已知函数f(x)=aln⁡(x+1)−x2f(x)=a \ln (x+1)-x^{2}在区间(0,1)(0,1)内任取两个实数pp,qq,且p≠qp\neq q,不等式f(p+1)−f(q+1)p−q>1\dfrac{f\left( p+1 \right)-f\left( q+1 \right)}{p-q} > 1恒成立,则实数aa的取值范围为()()
A. [15,+∞)[15,+∞)
B. (−∞,15](-∞,15]
C. (12,30](12,30]
D. (−12,15](-12,15]

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完整解法

1. 将双变量差商不等式转化为导数不等式条件

令 x1=p+1x_1 = p+1,x2=q+1x_2 = q+1。因为 p,q∈(0,1)p, q \in (0, 1) 且 p≠qp \neq q,所以 x1,x2∈(1,2)x_1, x_2 \in (1, 2) 且 x1≠x2x_1 \neq x_2。
原不等式可化为:
f(x1)−f(x2)x1−x2>1\frac{f(x_1) - f(x_2)}{x_1 - x_2} > 1
这说明函数 g(x)=f(x)−xg(x) = f(x) - x 在区间 (1,2)(1, 2) 上是严格单调递增的。
根据导数与单调性的关系,这等价于 g′(x)=f′(x)−1≥0g'(x) = f'(x) - 1 \ge 0 在区间 (1,2)(1, 2) 内恒成立,即:
f′(x)≥1f'(x) \ge 1 在区间 (1,2)(1, 2) 内恒成立。

2. 对函数求导并进行参变分离

已知 f(x)=aln⁡(x+1)−x2f(x) = a \ln(x+1) - x^2,其定义域为 (−1,+∞)(-1, +\infty)。
对其求导得:
f′(x)=ax+1−2xf'(x) = \frac{a}{x+1} - 2x
由 f′(x)≥1f'(x) \ge 1 在 (1,2)(1, 2) 内恒成立,得:
ax+1−2x≥1  ⟹  ax+1≥2x+1\frac{a}{x+1} - 2x \ge 1 \implies \frac{a}{x+1} \ge 2x + 1
因为当 x∈(1,2)x \in (1, 2) 时 x+1>0x+1 > 0,所以不等式两边同乘以 x+1x+1 得:
a≥(2x+1)(x+1)=2x2+3x+1a \ge (2x+1)(x+1) = 2x^2 + 3x + 1 恒成立。

3. 求二次函数的最值并确定参数的范围

设 h(x)=2x2+3x+1h(x) = 2x^2 + 3x + 1。
因为二次函数 h(x)h(x) 的对称轴为 x=−34x = -\frac{3}{4},所以 h(x)h(x) 在区间 (1,2)(1, 2) 上单调递增。
当 x→2−x \to 2^- 时,h(x)h(x) 趋于其最大值:
h(2)=2×22+3×2+1=15h(2) = 2 \times 2^2 + 3 \times 2 + 1 = 15
因此,要使 a≥h(x)a \ge h(x) 在 (1,2)(1, 2) 内恒成立,只需:
a≥15a \ge 15
所以实数 aa 的取值范围为 [15,+∞)[15, +\infty)。
对比选项,正确答案为 A。

答案

A

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