実数$a$と行列$A=\biggl( \begin{array}{cc}
a-2 & -2a \\
4a & -2a+2
\end{array} \biggr)$がある．$A$が表す座標平面上の点の移動に関する以下の二つの条件を考える．

条件1： 原点O以外のある点Pが$A$によってP自身に移される．
条件2： 原点O以外のある点Qが$A$によって線分OQ上のQ以外の点に移される．

以下の問いに答えよ．

(i) 条件1がみたされるとき，$a$の値を求めよ．
(ii) 条件1，条件2の両方がみたされるとき，$a$の値を求めよ．
(iii) $a$は$(ⅱ)$で求めた値とする．自然数$n$に対して，点R$_n$を次のように定める．
\begin{itemize}
R$_1$の座標を$(4,\ 5)$とする．
$A$によってR$_{n-1}$が移される先をR$_n \ (n \geqq 2)$とする．
\end{itemize}
R$_n$の座標を$(x_n,\ y_n)$とするとき，$\displaystyle x_n=\frac{12}{2^n}-2,\ y_n=\frac{16}{2^n}-3$であることを数学的帰納法を用いて証明せよ．

実数$p$に対して，行列$A,\ B,\ C$をそれぞれ
\[ A=\biggl( \begin{array}{cc}
0 & p \\
1 & 0
\end{array} \biggr),\quad B=\biggl( \begin{array}{cc}
1 & 1 \\
0 & 1+p
\end{array} \biggr),\quad C=\biggl( \begin{array}{cc}
1 & p \\
1+p & -1
\end{array} \biggr) \]
とおく．さらに，行列$A_n \ (n=1,\ 2,\ 3,\ \cdots)$を
\[ A_1=A, A_{n+1}=A_nB-BA_n+C \quad (n=1,\ 2,\ 3,\ \cdots) \]
で定める．次の問いに答えよ．

(1)$A_2,\ A_3$を求めよ．
(2)$A_n \ (n=1,\ 2,\ 3,\ \cdots)$を推測し，その推測が正しいことを数学的帰納法を用いて示せ．

正の整数$n$に対して，$\displaystyle S_n(x)=\int_0^x t^ne^{-t} \, dt$とおく．ただし，$e$は自然対数の底とする．

(1)$S_{n+1}(x)$を$n,\ x$および$S_n(x)$を用いて表せ．
(2)$m$を正の整数とする．$x>0$のとき，不等式$\displaystyle e^{\frac{x}{m+1}}>\frac{x}{m+1}$が成り立つことを示せ．また，$\displaystyle \lim_{x \to \infty}\frac{x^m}{e^x}=0$となることを示せ．
(3)数学的帰納法を用いて，すべての正の整数$n$に対して，$\displaystyle \lim_{x \to \infty}S_n(x)=n!$となることを示せ．

関数$f_n(x) \ (n=0,\ 1,\ 2,\ 3,\ \cdots)$は次の条件を満たしている．

$(ⅰ)$ $f_0(x)=e^{2x}+1$
$(ⅱ)$ $\displaystyle f_n(x)=\int_0^x (n+2t)f_{n-1}(t) \, dt-\frac{2x^{n+1}}{n+1} \quad (n=1,\ 2,\ 3,\ \cdots)$

このとき以下の問いに答えよ．

(1)$f_1(x),\ f_2(x)$を求めよ．
(2)$f_n(x)$の具体的な形を推測し，その結果を数学的帰納法で証明せよ．
(3)$\displaystyle \sum_{n=1}^\infty \left\{ f_n^\prime \left( \frac{1}{2} \right) \right\}$を求めよ．ただし，$0<r<1$に対して$\displaystyle \lim_{n \to \infty}nr^n=0$となることを用いてよい．

数列$\{a_n\},\ \{b_n\}$を次の関係式により定義する．
\begin{align}
& a_1=3,\ b_1=1, \nonumber \\
& a_{n+1}=\displaystyle\frac{3a_n+13b_n}{2},\quad b_{n+1}=\displaystyle\frac{a_n+3b_n}{2} \quad (n=1,\ 2,\ 3,\ \cdots) \nonumber
\end{align}
このとき，次の問いに答えよ．

(1)数学的帰納法を用いて，$a_n+b_n,\ a_n-b_n$はともに正の偶数であることを証明せよ．
(2)$c_n=a_n+\sqrt{13} \, b_n,\ d_n=a_n-\sqrt{13} \, b_n$とおく．数列$\{c_n\},\ \{d_n\}$の一般項を求めよ．
(3)数列$\{a_n\},\ \{b_n\}$の一般項を求めよ．

実数$\theta$に対して，行列$A$を$A=\left( \begin{array}{cc}
\cos \theta & -\sin \theta \\
\sin \theta & \cos \theta
\end{array} \right)$とする．また，$n$を自然数とし，$A$の$n$乗を$A^n$で表す．次に答えよ．

(1)数学的帰納法により，すべての自然数$n$に対して
\[ A^n=\left( \begin{array}{cc}
\cos n\theta & -\sin n\theta \\
\sin n\theta & \cos n\theta
\end{array} \right) \]
が成立することを示せ．
(2)$\displaystyle \theta=\frac{\pi}{12}$とする．ある自然数$n$に対しては，行列$A^n$によって曲線$\displaystyle y=-\frac{1}{2x}$上の点が常に曲線$x^2-y^2=-1$上の点に移される．このような自然数$n$の最小値を求めよ．

行列$A=\left( \begin{array}{cc}
1 & 4 \\
4 & 1
\end{array} \right)$に対し，$A^n=\left( \begin{array}{cc}
a_n & b_n \\
c_n & d_n
\end{array} \right)$，$\displaystyle p_n=\frac{a_n}{c_n} (n=1,\ 2,\ 3,\ \cdots)$とおく．

(1)数学的帰納法を用いて，$a_n=d_n$および$b_n=c_n$が成り立つことを示せ．
(2)$p_{n+1}$を$p_n$を用いて表せ．
(3)$\displaystyle q_n=\frac{1}{p_n-1}$とおくとき，$q_{n+1}$を$q_n$を用いて表せ．
(4)数列$\{p_n\}$の一般項を求めよ．

次の問いに答えよ．

(1)関数$y=x^2-3x+7-3 |x-2|$のグラフをかけ．
(2)$a>0$とする．関数$y=(a-x)\sqrt{x} \ (0<x<a)$の最大値が$2$であるとき，$a$の値を求めよ．
(3)自然数$n$について，等式
\[ 1+2x+3x^2+\cdots +nx^{n-1}=\frac{1-(n+1)x^n+nx^{n+1}}{(1-x)^2} \]
が成り立つことを，数学的帰納法を用いて示せ．ただし，$x \neq 1$とする．
(4)$i$を虚数単位とする．等式$\displaystyle (2+3i)(5a-2i)=\frac{b}{1-i}$を満たす実数$a$と実数$b$の値を求めよ．
(5)次の不定積分を求めよ．
\[ (ⅰ) \int \frac{1}{\tan 4x} \, dx \qquad (ⅱ) \int x \sqrt{1-5x} \, dx \]

以下の問に答えよ．

(1)$25^3$を計算して，その答えを$A \times 10^3+625$の形に表したとき，$A$の値を求めよ．ただし，$A$は$0$以上の整数とする．
(2)$2$以上の自然数$n$に対して，$25^n$の下$3$桁は$625$になることを，数学的帰納法を用いて証明せよ．
(3)$25^{25}$の下$4$桁の数値を求めよ．

$n$を自然数とする．

(1)不等式
\[ \left( 1+\frac{2}{n} \right)^n \geqq 3 \]
が成り立つことを証明せよ．
(2)不等式
\[ (n+1)^{n-1}(n+2)^n \geqq 3^n(n!)^2 \]
が成り立つことを数学的帰納法により証明せよ．