$s,\ t$を実数とし，行列$A=\left( \begin{array}{cc}
s & t \\
-2 & 6
\end{array} \right),\ E=\left( \begin{array}{cc}
1 & 0 \\
0 & 1
\end{array} \right)$とする．$P=-A+4E$に対して，$P^2=P$が成り立つとする．

(1)$s,\ t$の値を求めよ．
(2)$a,\ b$を相異なる実数とする．$AP \left( \begin{array}{c}
a \\
b
\end{array} \right)=\lambda P \left( \begin{array}{c}
a \\
b
\end{array} \right)$を満たす実数$\lambda$の値を求めよ．
(3)数列$\{x_n\},\ \{y_n\}$を$ \left( \begin{array}{c}
x_1 \\
y_1
\end{array} \right)=P \left( \begin{array}{c}
2 \\
1
\end{array} \right)$．$ \left( \begin{array}{c}
x_n \\
y_n
\end{array} \right)=A^{n-1} \left( \begin{array}{c}
x_1 \\
y_1
\end{array} \right) \ (n=2,\ 3,\ 4,\ \cdots)$と定める．数列$\{x_n\},\ \{y_n\}$の一般項を求めよ．

行列$A=\left( \begin{array}{cc}
1 & 1 \\
0 & 2
\end{array} \right)$について，以下の問いに答えなさい．

(1)$A^2$と$A^3$を求めなさい．
(2)自然数$n$に対して$A^n$を推測し，それを数学的帰納法により証明しなさい．

$C_1$を中心$(0,\ 0)$，半径$1$の円とし，$C_2$を中心$(0,\ 0)$，半径$r>1$の円とする．$ad-bc>0$を満たす行列$A=\left( \begin{array}{cc}
a & b \\
c & d
\end{array} \right)$で表される$1$次変換により円$C_1$が円$C_2$に移るとする．次の問いに答えよ．

(1)$a^2+c^2=b^2+d^2=r^2,\ ab+cd=0$が成り立つことを示せ．
(2)$a=r \cos \theta,\ c=r \sin \theta \ (\theta \text{は実数})$とおくとき，$b,\ d$を$r,\ \theta$を用いて表せ．
(3)$B=\displaystyle\frac{1}{r} \left( \begin{array}{cc}
a & b \\
c & d
\end{array} \right)$とする．また，$C_1$に外接し，$C_2$に内接する$8$個の相異なる円$S_1,\ S_2,\ \cdots,\ S_8$が次の$3$条件$(ⅰ),\ (ⅱ),\ (ⅲ)$を満たしているとする．このとき，$r$を求めよ．

(i) 行列$B$で表される$1$次変換により$S_i \ (i=1,\ 2,\ \cdots,\ 7)$は$S_{i+1}$に，$S_8$は$S_1$に移る．
(ii) $S_{i+1} \ (i=1,\ 2,\ \cdots,\ 7)$は$S_i$に外接し，$S_8$は$S_1$にも外接する．
(iii) $S_1$は$S_3,\ S_4,\ \cdots, S_7$と交わらない．

$2$次正方行列
\[ A=\left( \begin{array}{cc}
\displaystyle\frac{1+3 \sqrt{3}}{2} & -\sqrt{3} \\
\displaystyle\frac{5 \sqrt{3}}{2} & \displaystyle\frac{1-3 \sqrt{3}}{2}
\end{array} \right),\quad B=\left( \begin{array}{cc}
1 & 1 \\
2 & 1
\end{array} \right) \]
について，次の問に答えよ．

(1)$A,\ B$は逆行列をもつことを示し，$A^{-1},\ B^{-1}$を求めよ．
(2)$B^{-1}A^{-1}B,\ (B^{-1}A^{-1}B)^3$を求めよ．
(3)$A^7BX=B$をみたす$2$次正方行列$X$を求めよ．
(4)$(3)$の行列$X$について
\[ E+X^5+X^{10}+X^{15}+X^{20}+X^{25}=O \]
が成り立つことを示せ．ただし$E$は$2$次の単位行列，$O$は零行列とする．

$a,\ b$は実数で$b>0$とする．行列
\[ A=\left( \begin{array}{cc}
a & b \\
-b & 1-a
\end{array} \right),\quad B=\left( \begin{array}{cc}
0 & 1 \\
1 & 0
\end{array} \right) \]
が$ABAB=E$を満たしている．ただし$E$は2次の単位行列とする．次の問いに答えよ．

(1)$b$を$a$の式で表せ．
(2)$n$を自然数とする．$A^n=E$を満たす最小の$n$を求めよ．
(3)座標平面上において，$a=2$のとき行列$A$の表す1次変換を$f$とおく．点$\mathrm{P}(1,\ 1)$が$f$によって移る点を$\mathrm{Q}$とし，$\mathrm{Q}$が$f$によって移る点を$\mathrm{R}$とする．このとき$\triangle \mathrm{PQR}$の面積$S$を求めよ．

2次正方行列
\[ A=\left( \begin{array}{cc}
\displaystyle\frac{1+3 \sqrt{3}}{2} & -\sqrt{3} \\
\displaystyle\frac{5 \sqrt{3}}{2} & \displaystyle\frac{1-3 \sqrt{3}}{2}
\end{array} \right),\quad B=\left( \begin{array}{cc}
1 & 1 \\
2 & 1
\end{array} \right) \]
について，次の問に答えよ．

(1)$A,\ B$は逆行列をもつことを示し，$A^{-1},\ B^{-1}$を求めよ．
(2)$B^{-1}A^{-1}B,\ (B^{-1}A^{-1}B)^3$を求めよ．
(3)$A^7BX=B$をみたす2次正方行列$X$を求めよ．
(4)(3)の行列$X$について
\[ E+X^5+X^{10}+X^{15}+X^{20}+X^{25}=O \]
が成り立つことを示せ．ただし$E$は2次の単位行列，$O$は零行列とする．

$A$を実数を成分とする行列
\[ A=\left( \begin{array}{cc}
a & b \\
c & d
\end{array} \right) \]
とし，任意の実数$x$に対して，行列$(xE-A)$を考える．ただし，$E$は$2 \times 2$の単位行列とする．相異なる実数$\alpha,\ \beta$に対して，行列$(\alpha E-A)$，$(\beta E-A)$は逆行列を持たないとき，次の問に答えよ．

(1)$\alpha+\beta=a+d,\ \alpha\beta=ad-bc$であることを示せ．また，$x \neq \alpha,\ x \neq \beta$のとき，$(xE-A)$は逆行列を持つことを示せ．
(2)$x \neq \alpha,\ x \neq \beta$のとき，$(xE-A)$の逆行列の$(i,\ j)$成分を
\[ a_{ij}(x),\quad (i=1,\ 2 \;;\; j=1,\ 2) \]
と表し，
\[ b_{ij}=\lim_{x \to \alpha}x^2(x-\alpha)a_{ij}(x)+\lim_{x \to \beta}x^2(x-\beta)a_{ij}(x) \]
とする．このとき，行列$\left( \begin{array}{cc}
b_{11} & b_{12} \\
b_{21} & b_{22}
\end{array} \right)$を$A$を用いて表せ．

行列$A=\left( \begin{array}{cc}
2 & -3 \\
3 & 2
\end{array} \right)$で表される1次変換を$f$とする．$f$によって，点$\mathrm{P}_0(1,\ 0)$が移る点を$\mathrm{P}_1(x_1,\ y_1)$，正の整数$n$に対して点$\mathrm{P}_n(x_n,\ y_n)$が移る点を$\mathrm{P}_{n+1}(x_{n+1},\ y_{n+1})$とする．原点を$\mathrm{O}$として，以下の問いに答えよ．

(1)$\cos \angle \mathrm{P}_n \mathrm{OP}_{n+1}$の値を求めよ．
(2)2以上の整数$n$で，直線$\mathrm{OP}_n$が線分$\mathrm{P}_0 \mathrm{P}_1$と交わる最小の$n$を求めよ．
(3)$i$を虚数単位とする．0でない整数$n$に対して，実数$a_n,\ b_n$を$(2+3i)^n=a_n+b_ni$により定める．このとき次の等式
\[ A^n=\left( \begin{array}{cc}
a_n & -b_n \\
b_n & a_n
\end{array} \right) \]
が0でないすべての整数$n$に対して成り立つことを証明せよ．ただし，正の整数$m$に対し$A^{-m}=(A^m)^{-1}$とする．

座標平面上の点を，原点のまわりに角$\theta$だけ回転移動させる一次変換を表す$2$行$2$列の行列を$A$とする．以下の問いに答えよ．

(1)座標平面上の点$\mathrm{P}_0(a,\ b)$が$A$によって変換された点を点$\mathrm{P}_1$とする．$2$点$\mathrm{P}_0$，$\mathrm{P}_1$の間の長さを求めよ．
(2)$A^n=E$となる条件を示せ．ただし，$n$は$2$以上の整数，$0 \leqq \theta \leqq \pi$，$E$は単位行列とする．
(3)座標平面上の点$\mathrm{P}_0(a,\ b)$が$A$によって$l$回変換された点を点$\mathrm{P}_l$とする．点$\mathrm{P}_0$が$A$によって$n$回変換されると，原点の周りを$1$周して元の点$\mathrm{P}_0$に戻るとする．$n$個の点$\mathrm{P}_0$，$\mathrm{P}_1$，$\cdots$，$\mathrm{P}_{n-1}$で囲まれた$n$角形の面積$S_n$を求めよ．また，$\displaystyle \lim_{x \to 0}\frac{\sin x}{x}=1$を用いて，$\displaystyle \lim_{n \to \infty}S_n$を求めよ．
(4)座標平面上の点を，原点からの方向を変えずに距離を$k$倍する一次変換を表す$2$行$2$列の行列を$B$とする．座標平面上の点$\mathrm{Q}_{i-1}$が一次変換$AB$によって点$\mathrm{Q}_i$に移るとする．点$\mathrm{Q}_0$を$(c_0,\ d_0)$とするとき，$2$点$\mathrm{Q}_{i-1}$，$\mathrm{Q}_i$の間の長さ$m_i$を$k,\ \theta,\ c_0,\ d_0$を用いて表せ．

行列$A=\left( \begin{array}{cc}
-2 & 2 \\
2 & 1
\end{array} \right)$に対して
\[ X=-\frac{1}{5}(A-2E),\quad Y=\frac{1}{5}(A+3E) \]
とおく．ただし，$E$は$2$次の単位行列とする．

(1)$XY,\ YX,\ X^2,\ Y^2$を計算せよ．
(2)$A=aX+bY$を満たす実数$a,\ b$を求めよ．
(3)自然数$n$に対して$A^n$を求めよ．