自然数$n$に対して，
\[ 2\sqrt{n+1}-2 < 1+\frac{1}{\sqrt{2}}+\frac{1}{\sqrt{3}}+\cdots + \frac{1}{\sqrt{n}} \leqq 2\sqrt{n}-1 \]
が成り立つことを示せ．

関数$\displaystyle f(x)=\frac{x^2}{1+e^x}$について下の問いに答えよ．

(1)$f(x)$がただ$1$つの極大値をもつことを示せ．また，そのときの$x$の値を$\alpha$とするとき，$f(\alpha)$を$\alpha$の整式で表せ．
(2)$f(\alpha)<1$を示せ．

原点をOとする座標平面上，長方形ABCDが図のように頂点Aは$y$軸の正の部分に，頂点Bは$x$軸の正の部分に，頂点C，Dは第1象限内におかれている．$\text{AB}=2,\ \text{BC}=1$とし$\angle \text{OAB}=t$とおく．ただし，$\displaystyle 0<t<\frac{\pi}{2}$とする．このとき，以下の問いに答えよ．

(1)長方形ABCDの周で$y \leqq 1$にある部分の長さを$f(t)$とおく．$f(t)$を求めよ．
(2)$f(t)=3$が成り立つときの$\cos t,\ \sin t$の値を求めよ．
(3)$t$が$\displaystyle 0<t<\frac{\pi}{2}$の範囲を動くとき，$f(t)$の最小値とそのときの$t$の値を求めよ．

\setlength\unitlength{1truecm}

（図は省略）

Oを原点とする座標空間の2点A$(0,\ 0,\ 2)$，P$(\cos \theta,\ 2+\sin \theta,\ 1)$に対して，直線AP上の点で原点Oから最も近い点をQ$(X,\ Y,\ Z)$とする．$0 \leqq \theta \leqq 2\pi$として，次に答えよ．

(1)$X,\ Y,\ Z$を$\theta$を用いて表せ．
(2)$\theta$が$\displaystyle 0,\ \pi,\ \frac{3}{2}\pi$のときの点Qの位置ベクトルをそれぞれ$\overrightarrow{a},\ \overrightarrow{b},\ \overrightarrow{c}$とする．$0 \leqq \theta \leqq 2\pi$のとき，$\overrightarrow{\mathrm{OQ}}=s\overrightarrow{a}+t\overrightarrow{b}+u\overrightarrow{c}$をみたす実数$s,\ t,\ u$を$\theta$を用いて表せ．また，$s+t+u$の値を求めよ．
(3)点Qから$xy$平面にひいた垂線と$xy$平面の交点をR$(X,\ Y,\ 0)$とする．$\theta$が$0 \leqq \theta \leqq 2\pi$の範囲を動くとき，$xy$平面における点Rの軌跡を求めよ．

以下の問いに答えなさい．

(1)自然数$n$に対して，$\displaystyle S(n)=\sum_{k=1}^{12n+3}k^2,\ T(n)=\sum_{k=1}^{12n+3}(2k-1)$とおくとき$S(n)-T(n)$が正の奇数となることを証明しなさい．
(2)関数$f(x)$が次の関係を満たすものとする．
\[ \int_{-u}^0 t \{ \frac{d}{dt} f(t+u) \} \, dt=-e^{-u} \cos u+uf(0)-u+1 \]
このとき，$z=t+u$という置き換えを利用して$\displaystyle \int_0^u f(z) \, dz$を求めなさい．
(3)整式$P_1(x)$は，$x^2-(a+1)x+a$で割ると$2x+b$余り，整式$P_2(x)$は，$x^2-(b-2)x-2b$で割ると$x-a$余る．$P_1(a)=2P_2(b)$のとき，$a$と$b$の関係を求めなさい．

次の問いに答えよ．

(1)$f(x)=x^4-12x^2+8$のとき，$f(x)+f^{\prime\prime}(x)=0$によって表される4次方程式の実数解を求めよ．
(2)$\displaystyle \sin \frac{19}{12}\pi$の値を求めよ．
(3)定積分$\displaystyle \int_0^\pi x \sin^2 x \, dx$を求めよ．

数列$\{x_n\}$が
\[ x_1=1,\quad x_{n+1}=3x_n+\frac{1}{2^{n+1}} \quad (n=1,\ 2,\ 3,\ \cdots) \]
によって定められるとき，次の問いに答えよ．

(1)$x_2,\ x_3$を求めよ．
(2)$\displaystyle a_n=\frac{x_n}{3^n}$で定まる数列$\{a_n\}$は
\[ a_{n+1}=a_n+\frac{1}{6^{n+1}} \quad (n=1,\ 2,\ 3,\ \cdots) \]
を満たすことを示せ．
(3)数列$\{x_n\}$の一般項を求めよ．
(4)$\displaystyle \lim_{n \to \infty}(x_n-3^nc)=0$となる定数$c$を求めよ．

$k$を定数とする．$2$次関数$\displaystyle y=2x^2+kx-\frac{k}{2} \ \cdots\cdots①$について，次の問に答えよ．

(1)グラフの頂点の座標を$k$を用いて表せ．
(2)$k$を動かすとき，頂点の軌跡を求めよ．
(3)箱の中に$1$から$12$までの数字が$1$つずつ書かれた$12$枚のカードが入っている．その中から$3$枚のカードを同時に取り出す．このとき，次の$(ⅰ),\ (ⅱ)$に答えよ．

(i) $2$けたの数字が書かれたカードの枚数が$0$，$1$，$2$，$3$となる確率をそれぞれ求めよ．
(ii) $2$けたの数字が書かれたカードの枚数を$k$とするとき，$2$次関数$①$の最小値が$-1$以下になる確率を求めよ．

$p$を0でない実数とし，行列$A,\ B$をそれぞれ次のように定める．このとき，以下の問いに答えよ．
\[ A=\biggl( \begin{array}{cc}
p-\frac{1}{p} & 1 \\
2 & -p
\end{array} \biggr),\quad B=\biggl( \begin{array}{cc}
1 & 0 \\
\frac{1}{p} & -1
\end{array} \biggr) \]

(1)等式$A^{-1}=aA+bE$が成り立つ定数$a,\ b$を$p$で表せ．ただし，$E$は2次の単位行列である．
(2)$AB=C$とおく．$E+C$の逆行列が存在することを示し，さらに自然数$m$に対して等式
\[ E-C+C^2-C^3+\cdots -C^{2m-1}=(E-C^{2m})(E+C)^{-1} \]
が成り立つことを示せ．
(3)$p=\sqrt{3}$とし，自然数$n$に対し$D_n=E-C+C^2-C^3+\cdots -C^{6n-1}$とおく．行列$D_n$の表す1次変換により点$(2,\ 3)$が点$(x_n,\ y_n)$に移されるとする．$x_n$および$\displaystyle \frac{y_n}{x_n}$を求めよ．

$2$次方程式$x^2 \sin \theta - x \cos(2\theta) + \sin \theta = 0$が重解をもつとき，次の問いに答えよ．ただし，$\theta$は$\displaystyle 0 < \theta < \frac{\pi}{2}$を満たす定数とする．

(1)$\sin \theta$の値を求めよ．
(2)$\displaystyle \sin \frac{\pi}{12}$の値を求めよ．
(3)$\theta$と$\displaystyle \frac{\pi}{12}$の大小を比較せよ．