}}{2}

4. 综合得出 $\mu$ 的取值范围并确定选项

综合以上结果,要使不等式恒成立,μ\mu 需满足:
213⩽μ⩽22\frac{2}{13} \leqslant \mu \leqslant \frac{\sqrt{2}}{2}
故 μ\mu 的取值范围是 [213,22]\left[\dfrac{2}{13}, \dfrac{\sqrt{2}}{2}\right],对应选项 D。

答案

D

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