自然数$n$に対して，$0$以上の実数を定義域とする$x$の関数$R_n(x)$を
\[ R_n(x)=\frac{1}{1+x^p}-\sum_{k=0}^{n-1}(-x^p)^k \]
とする．ただし，$p$は正の定数である．以下の問いに答えよ．

(1)次の不等式を示せ．
\[ |\int_0^1 R_n(x) \, dx|<\frac{1}{pn+1} \]
(2)次の等式を示せ．
\[ \int_0^1 \frac{dx}{1+x^p}=\sum_{k=0}^\infty \frac{(-1)^k}{pk+1} \]
(3)以上の結果を利用して次の無限級数の和を求めよ．

(i) $\displaystyle S_1=1-\frac{1}{2}+\frac{1}{3}-\frac{1}{4}+\frac{1}{5}-\cdots$

(ii) $\displaystyle S_2=1-\frac{1}{3}+\frac{1}{5}-\frac{1}{7}+\frac{1}{9}-\cdots$

$n$を自然数とするとき，以下の問いに答えよ．

(1)次の等式を示せ．
\[ \comb{n+2}{3}+\comb{n+2}{2}=\comb{n+3}{3} \]
(2)$(1)$の結果を利用して，数学的帰納法により，次の等式を証明せよ．
\[ \sum_{i=1}^n \comb{i+1}{2}=\comb{n+2}{3} \]

$r$を$0<r<1$をみたす定数とする．次の問いに答えよ．

(1)数列$\{a_n\}$を$\displaystyle a_n=\left[ \frac{n}{3} \right]$で定める．ただし，実数$x$に対して，$[x]$は$l \leqq x<l+1$をみたす整数$l$を表す．このとき，
\[ \lim_{n \to \infty} \sum_{k=1}^{3n} (-1)^{k-1}r^{a_k} \]
を求めよ．
(2)数列$\{b_n\}$を
\[ \begin{array}{ll}
n \text{が奇数のとき} & b_n=n \\
n \text{が偶数のとき} & b_n=2n
\end{array} \]
で定める．このとき，
\[ \lim_{n \to \infty} \frac{1}{n} \sum_{k=1}^{2n} (-1)^{k-1}r^{\frac{b_k}{n}} \]
を求めよ．

$\displaystyle \sum_{n=1}^{40000} \frac{1}{\sqrt{n}}$の整数部分を求めよ．

$a$を自然数（すなわち$1$以上の整数）の定数とする．白球と赤球があわせて$1$個以上入っている袋$\mathrm{U}$に対して，次の操作$(*)$を考える．

\mon[$(*)$] 袋$\mathrm{U}$から球を$1$個取り出し，

(i) 取り出した球が白球のときは，袋$\mathrm{U}$の中身が白球$a$個，赤球$1$個となるようにする．
(ii) 取り出した球が赤球のときは，その球を袋$\mathrm{U}$へ戻すことなく，袋$\mathrm{U}$の中身はそのままにする．



はじめに袋$\mathrm{U}$の中に，白球が$a+2$個，赤球が$1$個入っているとする．この袋$\mathrm{U}$に対して操作$(*)$を繰り返し行う．
たとえば，$1$回目の操作で白球が出たとすると，袋$\mathrm{U}$の中身は白球$a$個，赤球$1$個となり，さらに$2$回目の操作で赤球が出たとすると，袋$\mathrm{U}$の中身は白球$a$個のみとなる．
$n$回目に取り出した球が赤球である確率を$p_n$とする．ただし，袋$\mathrm{U}$の中の個々の球の取り出される確率は等しいものとする．

(1)$p_1,\ p_2$を求めよ．
(2)$n \geqq 3$に対して$p_n$を求めよ．
(3)$\displaystyle \lim_{m \to \infty} \frac{1}{m} \sum_{n=1}^m p_n$を求めよ．

$3$以上の奇数$n$に対して，$a_n$と$b_n$を次のように定める．
\[ a_n=\frac{1}{6} \sum_{k=1}^{n-1} (k-1)k(k+1),\quad b_n=\frac{n^2-1}{8} \]

(1)$a_n$と$b_n$はどちらも整数であることを示せ．
(2)$a_n-b_n$は$4$の倍数であることを示せ．

$xy$平面上の曲線$C:y=x^3+x^2+1$を考え，$C$上の点$(1,\ 3)$を$\mathrm{P}_0$とする．$k=1,\ 2,\ 3,\ \cdots$に対して，点$\mathrm{P}_{k-1}(x_{k-1},\ y_{k-1})$における$C$の接線と$C$の交点のうちで$\mathrm{P}_{k-1}$と異なる点を$\mathrm{P}_k(x_k,\ y_k)$とする．このとき，$\mathrm{P}_{k-1}$と$\mathrm{P}_k$を結ぶ線分と$C$によって囲まれた部分の面積を$S_k$とする．

(1)$S_1$を求めよ．
(2)$x_k$を$k$を用いて表せ．

(3)$\displaystyle \sum_{k=1}^\infty \frac{1}{S_k}$を求めよ．

以下の問いに答えよ．

(1)$n$を自然数，$a$を正の定数として，
\[ f(x)=(n+1) \{ \log (a+x)-\log (n+1) \}-n(\log a-\log n)-\log x \]
とおく．$x>0$における関数$f(x)$の極値を求めよ．ただし，対数は自然対数とする．
(2)$n$が$2$以上の自然数のとき，次の不等式が成り立つことを示せ．
\[ \frac{1}{n} \sum_{k=1}^n \frac{k+1}{k}>(n+1)^{\frac{1}{n}} \]

$r$を$0<r<1$をみたす定数とする．数列$\{a_n\}$に対して
\[ S_n=\sum_{k=1}^{n} (-1)^{k-1}r^{a_k} \quad (n=1,\ 2,\ 3,\ \cdots) \]
とする．次の問いに答えよ．ただし以下では，実数$x$に対して，$[x]$は$l \leqq x<l+1$をみたす整数$l$を表す．

(1)数列$\{a_n\}$を$\displaystyle a_n=\left[ \frac{n}{2} \right]$で定めるとき，$S_{2n}$を$r$と$n$の式で表せ．
(2)数列$\{a_n\}$を$\displaystyle a_n=\left[ \frac{n}{3} \right]$で定めるとき，$S_{3n}$を$r$と$n$の式で表せ．
(3)$a_1=0$，$a_n \leqq a_{n+1} \leqq a_n+1 (n=1,\ 2,\ 3,\ \cdots)$および$S_{2014}=0$をみたす数列$\{a_n\}$のうち，$\displaystyle \sum_{k=1}^{2014} r^{a_k}$を最小にする数列$\{a_n\}$の第$2014$項を求め，そのときの最小値を$r$の式で表せ．

$\alpha$を実数とする．$2$つの関数$f(x)=e^{-x}(\sin x-\cos x)$と$g(x)=\alpha e^{-x}$について，次の問いに答えよ．

(1)$\displaystyle \int f(x) \, dx=-e^{-x} \sin x+C$であることを示せ．ただし，$C$は積分定数である．
(2)すべての$x \geqq 0$について$f(x) \leqq g(x)$が成り立つような$\alpha$の値の最小値を求めよ．
(3)$\alpha$を$(2)$で求めた最小値とする．曲線$y=f(x) (x \geqq 0)$と曲線$y=g(x) (x \geqq 0)$との共有点の$x$座標を小さい方から順に$a_0,\ a_1,\ a_2,\ \cdots$とし，$n$が自然数であるとき，
\[ S_n=\int_{a_{n-1}}^{a_n} \left\{ g(x)-\frac{|f(x)|+f(x)}{2} \right\} \, dx \]
とする．このとき，$S_n$を求めよ．
(4)$(3)$で求めた$S_n$について，無限級数$\displaystyle \sum_{n=1}^\infty S_n$の和を求めよ．