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如图, 直线 l1:y=kx+1−k (k≠0, k≠±12) 与 l2:y=12x+12 相交于点 P. 直线 l1 与 x 轴交于点 P1, 过点 P1 作 x 轴的垂线交直线 l2 于点 Q1, 过点 Q1 作 y 轴的垂线交直线 l1 于点 P2, 过点 P2 作 x 轴的垂线交直线 l2 于点 Q2, ..., 这样一直作下去, 可得到一系列点 P1,Q1,P1,Q2,⋯. 点 Pn(n=1,2,⋯) 的横坐标构成数列 {xn}.

  1. 证明: xn+1−1=12k(xn−1), n∈N∗;
  2. 求数列 {xn} 的通项公式;
  3. 比较 2|PPn|2 与 4k2|PP1|2+5 的大小.
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解答

  1. 证明 由题意 xQn=xPn, yPn+1=yQn. 所以 kxn+1+1−k=12xQn+12=12xn+12, 所以 xn+1−1=12k(xn−1).
  2. 解 因为 x1−1=k−1k−1=−1k, 它不为 0, 所以 {xn−1} 是以 −1k 为首项, 12k 为公比的等比数列, 所以 xn=1−1k⋅(12k)n−1=1−2(2k)n.
  3. 解 显然 P(1,1). 由 2 可得 PPn2=(k2+1)(1−xn)2=4(k2+1)(2k)2n. 所以等价于比较 8(k2+1)(2k)2n 和 4(k2+1)+5=4k2+9 的大小.
    • 当 |2k|>1, 则 4k2+9>10, 而 8(k2+1)(2k)2n≤8(k2+1)(2k)2=2+8(2k)2<2+8=10, 所以 8(k2+1)(2k)2n<4k2+9, 也即 2|PPn|2<4k2|PP1|2+5.
    • 同理当 0<|2k|<1, 上述不等号全部反号: 2|PPn|2>4k2|PP1|2+5.