$\mathrm{O}$を原点とする座標平面において，点$(1,\ 1)$を点$(5,\ 5)$に，点$(1,\ -7)$を点$(-3,\ 21)$に移す$1$次変換を$f$とする．$f$による点$\mathrm{P}$の像を点$\mathrm{Q}$とするとき，$\mathrm{P}$に対して内積の条件
\[ \overrightarrow{\mathrm{OP}} \cdot \overrightarrow{\mathrm{PQ}}=0 (*) \]
を考える．

(1)$f$を表す行列を求めよ．
(2)条件$(*)$を満たす点$\mathrm{P}(x,\ y)$の軌跡は$2$直線となる．この$2$直線の方程式を求めよ．
実数$a \geqq 0$に対して，
「点$(a,\ 0)$を中心とする半径$1$の円周上の点$\mathrm{P}$で，条件$(*)$を満たすものがちょうど$2$つある」 $(**)$
とする．この$2$点を$\mathrm{P}_1(x_1,\ y_1)$，$\mathrm{P}_2(x_2,\ y_2)$とするとき，$i=1,\ 2$に対して，$\mathrm{P}_i$の$f$による像を$\mathrm{Q}_i$とし，$\triangle \mathrm{OP}_i \mathrm{Q}_i$の面積を$S_i$とする．
(3)上の条件$(**)$を満たす$a$の値の範囲を求めよ．
(4)$S_i$を$y_i$を用いて表せ．また，和$S_1+S_2$の値を$a$を用いて表せ．

つぎの連立不等式の表す領域を$D$とする．
\[ x^2+y^2-1 \leqq 0,\quad 5x+5y+1 \geqq 0 \]
つぎの問いに答えなさい．

(1)領域$D$を図示しなさい．
(2)点$\mathrm{P}(x,\ y)$が，この領域$D$内を動くとき，$x+\sqrt{3}y$の最大値および最小値を求めなさい．

$0 \leqq x \leqq 2\pi$の範囲で関数
\[ f(x)=x+1-\cos x+\sqrt{3} \sin x \]
を考える．

(1)$f(x)$の極値を求め，$y=f(x)$のグラフを描きなさい．
(2)曲線$y=f(x)$，$x$軸，直線$x=2\pi$で囲まれた部分の面積を求めなさい．

$k>0$として，座標平面上の曲線$C:y=e^{kx}$を考える．曲線$C$上の点$\mathrm{P}$を，$\mathrm{P}$における$C$の接線$\ell_1$が原点$\mathrm{O}$を通るようにとる．また，点$\mathrm{P}$を通リ$\ell_1$と直交する直線を$\ell_2$とし，図のように，曲線$C$，直線$\ell_2$，$x$軸，$y$軸の$4$つで囲まれた図形を$A$とする．ただし，$e$は自然対数の底である．
（図は省略）

(1)点$\mathrm{P}$の座標と，直線$\ell_2$と$x$軸との交点の座標を求めよ．
(2)図形$A$を$x$軸のまわりに$1$回転してできる立体の体積$V$を求めよ．
(3)$k$が$k>0$を動くとき，$(2)$で求めた$V$の最小値と，それを与える$k$の値を求めよ．

以下の問いに答えなさい．

(1)$2$次関数$y=x^2-1$と$1$次関数$y=x+1$，$y=-2x$の$3$つのグラフをかきなさい．
(2)次の連立不等式の表す図形の面積を$S_1$とする．
\[ \left\{ \begin{array}{l}
y \geqq x^2-1 \\
y \leqq x+1 \\
y \geqq 0
\end{array} \right. \]
このとき$S_1$の値を求めなさい．
(3)次の連立不等式の表す図形の面積を$S_2$とする．
\[ \left\{ \begin{array}{l}
y \geqq x^2-1 \\
x \geqq 0 \\
y \leqq -2x
\end{array} \right. \]
このとき$S_2$の値を求めなさい．

正の実数$a,\ b,\ c$に対して，不等式
\[ \frac{1}{a}+\frac{1}{b}+\frac{1}{c} \geqq \frac{9}{a+b+c} \]
を証明せよ．また，等号が成り立つための条件を求めよ．

$n$を自然数とする．$1$枚のコインを投げ続けて，裏が出た時点で終了するゲームを行う．ただし，$n$回続けて表が出たときもゲームは終了するものとする．このゲームで出た表の数を$p$とするとき，次のように得点を与える．

$p=0$ならば得点は$0$
$p \geqq 1$ならば得点は$3^p$である．

得点の期待値を求めよ．

$a$を実数とする．方程式
\[ \cos^2 x-2a \sin x-a+3=0 \]
の解で$0 \leqq x<2\pi$の範囲にあるものの個数を求めよ．

$a,\ b$を正の実数とする．$3$次関数
\[ f(x)=ax(x-b)^2 \]
は$f(4)=27$をみたし，$0<x<4$において極大値$2$をもつ．$a,\ b$を求めよ．

$p,\ a,\ b$を実数，ただし$p>0$，$a>0$とする．直線$L:y=px$と直線$L^\prime$が原点で直交している．放物線$C:y=ax^2+bx+1$は$L$と$L^\prime$に同時に接している．

(1)$a$と$b$を，$p$を用いて表せ．
(2)$p=2$のとき，$L$と$L^\prime$と$C$で囲まれた部分の面積を求めよ．