平面上の2つのベクトル$\overrightarrow{a},\ \overrightarrow{b}$はそれぞれの大きさが1であり，また平行でないとする．次の問いに答えよ．

(1)$t \geqq 0$であるような実数$t$に対して，不等式
\[ 0<|\overrightarrow{a}+t \overrightarrow{b}|^2 \leqq (1+t)^2 \]
が成立することを示せ．
(2)$t \geqq 0$であるような実数$t$に対して$\displaystyle \overrightarrow{p}=\frac{2t^2 \overrightarrow{b}}{|\overrightarrow{a}+t \overrightarrow{b}|^2}$とおき，$f(t)=|\overrightarrow{p}|$とする．このとき，不等式
\[ f(t) \geqq \frac{2t^2}{(1+t)^2} \]
が成立することを示せ．
(3)$f(t)=1$となる正の実数$t$が存在することを示せ．

正の実数$a,\ b$に対して，次の連立不等式の表す領域を$D$とする．
\[ \left\{
\begin{array}{l}
ax+y \leqq 6 \\
0 \leqq x \leqq b \\
0 \leqq y
\end{array}
\right. \]
次の問いに答えよ．

(1)$\displaystyle a=\frac{3}{2},\ b=3$であるとする．点$\mathrm{P}(x,\ y)$が領域$D$内を動くとき，$5x+2y$の最大値と，そのときの$x,\ y$の値を求めよ．
(2)$\displaystyle a=\frac{3}{2},\ b=6$であるとする．点$\mathrm{P}(x,\ y)$が領域$D$内を動くとき，$3x+y$の最大値と，そのときの$x,\ y$の値を求めよ．
(3)$a=5$であるとする．点$\mathrm{P}(x,\ y)$が領域$D$内を動くとき，$4x+y$の最大値と，そのときの$x,\ y$の値を求めよ．

正の整数$n$に対して$a_n=\sqrt{1+n^2}-n$とおく．次の問いに答えよ．

(1)不等式$\displaystyle \frac{1}{2n+1}<a_n<\frac{1}{2n}$が成り立つことを示せ．
(2)不等式$a_n>a_{n+1}$が成り立つことを示せ．
(3)$a_n<0.03$となる最小の正の整数$n$を求めよ．

以下の各問いに答えよ．

(1)実数$\alpha,\ \beta$が$\displaystyle 0<\alpha<\frac{\pi}{2},\ 0<\beta<\frac{\pi}{2},\ \tan \alpha \tan \beta=1$を満たすとき，$\alpha+\beta$の値を求めよ．
(2)実数$\alpha,\ \beta,\ \gamma$が$\displaystyle 0<\alpha<\frac{\pi}{2},\ 0<\beta<\frac{\pi}{2},\ 0<\gamma<\frac{\pi}{2},\ \alpha+\beta+\gamma=\frac{\pi}{2}$を満たすとき，
\[ \tan \alpha \tan \beta+\tan \beta \tan \gamma+\tan \gamma \tan \alpha \]
の値は一定であることを示せ．
(3)実数$\alpha,\ \beta,\ \gamma$が$\displaystyle 0<\alpha<\frac{\pi}{2},\ 0<\beta<\frac{\pi}{2},\ 0<\gamma<\frac{\pi}{2},\ \alpha+\beta+\gamma=\frac{\pi}{2}$を満たすとき，
\[ \tan \alpha+\tan \beta+\tan \gamma \]
のとりうる値の範囲を求めよ．

$xy$平面上の原点$\mathrm{O}$を中心とし，半径が$1$である円$C$の円周上に，点$\mathrm{A}(1,\ 0)$，$\mathrm{B}(\cos \theta,\ \sin \theta)$をとる．ただし，$0<\theta<\pi$とする．このとき，次の問に答えよ．

(1)三角形$\mathrm{OAB}$の外心$\mathrm{P}$の座標を$\theta$を用いて表せ．
(2)点$\mathrm{P}$が円$C$の円周上にあるとき，$\theta$の値を求めよ．

\begin{align}
& \nonumber
\end{align}

\begin{screen}
自然数$a_1,\ a_2$が，
\[ a_1 \leqq a_2,\quad a_1+a_2=a_1a_2 (1) \]
を満たすとき，$a_1,\ a_2$を次のように求めることができる． \\ \\
{\bf 解法} \\
(1)の2式の両辺を$a_1a_2$で割ると
\[ \frac{1}{a_2} \leqq \frac{1}{a_1},\quad \frac{1}{a_1}+\frac{1}{a_2}=1 \]
を得る．よって，この2つの式を組み合わせて
\[ 1=\frac{1}{a_1}+\frac{1}{a_2} \leqq \frac{1}{a_1}+\frac{1}{a_1}=\frac{2}{a_1} \]
を得る．これより$a_1 \leqq 2$である．$a_1=1$のとき，これを(1)の右の式に代入すると$1+a_2=a_2$となって矛盾する．$a_1=2$のとき，これを(1)の右の式に代入すると$a_2=2$となる．逆に$a_1=a_2=2$は(1)の2式を満たす．よって$a_1=a_2=2$となる．
\end{screen}
必要があれば上の解法を参考にして，自然数$a_1,\ a_2,\ a_3$が
\[ a_1 \leqq a_2 \leqq a_3,\quad a_1+a_2+a_3=a_1a_2a_3 \]
を満たすとき，$a_1,\ a_2,\ a_3$を求めよ．

$f(x)=x \sin x$とおく．このとき，次の問に答えよ．

(1)$\displaystyle \int_0^\pi f(x) \, dx$を求めよ．
(2)$0 \leqq x \leqq \pi$のとき，$f^\prime(x)<\displaystyle\frac{5}{2}$を示せ．

次の問いに答えよ．

(1)放物線$C:y=x^2+x-1$と直線$\ell:y=2x+1$の交点の座標を求めよ．
(2)(1)で求めた交点の$x$座標の大きい方を$x_0$とする．$a>x_0$とする．$C$と$\ell$で囲まれた領域の面積を$S_1$，$C$と$\ell$および直線$x=a$で囲まれた領域の面積を$S_2$，$C$と$\ell$および直線$x=-a$で囲まれた領域の面積を$S_3$とする．$S_1=S_2+S_3$となるときの$a$の値を求めよ．

次の問いに答えよ．

(1)式
\[ 1=\frac{1}{a_1}+\frac{1}{a_2}+\frac{1}{a_3} \]
をみたす自然数の組$(a_1,\ a_2,\ a_3)$で，$1 \leqq a_1 \leqq a_2 \leqq a_3$となるものをすべて求めよ．
(2)$r$を正の有理数とする．式
\[ r=\frac{1}{a_1}+\frac{1}{a_2}+\frac{1}{a_3} \]
をみたす自然数の組$(a_1,\ a_2,\ a_3)$で，$1 \leqq a_1 \leqq a_2 \leqq a_3$となるものは有限個しかないことを証明せよ．ただし，そのような組が存在しない場合は$0$個とし，有限個であるとみなす．

次の問いに答えよ．

(1)$x$が$\displaystyle -\frac{\pi}{4} \leqq x \leqq \frac{3\pi}{4}$をみたしながら変わるとき，$\sin x+\cos x$の値の範囲を求めよ．
(2)$x$が$\displaystyle -\frac{\pi}{4} \leqq x \leqq \frac{3\pi}{4}$をみたしながら変わるとき，$\sin 2x-\sin x-\cos x$の最大値と最小値を求めよ．