$r$と$\theta$を$-1<r<1,\ 0 \leqq \theta < 2\pi$を満たす定数とする．行列$A=r \left( \begin{array}{rr}
\cos \theta & -\sin \theta \\
\sin \theta & \cos \theta
\end{array} \right)$，$E=\left( \begin{array}{cc}
1 & 0 \\
0 & 1
\end{array} \right)$に対して，次の各問に答えよ．

(1)行列$E-A$は逆行列を持つことを証明し，$(E-A)^{-1}$を求めよ．
(2)全ての自然数$n$について
\[ A^n=r^n \left( \begin{array}{rr}
\cos n \theta & -\sin n \theta \\
\sin n \theta & \cos n \theta
\end{array} \right) \]
が成立することを数学的帰納法を用いて証明せよ．
(3)$n$を2以上の自然数とする．$(E+A+\cdots +A^{n-1})(E-A)$を簡単な式にせよ．
(4)次の極限値を求めよ．
\[ ① \quad \lim_{n \to \infty}\sum_{k=0}^{n-1}r^k \cos k\theta ② \lim_{n \to \infty}\sum_{k=0}^{n-1}r^k \sin k\theta \]

数列$\{a_n\},\ \{b_n\}$が
\begin{align}
& a_n=-1+\log \left( 1-\frac{1}{1+ne} \right) \nonumber \\
& b_n=\log (n^2-3n+3)-\log (1+ne) \nonumber
\end{align}
で定められている．ここで$\log$は自然対数，$e$はその底である．このとき，次の問いに答えよ．

(1)$a_n \geqq b_n$を満たす自然数$n$をすべて求めよ．
(2)極限値$\displaystyle \lim_{n \to \infty}(b_n-\log n)$を求めよ．

自然数$n$に対して，関数$f_n(x)$を次のように定義する．
\[ f_n(x)=(\sin x+\sin 2x+\cdots +\sin nx)\sin \frac{x}{2} \]
次の問いに答えよ．

(1)方程式$f_2(x)=0$の実数解$x$で，$0<x<\pi$を満たすものを求めよ．
(2)定積分$\displaystyle \int_0^\pi f_{50}(x) \, dx$を求めよ．

2次の正方行列$A=\left( \begin{array}{cc}
a & 3b \\
0 & b
\end{array} \right)$，$B=\left( \begin{array}{cc}
a & b \\
0 & b
\end{array} \right)$に対して以下の問いに答えよ．ただし，$n$を自然数とし，$a \neq 0,\ b \neq 0$とする．

(1)$AB^{-1}$を求めよ．
(2)$(AB^{-1})^n$を求めよ．
(3)$P(AB^{-1})^n=\left( \begin{array}{cc}
8 & 3 \\
1 & 2
\end{array} \right)$が成り立つとき，行列$P$を求めよ．

以下の問いに答えよ．

(1)$n$を自然数とするとき，次の不等式を証明せよ．
\[ -\frac{1}{n}+\frac{1}{(n+1)^2}<-\frac{1}{n+1} \]
(2)(1)の結果を利用して，すべての自然数$n$に対して次の不等式が成り立つことを数学的帰納法を用いて証明せよ．
\[ 1+\frac{1}{2^2}+\frac{1}{3^2}+\cdots +\frac{1}{(n+1)^2}<2-\frac{1}{n+1} \]

$\displaystyle I_n=\int_0^c \sin^n x \cos^5 x \, dx$，$\displaystyle J_n=\int_0^c \sin^n x \cos x \, dx$，$K_n=J_n-J_{n+2}$とおくとき，次の問いに答えよ．ただし，$n$は自然数であり，$c$は正の定数である．

(1)$I_n$を$K_n$と$K_{n+2}$を用いて表せ．
(2)$\displaystyle A_n=\sum_{m=1}^n I_m$を$K_1,\ K_2,\ K_{n+1},\ K_{n+2}$を用いて表せ．
(3)$\displaystyle c=\frac{\pi}{2}$のとき，$\displaystyle K_n=\frac{2}{(n+a_1)(n+a_2)}$となる定数$a_1$と$a_2$を求めよ．ただし，$a_1<a_2$とする．
(4)$\displaystyle c=\frac{\pi}{2}$のとき，$\displaystyle \lim_{n \to \infty} \alpha(A_n+\beta)n^2=1$となる定数$\alpha$と$\beta$を求めよ．

座標平面において，曲線$y=e^x$を$C$とし，点$(1,\ 0)$を$\mathrm{P}_1$，点$\mathrm{P}_1$を通り$x$軸に垂直な直線と$C$との交点を$\mathrm{Q}_1$とする．

点$\mathrm{Q}_1$における$C$の接線と$x$軸との交点を$\mathrm{P}_2$，点$\mathrm{P}_2$を通り$x$軸に垂直な直線と$C$との交点を$\mathrm{Q}_2$とする．さらに，点$\mathrm{Q}_2$における$C$の接線と$x$軸との交点を$\mathrm{P}_3$，点$\mathrm{P}_3$を通り$x$軸に垂直な直線と$C$との交点を$\mathrm{Q}_3$とする．
以下同様の操作を繰り返し，$x$軸上の点列$\mathrm{P}_1,\ \mathrm{P}_2,\ \mathrm{P}_3,\ \cdots$と曲線$C$上の点列$\mathrm{Q}_1,\ \mathrm{Q}_2,\ \mathrm{Q}_3,\ \cdots$を定める．
また，各自然数$n$について，曲線$C$と$2$つの線分$\mathrm{Q}_n \mathrm{P}_{n+1}$，$\mathrm{P}_{n+1} \mathrm{Q}_{n+1}$で囲まれた図形の面積を$S_n$として，数列
\[ S_1,\ S_2,\ \cdots,\ S_n,\ \cdots \]
を定める．次の各問に答えよ．


(1)$S_1$を求めよ．
(2)点$\mathrm{P}_n$の座標を求めよ．
(3)無限級数
\[ S_1+S_2+\cdots +S_n+\cdots \]
の和を求めよ．

$1,\ 2,\ 3$の$3$種類の数字を使ってできる正の整数を小さい方から順に並べた列を$(S)$とする：
\[ (S):\qquad 1,\ 2,\ 3,\ 11,\ 12,\ 13,\ 21,\ 22,\ 23,\ 31,\ \cdots \]
さらに，この列の区切りをなくして，すべての数字を一列に並べたものを$(T)$とする：
\[ (T):\qquad 12311121321222331 \cdots \]
次の各問に答えよ．

(1)$(S)$において，$12$は$5$番目の整数である．$312$は何番目の整数になるか求めよ．
(2)$(S)$において，$2010$番目の整数を求めよ．
(3)$(T)$において，初めて$2$が$3$個連続して並ぶ部分の最初の$2$は$12$番目の数字である．初めて$1$が$2n+1$個連続して並ぶ部分の最初の$1$は何番目の数字になるか求めよ．ただし，$n$は自然数とする．

$\mathrm{A}$，$\mathrm{B}$，$\mathrm{C}$のいずれかの状態をとる粒子があり，その状態は次のように変化していく．

\mon[(イ)] 状態$\mathrm{A}$であるとき，$1$秒後に状態$\mathrm{A}$，状態$\mathrm{B}$である確率はともに$\displaystyle \frac{1}{2}$である．
\mon[(ロ)] 状態$\mathrm{B}$であるとき，$1$秒後に状態$\mathrm{B}$である確率は$\displaystyle \frac{1}{3}$であり，状態$\mathrm{C}$である確率は$\displaystyle \frac{2}{3}$である．
\mon[(ハ)] 状態$\mathrm{C}$となったときは，その後は変化なく$\mathrm{C}$の状態が続く．

粒子は最初状態$\mathrm{A}$であるとし，$n$秒後に状態$\mathrm{A}$，状態$\mathrm{B}$，状態$\mathrm{C}$である確率をそれぞれ$P_n,\ Q_n,\ R_n$とする．次の問いに答えよ．ただし，$m,\ n$は自然数とする．

(1)$R_n$を求めよ．
(2)異なる$m,\ n$で$Q_m=Q_n$となることはあるか．
(3)$P_m=Q_n$となることはあるか．

$2$次の多項式$f(x)$の係数はいずれも負でない整数であり，$f(1)=15$，$f(2)=33$であるとする．さらに，自然数$n$に対して$f(1)+\cdots +f(n)$はつねに$n$で割り切れるものとする．このような$f(x)$をすべて求めよ．