方程式$x^2+y^2+2kx-4ky+10k-20=0$の表す図形$C$を考える．ただし，$k$は実数とする．次の問いに答えよ．

(1)図形$C$は円であることを示せ．
(2)図形$C$は$k$がどのような値であっても定点を通る．その定点の座標を求めよ．
(3)図形$C$で囲まれる部分の面積の最小値を求めよ．
(4)図形$C$と直線$y=x-2$の共有点の個数を求めよ．

次の条件（イ），（ロ）によって定められる数列$\{a_n\}$がある．

（イ） $a_1=\sqrt{2}+1$
（ロ） $n=1,\ 2,\ 3,\ \cdots$に対し
\[ a_{n+1}=\left\{ \begin{array}{ll}
-\sqrt{2}a_n-1 & (a_n<10 \text{のとき}) \\
(\sqrt{2}-1)a_n+6 & (a_n>10 \text{のとき}) \phantom{\frac{[　]}{2}}
\end{array} \right. \]

次の問いに答えよ．

(1)$a_2,\ a_3,\ a_4,\ a_5$を求めよ．
(2)$n \geqq 5$のとき，$a_n>10$であることを示せ．
(3)$n \geqq 5$のとき，$a_n$を$n$の式で表せ．

$0 \leqq t<2\pi$とする．関数$f(x)=2x^2+(2+\sin t)x+\cos^2 t-2$について，次の問いに答えよ．

(1)$\displaystyle t=\frac{\pi}{2}$のとき，$y=f(x)$の最小値を求めよ．
(2)$t$がどのような値であっても，$y=f(x)$のグラフは$x$軸と異なる$2$つの共有点を持つことを示せ．
(3)$y=f(x)$のグラフが，$x$軸から切り取る線分の長さの最小値を求めよ．
(4)$(3)$のとき，$y=f(x)$のグラフと$x$軸で囲まれた部分の面積$S$を求めよ．

次の問いに答えよ．

(1)$\displaystyle |x+1|<\frac{1}{2},\ |y-2|<\frac{1}{3}$のとき
\[ |-8x^3+12xy+3y^2+4|<10 \]
を示せ．
次の$3$題$(2)$～$(4)$から$1$題選択して解答せよ．
(2)$12$個のサイコロを同時に投げたとき，$1$の目がちょうど$n$個出る確率を$P_n$とする．$P_n$は$n=2$のとき最大になることを示せ．
(3)$a$を正の整数とし，$p,\ q$を素数とする．このとき，$2$次方程式
\[ ax^2-px+q=0 \]
の$2$解が整数となるような組$(a,\ p,\ q)$をすべて求めよ．
(4)$\triangle \mathrm{ABC}$の辺$\mathrm{BC}$上に，異なる$2$点$\mathrm{X}$，$\mathrm{Y}$を，$\mathrm{BXYC}$の順に並ぶように選ぶ．$\mathrm{X}$を通り$\mathrm{AB}$に平行な直線と，$\mathrm{Y}$を通り$\mathrm{AC}$に平行な直線との交点を$\mathrm{P}$とし，直線$\mathrm{AP}$と辺$\mathrm{BC}$との交点を$\mathrm{Z}$とする．このとき
\[ \frac{\mathrm{CY}}{\mathrm{BX}}=\frac{\mathrm{YZ}}{\mathrm{XZ}} \]
となることを示せ．

関数$f(x)=nx^2-2(a_1+a_2+\cdots +a_n)x+({a_1}^2+{a_2}^2+\cdots +{a_n}^2)$を考える．ただし，$n$は正の整数で，$a_1,\ a_2,\ \cdots ,\ a_n$は実数である．次の問いに答えよ．

(1)$n=1$および$n=2$のとき，常に$f(x) \geqq 0$であることを示せ．
(2)すべての$n$に対し，常に$f(x) \geqq 0$であることを示せ．
(3)${(a_1+a_2+\cdots +a_n)}^2 \leqq n({a_1}^2+{a_2}^2+\cdots +{a_n}^2)$であることを示せ．
(4)${(a_1+a_2+\cdots +a_n)}^2=n({a_1}^2+{a_2}^2+\cdots +{a_n}^2)$であれば，$a_1,\ a_2,\ \cdots,\ a_n$はすべて等しいことを示せ．

$c$を実数として，次の条件（イ），（ロ）によって定められる数列$\{a_n\}$がある．

（イ） $a_1=0$
（ロ） $n=1,\ 2,\ 3,\ \cdots$に対し
\[ a_{n+1}=\left\{ \begin{array}{ll}
a_n+c & (a_n<5 \text{のとき}) \\
a_n-5 & (5 \leqq a_n<10 \text{のとき}) \\
2a_n-c+1 & (a_n \geqq 10 \text{のとき})
\end{array} \right. \]

次の問いに答えよ．

(1)$c=5$のとき，$\{a_n\}$を求めよ．
(2)$c=10$のとき，$\{a_n\}$を求めよ．
(3)$c<5$のとき，$a_n<10 (n=1,\ 2,\ 3,\ \cdots)$を示せ．
(4)$\displaystyle c=\frac{16}{3}$のとき，$a_n>1000$をみたす最小の$n$を求めよ．

関数$f(x)$はすべての実数$x$について
\[ f(x)=x+e^x \int_0^x e^{-t} f(t) \, dt \]
を満たす．

(1)$f(0)$の値を求めよ．
(2)$f^\prime(x)=2f(x)-x+1$が成り立つことを示せ．
(3)$g(x)=e^{-2x}f(x)$とする．$g^\prime(x)$を求めよ．
(4)$f(x)$を求めよ．

$a$を定数，$e$を自然対数の底とし，$\displaystyle f(x)=(a-x^2)e^{-\frac{x^2}{2}}$とおく．

(1)$x>0$のとき，不等式$\displaystyle e^x>1+x+\frac{x^2}{2}$が成り立つことを証明せよ．これを用いて$\displaystyle \lim_{x \to \infty}f(x)=0$を示せ．
(2)関数$f(x)$が$-1<x<2$においてちょうど$2$個の極値をもつように，定数$a$の値の範囲を定めよ．
(3)$a$は$(2)$で定めた範囲にあるとする．区間$(-\infty,\ \infty)$における$f(x)$の最大値と最小値を求めよ．

$2$つの関数$f(x)=x^2+4$，$g(x)=x^2$について，以下の問いに答えよ．

(1)曲線$y=f(x)$上の点$\mathrm{P}(a,\ f(a))$における接線の方程式を求めよ．
(2)$(1)$で求めた接線と，曲線$y=g(x)$との交点を$\mathrm{A}$，$\mathrm{B}$とする．曲線$y=g(x)$の，点$\mathrm{A}$における接線と点$\mathrm{B}$における接線との交点を$\mathrm{C}$とする．点$\mathrm{C}$の座標を求めよ．また，点$\mathrm{C}$は曲線$y=x^2-4$上にあることを示せ．
(3)直線$\mathrm{AB}$と曲線$y=g(x)$で囲まれた部分の面積は，$a$の値によらずに一定であることを示せ．

$a$を定数とし，$\displaystyle 0<a<\frac{\pi}{2}$とする．媒介変数$t$を用いて
\[ \left\{ \begin{array}{l}
x=\cos^3 t \\
y=\sin^3 t \phantom{2^{\mkakko{}}} \!\!\!\!\!\!\!\!\!\!
\end{array} \right. \left( 0 \leqq t \leqq \frac{\pi}{2} \right) \]
と表される曲線を$C$とする．また，$C$の$0 \leqq t \leqq a$の部分の長さを$L$とする．

(1)$L$を$a$を用いて表せ．ただし，$L$は$\displaystyle L=\int_0^a \sqrt{\left( \frac{dx}{dt} \right)^2+\left( \frac{dy}{dt} \right)^2} \, dt$と表される．
(2)曲線$C$上の点$\mathrm{P}(\cos^3 a,\ \sin^3 a)$における接線$\ell$の方程式を求めよ．また，$\ell$と$x$軸の交点$\mathrm{Q}$の座標を求めよ．
(3)$(2)$の$2$点$\mathrm{P}$，$\mathrm{Q}$間の距離を$M$とするとき，$\displaystyle L=\frac{3}{2}M$が成り立つことを示せ．