実数$a,\ b,\ c,\ d$について
\[ (a-d)^2+4bc=0 \]
が成立している．このとき行列
\[ E=\left( \begin{array}{cc}
1 & 0 \\
0 & 1
\end{array} \right),\quad A=\left( \begin{array}{cc}
a & b \\
c & d
\end{array} \right),\quad B=A-\frac{a+d}{2}E \]
について，以下の問いに答えよ．ただし$\displaystyle A \neq \frac{a+d}{2}E$とする．

(1)行列$B^2$を求めよ．
(2)自然数$n$に対して
\[ A^n=pA+qE \]
となる実数$p,\ q$を$n$と$a,\ b,\ c,\ d$で表せ．
(3)行列$A$が次をみたすとき，$A$を求めよ．
\[ A^5=\left( \begin{array}{cc}
11 & -20 \\
5 & -9
\end{array} \right) \]

$a$を正の実数，$k$を自然数とし，$x>0$で定義される関数
\[ f(x)=\int_a^{ax} \frac{k+\sqrt[k]{u}}{ku} \, du \]
を考える．このとき以下の各問いに答えよ．

(1)$f(x)$の増減および凹凸を調べ，$y=f(x)$のグラフの概形をかけ．
(2)$y=f(x)$の$x=1$における接線の方程式を求めよ．
(3)$S$を正の実数とするとき，$f(p)=S$を満たす実数$p$がただ$1$つ存在することを示せ．
(4)$\displaystyle b=\frac{k}{k+\sqrt[k]{a}}$とおくとき，$(2)$の$S,\ p$について，次の不等式が成立することを示せ．
\[ 1+bS<p<e^{bS} \]

$\displaystyle f(x)=\frac{x}{{2}^x}$とし，$f^\prime(x)$を$f(x)$の導関数とする．このとき，次の問いに答えよ．

(1)定数$c$を$0 \leqq c \leqq 2$とする．このとき，$0 \leqq x \leqq 2$を満たす$x$に対して，不等式
\[ f(x) \leqq f^\prime(c)(x-c)+f(c) \]
が成り立つことを示せ．また，等号が成立するのはどのようなときか述べよ．
(2)$n$を自然数とする．$x_1,\ x_2,\ \cdots,\ x_n$は$0$以上の実数で，$x_1+x_2+\cdots +x_n=2$を満たすとする．このとき，不等式
\[ f(x_1)+f(x_2)+\cdots +f(x_n) \leqq n f \left( \frac{2}{n} \right) \]
が成り立つことを示せ．また，等号が成立するのはどのようなときか述べよ．

実数$a,\ b,\ c,\ d$に対して，$2$次正方行列$A,\ O$を次で定める．
\[ A=\left( \begin{array}{cc}
a & b \\
c & d
\end{array} \right),\quad O=\left( \begin{array}{cc}
0 & 0 \\
0 & 0
\end{array} \right) \]

(1)行列$A$が$ad-bc=0$を満たすとき，
\[ A=\left( \begin{array}{c}
p \\
q
\end{array} \right) \left( \begin{array}{cc}
r & s
\end{array} \right) \]
となるような実数$p,\ q,\ r,\ s$が存在することを示せ．
(2)ある$2$次正方行列$X,\ Y$に対して$XA \neq O$，$AY \neq O$，$XAY=O$が成立するとき，$ad-bc \neq 0$となることを示せ．

実数$a,\ b,\ c,\ d$に対して，$2$次正方行列$A,\ O$を次で定める．
\[ A=\left( \begin{array}{cc}
a & b \\
c & d
\end{array} \right),\quad O=\left( \begin{array}{cc}
0 & 0 \\
0 & 0
\end{array} \right) \]

(1)行列$A$が$ad-bc=0$を満たすとき，
\[ A=\left( \begin{array}{c}
p \\
q
\end{array} \right) \left( \begin{array}{cc}
r & s
\end{array} \right) \]
となるような実数$p,\ q,\ r,\ s$が存在することを示せ．
(2)ある$2$次正方行列$X,\ Y$に対して$XA \neq O$，$AY \neq O$，$XAY=O$が成立するとき，$ad-bc \neq 0$となることを示せ．

次の各問いに答えよ．

(1)座標平面上での原点を中心とする${150}^\circ$の回転移動を表す行列を$P$とする．点$(x,\ y)$が$P$の表す移動によって，点$(2,\ 4)$に移ったとする．このとき，点$(x,\ y)$を求めよ．
(2)$(1)$で与えられた行列$P$を考える．$P^n=\left( \begin{array}{cc}
1 & 0 \\
0 & 1
\end{array} \right)$を満たす最小の自然数$n$を求めよ．
(3)以下の各命題の反例をあげよ．また，反例になっていることを示せ．ただし，$X,\ Y$は$2$次の正方行列とする．

(i) $XY=YX$が成立する．
(ii) $XY=O$ならば，$X=O$または$Y=O$である．ただし，$O$は$2$次の零行列を表す．
(iii) $A$を逆行列$A^{-1}$をもつ$2$次の正方行列とする．このとき，$AX=Y$ならば，$X=YA^{-1}$である．

次の問に答えよ．

(1)$a,\ b>0$とする．このとき
\[ \frac{a+b}{2} \geqq \sqrt{ab} \]
であることを証明せよ．また，等号が成立するのは$a=b$の場合だけであることを示せ．
(2)$a,\ b,\ c>0$とする．このとき
\[ (a+b)(b+c)(c+a) \geqq 8abc \]
であることを証明せよ．また，等号が成立するのはどのような場合か述べよ．
(3)$\alpha,\ \beta,\ \gamma$を三角形の$3$辺の長さとする．このとき
\[ \alpha\beta\gamma \geqq (-\alpha+\beta+\gamma)(\alpha-\beta+\gamma)(\alpha+\beta-\gamma) \]
であることを証明せよ．また，等号が成立するのは正三角形の場合だけであることを示せ．
(4)$\alpha,\ \beta,\ \gamma$を三角形の$3$辺の長さとする．このとき
\[ \frac{\alpha}{-\alpha+\beta+\gamma}+\frac{\beta}{\alpha-\beta+\gamma}+\frac{\gamma}{\alpha+\beta-\gamma} \geqq 3 \]
であることを証明せよ．また，等号が成立するのは正三角形の場合だけであることを示せ．

次の問いに答えよ．

(1)関数$f(x)$が，すべての$x$に対して$f^{\prime\prime}(x) \leqq 0$を満たすとする．このとき，

$(*)$ \quad $x_1<x_2<x_3$に対して $\displaystyle \frac{f(x_2)-f(x_1)}{x_2-x_1} \geqq \frac{f(x_3)-f(x_2)}{x_3-x_2}$
が成立することを示せ．
(2)関数$f(x)$が$(*)$を満たすとする．このとき，$a<b$を満たす実数$a,\ b$と$0<t<1$を満たす$t$に対して，
\[ f((1-t)a+tb) \geqq (1-t)f(a)+tf(b) \]
が成立することを示せ．

$\mathrm{O}$を原点とする座標平面において，曲線$C_1:y=\log x+\log t$と曲線$C_2:y=ax^2$を考える．ただし$a$と$t$は正の実数である．曲線$C_1$と$C_2$は共有点$\mathrm{P}$を持ち，また，$\mathrm{P}$における$C_1$と$C_2$の接線が一致するものとする．次の問いに答えよ．

(1)$\mathrm{P}$の$x$座標を$x_0$とする．$x_0,\ a,\ t$の間に成立する関係式を書け．
(2)$x_0$と$a$をそれぞれ$t$を用いて表せ．
(3)$\mathrm{P}$における$C_2$の法線を$\ell$とする．また，$\ell$と$x$軸の交点を$\mathrm{Q}$，$\ell$と$y$軸の交点を$\mathrm{R}$とする．$\triangle \mathrm{OQR}$の面積$S(t)$を求め，また，$S(t)$を最小とする$t$の値を求めよ．
(4)$t$が$(3)$で求めた値のとき，曲線$C_1$，$C_2$と$x$軸が囲む図形の面積を求めよ．

次の空欄$[$39$]$～$[$60$]$にあてはまる数字を入れよ．ただし，空欄$[$41$]$，$[$44$]$，$[$47$]$，$[$51$]$には$+$または$-$の記号が入る．

(1)$\displaystyle \lim_{x \to 2} \frac{5x^2+5x-30}{x-2}=[$39$][$40$]$である．
(2)$2$次関数$y=f(x)$のグラフは原点と点$\displaystyle \left( 1,\ \frac{17}{4} \right)$を通る．また，$x=2$において傾き$8$の接線をもつ．このとき，$f(x)$の最小値は$\displaystyle [$41$] \frac{[$42$]}{[$43$]}$である．
(3)$2$次関数$f(x)=ax^2+bx+c$（ただし，$a,\ b,\ c$は定数）がある．すべての実数$x$について$3f(x)+4f^\prime(x)=-2x^2+5x+7$が常に成立するとき，
\[ a=[$44$] \frac{[$45$]}{[$46$]},\quad b=[$47$] \frac{[$48$][$49$]}{[$50$]},\quad c=[$51$] \frac{[$52$][$53$]}{[$54$][$55$]} \]
である．
(4)$2$つの関数$\displaystyle f(x)=x-\frac{3}{a}$および$\displaystyle g(x)=ax^2+7x+\frac{6}{a}$がある（ただし，$a$は正の定数）．$xy$平面上の$4$つのグラフ$y=f(x)$，$y=g(x)$，$x=0$および$x=1$で囲まれる図形の面積は$a=[$56$] \sqrt{[$57$]}$のとき最小値$[$58$]+[$59$] \sqrt{[$60$]}$をとる．