已知函数f(x)=xx2+4,x∈(−3,3)f(x)=\dfrac{x}{x^{2}+4},x\in(-3,3),若对任意x∈(−3,3)x\in(-3,3),总存在a∈[−1,2]a\in[-1,2],使得不等式f(x)+at+t2−14<0f(x)+at+t^{2}-\dfrac{1}{4}< 0都恒成立,则实数tt的取值范围为()(\quad)
A. (−2,0)(-2,0)
B. (−1,0)∪(0,2)(-1,0)∪(0,2)
C. (0,1)(0,1)
D. (−2,0)∪(0,1)(-2,0)∪(0,1)

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完整解法

1. 求函数 $f(x)$ 在区间 $(-3, 3)$ 上的最大值

当 x∈(−3,3)x \in (-3, 3) 时,由于 f(x)=xx2+4f(x) = \dfrac{x}{x^2+4} 是奇函数,我们只需先讨论 x>0x > 0 的情况。
当 x>0x > 0 时,利用基本不等式:
f(x)=xx2+4=1x+4x⩽12x⋅4x=14f(x) = \dfrac{x}{x^2+4} = \dfrac{1}{x + \dfrac{4}{x}} \leqslant \dfrac{1}{2\sqrt{x \cdot \dfrac{4}{x}}} = \dfrac{1}{4}
当且仅当 x=4xx = \dfrac{4}{x} 即 x=2x = 2 时取等号。因为 2∈(−3,3)2 \in (-3, 3),所以当 x=2x = 2 时,f(x)f(x) 取得最大值 14\dfrac{1}{4}。
因此,在 x∈(−3,3)x \in (-3, 3) 上, f(x)⩽14f(x) \leqslant \dfrac{1}{4},从而 min⁡x∈(−3,3)(14−f(x))=0\min_{x \in (-3, 3)} \left(\dfrac{1}{4} - f(x)\right) = 0。

2. 利用量词的逻辑关系转化不等式恒成立条件

题目要求对任意 x∈(−3,3)x \in (-3, 3),总存在 a∈[−1,2]a \in [-1, 2],使得不等式 f(x)+at+t2−14<0f(x) + at + t^2 - \dfrac{1}{4} < 0 成立。
将不等式变形为:
at+t2<14−f(x)at + t^2 < \dfrac{1}{4} - f(x)
对任意 xx 存在 aa 使得上式成立,等价于对任意 x∈(−3,3)x \in (-3, 3),区间 [−1,2][-1, 2] 内函数 h(a)=ta+t2h(a) = ta + t^2 的最小值小于 14−f(x)\dfrac{1}{4} - f(x)。
即:
min⁡a∈[−1,2](ta+t2)<min⁡x∈(−3,3)(14−f(x))\min_{a \in [-1, 2]} (ta + t^2) < \min_{x \in (-3, 3)} \left(\dfrac{1}{4} - f(x)\right)
由第一步可知 min⁡x∈(−3,3)(14−f(x))=0\min_{x \in (-3, 3)} \left(\dfrac{1}{4} - f(x)\right) = 0。
所以原命题等价于:
min⁡a∈[−1,2](ta+t2)<0\min_{a \in [-1, 2]} (ta + t^2) < 0

3. 对参数 $t$ 分类讨论求解不等式

设 h(a)=ta+t2h(a) = ta + t^2,a∈[−1,2]a \in [-1, 2]。这是一个关于 aa 的一次函数:

  1. 当 t=0t = 0 时,h(a)=0h(a) = 0,其最小值为 0≮00 \not< 0,不合题意。
  2. 当 t>0t > 0 时,h(a)h(a) 关于 aa 单调递增,最小值为 h(−1)=−t+t2h(-1) = -t + t^2。
    令 −t+t2<0  ⟹  t(t−1)<0-t + t^2 < 0 \implies t(t-1) < 0,解得 0<t<10 < t < 1。
  3. 当 t<0t < 0 时,h(a)h(a) 关于 aa 单调递减,最小值为 h(2)=2t+t2h(2) = 2t + t^2。
    令 2t+t2<0  ⟹  t(t+2)<02t + t^2 < 0 \implies t(t+2) < 0,解得 −2<t<0-2 < t < 0。
    综上所述,实数 tt 的取值范围为 (−2,0)∪(0,1)(-2, 0) \cup (0, 1)。
    对应选项 D。
答案

D

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