正四面体$\mathrm{OABC}$において，点$\mathrm{P}$，$\mathrm{Q}$，$\mathrm{R}$をそれぞれ辺$\mathrm{OA}$，$\mathrm{OB}$，$\mathrm{OC}$上にとる．ただし$\mathrm{P}$，$\mathrm{Q}$，$\mathrm{R}$は四面体$\mathrm{OABC}$の頂点とは異なるとする．$\triangle \mathrm{PQR}$が正三角形ならば，$3$辺$\mathrm{PQ}$，$\mathrm{QR}$，$\mathrm{RP}$はそれぞれ$3$辺$\mathrm{AB}$，$\mathrm{BC}$，$\mathrm{CA}$に平行であることを証明せよ．

次の命題(p)，(q)のそれぞれについて，正しいかどうか答えよ．正しければ証明し，正しくなければ反例を挙げて正しくないことを説明せよ．

\mon[(p)] 正$n$角形の頂点から$3$点を選んで内角の$1$つが$60^\circ$である三角形を作ることができるならば，$n$は$3$の倍数である．
\mon[(q)] $\triangle \mathrm{ABC}$と$\triangle \mathrm{A}^\prime \mathrm{B}^\prime \mathrm{C}^\prime$において，$\mathrm{AB}=\mathrm{A}^\prime \mathrm{B}^\prime$，$\mathrm{BC}=\mathrm{B}^\prime \mathrm{C}^\prime$，$\angle \mathrm{A}=\angle \mathrm{A}^\prime$ならば，これら$2$つの三角形は合同である．

正四面体$\mathrm{OABC}$において．点$\mathrm{P}$，$\mathrm{Q}$，$\mathrm{R}$をそれぞれ辺$\mathrm{OA}$，$\mathrm{OB}$，$\mathrm{OC}$上にとる．ただし$\mathrm{P}$，$\mathrm{Q}$，$\mathrm{R}$は四面体$\mathrm{OABC}$の頂点とは異なるとする．$\triangle \mathrm{PQR}$が正三角形ならば，3辺$\mathrm{PQ}$，$\mathrm{QR}$，$\mathrm{RP}$はそれぞれ3辺$\mathrm{AB}$，$\mathrm{BC}$，$\mathrm{CA}$に平行であることを証明せよ．

次の各問に答えよ．

(1)$\sqrt[3]{2}$が無理数であることを証明せよ．
(2)$P(x)$は有理数を係数とする$x$の多項式で，$P(\sqrt[3]{2})=0$を満たしているとする．このとき$P(x)$は$x^3-2$で割り切れることを証明せよ．

次の命題(p)，(q)のそれぞれについて，正しいかどうか答えよ．正しければ証明し，正しくなければ反例を挙げて正しくないことを説明せよ．

\mon[(p)] 正$n$角形の頂点から$3$点を選んで内角の$1$コが$60^\circ$である三角形を作ることができるならば，$n$は$3$の倍数である．
\mon[(q)] $\triangle \mathrm{ABC}$と$\triangle \mathrm{ABD}$において，$\mathrm{AC}<\mathrm{AD}$かつ$\mathrm{BC}<\mathrm{BD}$ならば．$\angle \mathrm{C} > \angle \mathrm{D}$である．

$\mathrm{A}$と$\mathrm{B}$の$2$チームが試合を行い，どちらかが先に$k$勝するまで試合をくり返す．各試合で$\mathrm{A}$が勝つ確率を$p$，$\mathrm{B}$が勝つ確率を$q$とし，$p+q=1$とする．$\mathrm{A}$が$\mathrm{B}$より先に$k$勝する確率を$P_k$とおく．

(1)$P_2$を$p$と$q$で表せ．
(2)$P_3$を$p$と$q$で表せ．
(3)$\displaystyle\frac{1}{2} < q < 1$のとき，$P_3 < P_2$であることを示せ．

$m,\ p$を3以上の奇数とし，$m$は$p$で割り切れないとする．

(1)$(x-1)^{101}$の展開式における$x^2$の項の係数を求めよ．
(2)$(p-1)^m+1$は$p$で割り切れることを示せ．
(3)$(p-1)^m+1$は$p^2$で割り切れないことを示せ．
(4)$r$を正の整数とし，$s=3^{r-1}m$とする．$2^s+1$は$3^r$で割り切れることを示せ．

四角形$\mathrm{ABCD}$は平行四辺形ではないとし，辺$\mathrm{AB}$，$\mathrm{BC}$，$\mathrm{CD}$，$\mathrm{DA}$の中点をそれぞれ$\mathrm{P}$，$\mathrm{Q}$，$\mathrm{R}$，$\mathrm{S}$とする．

(1)線分$\mathrm{PR}$の中点$\mathrm{K}$と線分$\mathrm{QS}$の中点$\mathrm{L}$は一致することを示せ．
(2)線分$\mathrm{AC}$の中点$\mathrm{M}$と線分$\mathrm{BD}$の中点$\mathrm{N}$を結ぶ直線は点$\mathrm{K}$を通ることを示せ．

$2\times2$行列$P=\biggl( \begin{array}{cc}
p & q \\
r & s
\end{array} \biggr)$に対して
\[ \mathrm{Tr}(P)=p+s \]
と定める．\\
\quad $a$，$b$，$c$は$a\geqq b>0$，$0\leqq c\leqq1$を満たす実数とする．行列$A$，$B$，$C$，$D$を次で定める．
\[ A=\biggl( \begin{array}{cc}
a & 0 \\
0 & b
\end{array} \biggr),\ B= \biggl( \begin{array}{cc}
b & 0 \\
0 & a
\end{array} \biggr),\ C= \biggl( \begin{array}{cc}
a^c & 0 \\
0 & b^c
\end{array} \biggr),\ D= \biggl( \begin{array}{cc}
b^{1-c} & 0 \\
0 & a^{1-c}
\end{array} \biggr) \]
また実数$x$に対し$U(x)= \biggl( \begin{array}{cc}
\cos x & -\sin x \\
\sin x & \cos x
\end{array} \biggr)$とする．このとき以下の問いに答えよ．

(1)各実数$t$に対して，$x$の関数
\[ f(x)=\mathrm{Tr}\Biggl(\Bigl(U(t)AU(-t)-B \Bigr)U(x) \biggl( \begin{array}{rr}
1 & 0 \\
0 & -1
\end{array} \biggr)U(-x)\Biggr) \]
の最大値$m(t)$を求めよ．(ただし，最大値をとる$x$を求める必要はない．)
(2)すべての実数$t$に対し
\[ 2\mathrm{Tr}(U(t)CU(-t)D)\geqq \mathrm{Tr}(U(t)AU(-t)+B)-m(t) \]
が成り立つことを示せ．

関数$f(x)$を
\[ f(x) = \left| \,2\, \cos^2 x -2\sqrt{3} \, \sin x \, \cos x - \sin x + \sqrt{3}\, \cos x - \frac{5}{4} \, \right| \]
と定める．以下の問いに答えよ．

(1)$t=-\sin x + \sqrt{3} \cos x$とおく．$f(x)$を$t$の関数として表せ．
(2)$x$が$0 \leqq x \leqq 90^\circ$の範囲を動くとき，$t$のとりうる値の範囲を求めよ．
(3)$x$が$0 \leqq x \leqq 90^\circ$の範囲を動くとき，$f(x)$のとりうる値の範囲を求めよ．また，$f(x)$が最大値をとる$x$は，$60^\circ < x< 75^\circ$を満たすことを示せ．