次の問に答えよ．

(1)$3^{2x}=7$のとき，$\displaystyle \frac{3^{3x}+3^{-3x}}{{(3^x+3^{-x})}^3}=\frac{[$28$][$29$]}{[$30$][$31$]}$である．

(2)$\displaystyle 2 \log_3 441-9 \log_3 \sqrt{7}-\frac{1}{6} \log_3 \frac{27}{343}=\frac{[$32$]}{[$33$]}$である．

(3)$\displaystyle \cos \frac{2\pi}{5}=\frac{-[$34$]+\sqrt{[$35$]}}{[$36$]}$である．

$\overrightarrow{a}=(1,\ 3,\ -2)$，$\overrightarrow{b}=(1,\ -1,\ 1)$，$t$を実数として次の問に答えよ．

(1)$|\overrightarrow{a|+t \overrightarrow{b}}$は$\displaystyle t=\frac{[$50$]}{[$51$]}$で最小値$\displaystyle \frac{\sqrt{[$52$][$53$]}}{[$54$]}$をとる．

(2)$\overrightarrow{a}+t \overrightarrow{b}$と$\overrightarrow{b}$のなす角が${45}^\circ$のとき，$\displaystyle t=\frac{[$55$]+\sqrt{[$56$][$57$]}}{[$58$]}$である．

$x$の$3$次式$f(x)$が等式
\[ 4f(x)-xf^\prime(x)=3x^3-4x^2-6x+4 \]
を満たすとき，次の問に答えよ．

(1)このとき，$f(x)=[$37$]x^3-[$38$]x^2-[$39$]x+[$40$]$である．

(2)曲線$y=f(x)$を$C$とし，$C$上の点$(0,\ [$40$])$で$C$と接する接線を$\ell$とするとき，$\ell$の方程式は$y=-[$41$]x+[$42$]$であり，この$\ell$は，点$(0,\ [$40$])$以外の$C$上の点$\displaystyle \left( \frac{[$43$]}{[$44$]},\ -\frac{[$45$]}{[$46$]} \right)$において$C$と交わる．

(3)$C$と$\ell$とで囲まれた部分の面積は$\displaystyle \frac{[$47$]}{[$48$][$49$]}$である．

座標空間の原点を$\mathrm{O}$とし，点$\mathrm{P}(x,\ y,\ z)$について，$\overrightarrow{\mathrm{OP}}$の大きさを$d$，$\overrightarrow{\mathrm{OP}}$と$\overrightarrow{e_3}=(0,\ 0,\ 1)$のなす角を$\alpha$とする．そして，点$\mathrm{P}$から$xy$平面に下ろした垂線を$\mathrm{PQ}$とし，$\overrightarrow{\mathrm{OQ}}$と$\overrightarrow{e_1}=(1,\ 0,\ 0)$のなす角を$\beta$とする．ただし，$d \geqq 0$，$0 \leqq \alpha \leqq \pi$，$0 \leqq \beta \leqq 2\pi$であるとし，$\mathrm{P}$が$z$軸上にあるとき$\beta=0$であるものとする．

(1)$x,\ y,\ z$を$d,\ \alpha,\ \beta$を用いて表せ．
(2)$d=3$を固定し，$\alpha$が$0$から$\pi$，$\beta$が$0$から$2\pi$まで変化したときに点$\mathrm{P}$が描く図形は何か．また，その面積を求めよ．
(3)$\displaystyle \alpha=\frac{\pi}{6}$を固定し，$d$が$0$から$4$，$\beta$が$0$から$2\pi$まで変化したときに点$\mathrm{P}$が描く図形は何か．また，その面積を求めよ．

平面上の点$\mathrm{P}(s,\ t)$が楕円$\displaystyle C:\frac{x^2}{8}+\frac{y^2}{2}=1$上を動くとき，$\displaystyle \frac{t-2}{s-4}$の最大値を求めよ．また，最大値を与える$s,\ t$を求めよ．

複素数平面上で，等式
\[ \frac{z-1}{z+1}=|\displaystyle\frac{z-1|{z+1}}i \]
を満たす点$z$全体が表す図形を求め，その図形を複素数平面上に図示せよ．ただし，$i$は虚数単位で，複素数$w$に対して$|w|$は$w$の絶対値を表す．

平面上で，曲線$\displaystyle C:y=\frac{2}{x^2+1}$を考える．

(1)$C$は変曲点を$2$つもつ．その$2$点の座標を求めよ．
(2)$(1)$で求めた$2$点での$C$の接線を，それぞれ$L_1,\ L_2$とする．$2$直線$L_1,\ L_2$と$C$とで囲まれた部分の面積を求めよ．

曲線$C:y=x^3-x$上に，原点とは異なる点$\mathrm{P}$がある．$\mathrm{P}$での$C$の接線を$\ell$とし，$\ell$と$C$の交点で$\mathrm{P}$以外のものを$\mathrm{Q}$とする．さらに，原点を通り$\ell$に平行な直線を$m$とする．

(1)$m$と$C$は相異なる$3$点で交わることを示せ．
(2)$m$と$C$の原点以外の交点を$\mathrm{R}$，$\mathrm{S}$とするとき，$\displaystyle \frac{\mathrm{PQ}}{\mathrm{RS}}$を求めよ．

連立不等式
\[ 2x-y-2 \geqq 0,\quad x \leqq \frac{5}{2},\quad y \geqq 1 \]
の表す領域を$D$とする．点$\mathrm{P}(x,\ y)$が領域$D$を動くとき，$\displaystyle \frac{y}{x^2}$の最大値と最小値を求めよ．また，それぞれの値を与える点$\mathrm{P}$の座標を求めよ．

次の各問題の$[　]$に適する答えを記入せよ．

(1)$\sin \theta+\cos \theta=k$とするとき$\displaystyle \frac{\cos \theta}{\sin^2 \theta}+\frac{\sin \theta}{\cos^2 \theta}$を$k$を用いて表すと$[ア]$である．
(2)$2^{2016} \cdot 3^{2020}$は$[イ]$桁の数である．ただし，$\log_{10}2=0.3010$，$\log_{10}3=0.4771$とする．
(3)ベクトル$\overrightarrow{a}=(1,\ 1,\ 3)$，$\overrightarrow{b}=(2,\ 0,\ -3)$の両方に垂直で，大きさが$1$のベクトルを成分表示すると$[ウ]$となる．