$a$を実数の定数とする．$2$つの関数$f(x)=x^2-ax+3$と$g(x)=x^2-(2a+1)x+a^2+a$について，次の各問に答えよ．

(1)すべての実数$x$について，$f(x) \geqq 0$が成り立つための条件を$a$を用いて表せ．
(2)$1 \leqq x \leqq 3$を満たすすべての実数$x$について，$f(x)>0$が成り立つための条件を$a$を用いて表せ．
(3)$g(x) \leqq 0$を満たすすべての実数$x$について，$f(x)>0$が成り立つための条件を$a$を用いて表せ．

行列$A=\biggl( \begin{array}{rr}
-1 & -4 \\
4 & 7
\end{array} \biggr),\ E=\biggl( \begin{array}{cc}
1 & 0 \\
0 & 1
\end{array} \biggr)$に対して，$N=A-kE$とおく．ただし，$k$は実数の定数である．このとき，次の各問に答えよ．

(1)$N^2=O$となるように，$k$の値を定めよ．ただし，$O$は零行列である．
(2)$n$を正の整数として，$A^n$を求めよ．
(3)数列$\{a_n\},\ \{b_n\}$が
\[ a_1=b_1=1,\quad a_{n+1}=-a_n-4b_n,\quad b_{n+1}=4a_n+7b_n \]
で与えられるとき，一般項$a_n,\ b_n$をそれぞれ$n$を用いて表せ．

$r$を正の定数とし，$n$を$3$以上の自然数とする．$C$が半径が$r$の円とする．円$C$に内接する正$n$角形の$1$辺の長さを$s_n$，円$C$に外接する正$n$角形の$1$辺の長さを$t_n$とする．ただし，正$n$角形が円$C$に外接するとは，円$C$が正$n$角形のすべての辺に接することである．

(1)$s_n$を$r$と$n$を用いて表せ．
(2)$\displaystyle \frac{s_n}{t_n}$を$n$を用いて表せ．
(3)$s_5=2$であるとき，円$C$に内接する正$5$角形の面積を，小数第$3$位を四捨五入して小数第$2$位まで求めよ．ただし，$\tan 36^\circ=0.727$としてよい．

$k$を正の定数とする．直線$y=kx$を$\ell$とし，原点Oを通り直線$\ell$に垂直な直線を$m$とする．2次正方行列$A$で表される1次変換を$f$とする．$f$により，直線$\ell$上の点は自分自身に移り，直線$m$上の点は原点に移るとする．

(1)行列$A$を求めよ．
(2)Pを座標平面上の点とする．点Pの$f$による像をQとする．

\mon[(i)] 点Qは直線$\ell$上の点であることを示せ．
\mon[(ii)] 点Pが直線$\ell$上の点でないとき，直線PQと直線$\ell$は垂直であることを示せ．
\mon[(iii)] 3点$(0,\ 0)$，$(1,\ 0)$，$(0,\ 2)$を頂点とする三角形の辺上を点Pが動くとき，点Qの動く範囲を求めよ．

次の問いに答えよ．

(1)不定積分
\[ I_1=\int \log x \, dx,\quad I_2=\int (\log x)^2 \, dx \]
をそれぞれ求めよ．ただし，積分定数は省略してよい．
(2)$2$曲線$y=\log (x+1),\ y=\log 2x$と$x$軸とで囲まれた図形を$x$軸のまわりに$1$回転してできる立体の体積$V$を求めよ．

$(1)$，$(2)$の問いに答えよ．また，$(3)$から$(5)$までの空欄をうめよ．

(1)次の積分を求めよ．ただし，積分定数は省略してもよい．

(i) $\displaystyle \int x \sin x^2 \, dx=[イ]$
(ii) $\displaystyle \int_0^2 xe^x \, dx=[ロ]$

(2)次の極限を求めよ．
\[ \lim_{n \to \infty} \frac{3^n+4^n}{3^{n+1}+4^{n+1}}=[ハ] \]
(3)$\displaystyle -\frac{\pi}{2} \leqq x \leqq \frac{\pi}{2}$において$3 \sin x+\cos 2x+1=0$のとき，$x=[ニ]$である．
(4)$A=\left( \begin{array}{cc}
1 & -2 \\
-3 & 4
\end{array} \right),\ B=\left( \begin{array}{cc}
1 & 2 \\
3 & 4
\end{array} \right)$のとき，$(A+B)(A-B)=[ホ]$である．
(5)Oを原点とする座標空間に2点A$(1,\ 2,\ 1)$，B$(2,\ 2,\ 0)$をとる．このとき，$\cos \angle \text{AOB}=[ヘ]$，$\triangle$AOBの面積は[ト]である．

$x \geqq 0$において，曲線$y=\sqrt{a-3x}$を$C_1$，曲線$y=x^2-bx+3$を$C_2$とする．$C_1$と$C_2$が$x$軸上と$y$軸上で共有点をもつとき，次の問いに答えよ．ただし，$a,\ b$は正の定数とする．

(1)$a$と$b$の値を求めよ．
(2)$C_1$と$C_2$で囲まれた図形の面積を求めよ．

$a$を正の定数とする．原点をOとし，曲線$y=x^3$上に点P$(a,\ a^3)$をとり，線分OPと曲線によって囲まれた部分をAとする．このとき，以下の問いに答えよ．

(1)Aを$x$軸のまわりに1回転してできる回転体の体積$V$を求めよ．
(2)Aを$y$軸のまわりに1回転してできる回転体の体積$W$を求めよ．
(3)直線OPの傾きを$m$とするとき，$\displaystyle \frac{mW}{V}$の値を求めよ．

関数$\displaystyle y=\frac{\log x}{x^2}$のグラフを$C$とするとき，次の問いに答えよ．

(1)関数$\displaystyle y=\frac{\log x}{x^2}$の増減，極値，$C$の凹凸，変曲点を調べて，増減表をつくり，$C$を座標平面上に描け．ただし，$\displaystyle \lim_{x \to \infty}\frac{\log x}{x^2}=0$を用いてもよい．
(2)$a$を定数とする．方程式$\log x=ax^2$の異なる実数解の個数を調べよ．

次の空欄$[サ]$から$[ト]$にあてはまる数や式を書きなさい．

$x$-$y$平面上の$3$点$\mathrm{P}(-1,\ 0)$，$\mathrm{Q}(0,\ 1)$，$\mathrm{R}(2,\ 0)$を通る$2$次曲線$C$を考える．$C$が方程式
\[ y=ax^2+bx+c \quad (a,\ b,\ c \text{は定数}) \]
で与えられるとすると，$C$は点$\mathrm{Q}$を通るから$c=[サ]$である．また$C$は点$\mathrm{P}$を通るから$[シ]=0$であり，点$\mathrm{R}$を通るから$[ス]=0$である．これより，$a=[セ]$，$b=[ソ]$となる．
この$2$次曲線$C$の頂点の座標は$\displaystyle \left( [タ],\ [チ] \right)$である．また，第$1$象限において$C$と$x$軸と$y$軸が囲む面積$S$は，
\[ S=\int_{[テ]}^{[ツ]} (ax^2+bx+c) \, dx \]
で与えられるから，$S=[ト]$となる．