定义在(0,+∞)(0,+∞)上的函数f(x)f(x)满足f(x)>0f(x) > 0,为f(x)f(x)的导函数,且2f(x)<xf"(x)<3f(x)2f(x) < xf{{"}}(x) < 3f(x)对任意 x∈(0,+∞)x∈(0,+∞)恒成立,则f(3)f(4) \dfrac {f(3)}{f(4)}的取值范围是()()
A. (827,49)( \dfrac {8}{27}, \dfrac {4}{9})
B. (827,916)( \dfrac {8}{27}, \dfrac {9}{16})
C. (827,2764)( \dfrac {8}{27}, \dfrac {27}{64})
D. (2764,916)( \dfrac {27}{64}, \dfrac {9}{16})

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完整解法

1. 构造辅助函数 $g(x)$ 并利用导数判断其单调性以求出上限

令 g(x)=f(x)x2g(x) = \dfrac{f(x)}{x^2},其中 x∈(0,+∞)x \in (0, +\infty)。
对 g(x)g(x) 求导得:
g′(x)=xf′(x)−2f(x)x3g'(x) = \dfrac{xf'(x) - 2f(x)}{x^3}
因为对任意 x∈(0,+∞)x \in (0, +\infty),恒有 2f(x)<xf′(x)<3f(x)2f(x) < xf'(x) < 3f(x) 且 f(x)>0f(x) > 0,
所以 xf′(x)−2f(x)>0xf'(x) - 2f(x) > 0。
又因为 x>0x > 0,所以 x3>0x^3 > 0,从而 g′(x)>0g'(x) > 0。
因此,函数 g(x)g(x) 在 (0,+∞)(0, +\infty) 上单调递增。

2. 利用 $g(x)$ 的单调性得出 $\dfrac{f(3)}{f(4)}$ 的上界

因为 g(x)g(x) 在 (0,+∞)(0, +\infty) 上单调递增,且 3<43 < 4,
所以 g(3)<g(4)g(3) < g(4),即:
f(3)32<f(4)42  ⟹  f(3)9<f(4)16\dfrac{f(3)}{3^2} < \dfrac{f(4)}{4^2} \implies \dfrac{f(3)}{9} < \dfrac{f(4)}{16}
由于 f(x)>0f(x) > 0,得 f(4)>0f(4) > 0,所以:
f(3)f(4)<916\dfrac{f(3)}{f(4)} < \dfrac{9}{16} ①

3. 构造辅助函数 $h(x)$ 并利用导数判断其单调性以求出下限

令 h(x)=f(x)x3h(x) = \dfrac{f(x)}{x^3},其中 x∈(0,+∞)x \in (0, +\infty)。
对 h(x)h(x) 求导得:
h′(x)=xf′(x)−3f(x)x4h'(x) = \dfrac{xf'(x) - 3f(x)}{x^4}
因为对任意 x∈(0,+∞)x \in (0, +\infty),恒有 xf′(x)<3f(x)xf'(x) < 3f(x),
所以 xf′(x)−3f(x)<0xf'(x) - 3f(x) < 0。
又因为 x>0x > 0,所以 x4>0x^4 > 0,从而 h′(x)<0h'(x) < 0。
因此,函数 h(x)h(x) 在 (0,+∞)(0, +\infty) 上单调递减。

4. 利用 $h(x)$ 的单调性得出 $\dfrac{f(3)}{f(4)}$ 的下界

因为 h(x)h(x) 在 (0,+∞)(0, +\infty) 上单调递减,且 3<43 < 4,
所以 h(3)>h(4)h(3) > h(4),即:
f(3)33>f(4)43  ⟹  f(3)27>f(4)64\dfrac{f(3)}{3^3} > \dfrac{f(4)}{4^3} \implies \dfrac{f(3)}{27} > \dfrac{f(4)}{64}
由于 f(4)>0f(4) > 0,所以:
f(3)f(4)>2764\dfrac{f(3)}{f(4)} > \dfrac{27}{64} ②

5. 综合上下界得出最终范围并选择选项

综合 ① 和 ②,可得:
2764<f(3)f(4)<916\dfrac{27}{64} < \dfrac{f(3)}{f(4)} < \dfrac{9}{16}
即 f(3)f(4)\dfrac{f(3)}{f(4)} 的取值范围是 (2764,916)\left(\dfrac{27}{64}, \dfrac{9}{16}\right)。
对照选项,应选 D。

答案

D

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