円に内接する四角形$\mathrm{ABCD}$において，$\mathrm{AB}=7$，$\mathrm{BC}=4$，$\angle \mathrm{ABC}=60^\circ$，$\angle \mathrm{BAC}=\angle \mathrm{DAC}$のとき，$\mathrm{CD}$の長さは$[　]$であり，$\mathrm{DA}$の長さは$[　]$である．

単位円上の点$\mathrm{P}(x,\ y)$を考える．動径$\mathrm{OP}$と$x$軸のなす角を$\theta (0^\circ \leqq \theta < 360^\circ)$とする．以下の問に答えよ．

(1)$\theta=135^\circ$のとき
\[ \mathrm{P} \left( -\frac{\sqrt{[ハ]}}{[ヒ]},\ \frac{\sqrt{[フ]}}{[ヘ]} \right) \]
である．
(2)$4y+3x$が最小となるとき，その値は$[ホマ]$であり，
\[ \mathrm{P} \left( -\frac{[ミ]}{[ム]},\ -\frac{[メ]}{[モ]} \right) \]
である．

座標平面上に，$2$つの円$C_1:x^2+y^2=1$，$C_2:(x-2)^2+(y-1)^2=4$があり，$C_1$と$C_2$の共通接線を$n_1,\ n_2$（ただし$n_1$の傾きより$n_2$の傾きの方が大きい）とする．また，$C_1$と$C_2$の中心を結ぶ直線を$\ell$とし，$C_1$と$C_2$の$2$つの交点を結ぶ直線を$m$とする．このとき，以下の問いに答えよ．

(1)直線$\ell$の方程式，および$\ell$と$n_1$の交点の座標を求めよ．
(2)直線$n_1$と直線$\ell$とのなす角を$\displaystyle \alpha \left( \text{ただし} 0 \leqq \alpha \leqq \frac{\pi}{2} \right)$とし，$\tan \alpha$および$\tan 2\alpha$の値を求めよ．
(3)直線$n_2$の方程式を求めよ．
(4)直線$m$の方程式を求めよ．
(5)$3$つの直線$n_1,\ n_2,\ m$で囲まれた三角形の面積を求めよ．

次の$[　]$に適切な答えを入れよ．

(1)$\displaystyle x=\frac{\sqrt{2}+1}{\sqrt{2}-1},\ y=\frac{\sqrt{2}-1}{\sqrt{2}+1}$のとき，$x^2+y^2=[ア]$，$x^3+y^3=[イ]$である．
(2)放物線$y=x^2-2x+3$を$x$軸方向に$[ウ]$，$y$軸方向に$[エ]$だけ平行移動すると，放物線$y=x^2+4x+3$が得られる．
(3)$xy$平面上に，$2$点$\mathrm{O}(0,\ 0)$，$\mathrm{A}(3,\ 0)$を端点とする線分$\mathrm{OA}$と点$\mathrm{P}$がある．$\mathrm{P}$が$\mathrm{OP}:\mathrm{AP}=1:1$を満たしながら動くとき，$\mathrm{P}$の描く軌跡は直線であり，その方程式は$[オ]$である．また，$\mathrm{P}$が$\mathrm{OP}:\mathrm{AP}=1:2$を満たしながら動くとき，$\mathrm{P}$の描く軌跡は円であり，その方程式は$[カ]$である．
(4)放物線$C_1:y=x^2+2x$と放物線$C_2:y=-2x^2-10x$との$2$つの交点のうち，原点ではない交点の$x$座標を$x_0$とすると，$x_0=[キ]$である．$C_1$と$C_2$によって囲まれた部分の面積を$S_1$とし，$C_1$，$C_2$および直線$\ell:x=-5$によって囲まれた部分の面積を$S_2$とするとき，$S_1+S_2=[ク]$である．

円に内接する四角形$\mathrm{ABCD}$が条件
\[ \mathrm{AB}=3,\quad \mathrm{BC}=4,\quad \mathrm{CD}=5,\quad \angle \mathrm{ADC}=60^\circ \]
を満たしている．

(1)対角線$\mathrm{AC}$の長さを求めよ．
(2)辺$\mathrm{AD}$の長さを求めよ．
(3)四角形$\mathrm{ABCD}$が内接している円の半径を求めよ．

平面上に放物線$C_1:y=x^2$と円$C_2:(x-1)^2+(y-2)^2=5$がある．

(1)$C_1$上の点$\mathrm{P}$であって，$\mathrm{P}$における$C_1$の法線が点$(1,\ 2)$を通るようなものをすべて求めよ．ただし，$\mathrm{P}$における$C_1$の法線とは，$\mathrm{P}$を通り$\mathrm{P}$における$C_1$の接線に直交する直線のことである．
(2)$C_1$と$C_2$の共有点をすべて求めよ．

$\theta$は$0 \leqq \theta \leqq \pi$をみたす実数とする．$xyz$空間内の平面$z=0$上に$2$点
\[ \mathrm{P}_\theta (\cos \theta,\ \sin \theta,\ 0),\quad \mathrm{Q}_\theta (2 \cos \theta,\ 2 \sin \theta,\ 0) \]
をとり，$\theta$を$0 \leqq \theta \leqq \pi$の範囲で動かすとき，線分$\mathrm{P}_\theta \mathrm{Q}_\theta$が通過する部分を$D$とする．空間内の$z \geqq 0$の部分において，底面が$D$，$\mathrm{P}_\theta \mathrm{Q}_\theta$上の各点での高さが$\displaystyle \frac{2}{\pi}\theta$の立体$K$を考える．半球$B:x^2+y^2+z^2 \leqq 2^2$，$z \geqq 0$と$K$の共通部分を$L$とするとき，次の問いに答えよ．

(1)$B$を平面$z=t (0 \leqq t<2)$で切った切り口の円の半径を$t$を用いて表せ．
(2)$L$の体積を求めよ．

四角形$\mathrm{ABCD}$の各辺が，下の図のように点$\mathrm{P}$，$\mathrm{Q}$，$\mathrm{R}$，$\mathrm{S}$で円$\mathrm{O}$に外接している．このとき，次の問題に答えよ．
（図は省略）

(1)$\mathrm{AB}+\mathrm{CD}=\mathrm{BC}+\mathrm{DA}$を証明せよ．
(2)円$\mathrm{O}$の半径が$1$のとき，四角形$\mathrm{ABCD}$の面積を$\mathrm{AB}$と$\mathrm{CD}$を用いて表せ．

円に内接する四角形$\mathrm{ABCD}$があり，$\mathrm{AD}=5$，$\mathrm{BC}=10$，対角線$\mathrm{BD}=\sqrt{91}$，$\angle \mathrm{BAD}=120^\circ$である．

(1)$\mathrm{AB}=[][]$であり，三角形$\mathrm{ABD}$の面積は$\displaystyle S_1=\frac{[][] \sqrt{3}}{2}$である．
(2)三角形$\mathrm{BCD}$の面積が$\displaystyle S_2=\frac{45 \sqrt{3}}{2}$であれば，$\mathrm{DC}=[][]$である．
(3)この円の半径は$\displaystyle \frac{\sqrt{273}}{[][]}$である．
(4)この円の中心を$\mathrm{O}$としたとき，三角形$\mathrm{BOD}$の面積は$\displaystyle S_3=\frac{91 \sqrt{3}}{[][]}$である．

次の問に答えよ．

(1)$\left( \begin{array}{cc}
1+a & 1 \\
4 & 3+3a
\end{array} \right)$が逆行列をもたないような$a$の値をすべて求めよ．
(2)$xy$平面上の曲線$y=\sqrt{x-1}+1$と直線$y=x-6$の交点の座標を求めよ．
(3)媒介変数表示
\[ \left\{ \begin{array}{l}
x=4 \cos^2 \theta \\
y=4 \cos \theta \sin \theta
\end{array} \right. \]
の表す円の方程式，および中心の座標と半径を求めよ．