$a \neq 1$に対して$A=\left( \begin{array}{cc}
0 & 1 \\
-a^2 & 2a
\end{array} \right)$とする．

(1)$E-A$の逆行列$B$を求めよ．ただし$E=\left( \begin{array}{cc}
1 & 0 \\
0 & 1
\end{array} \right)$とする．
(2)$n=1,\ 2,\ 3,\ \cdots$に対して，
\[ E+A+A^2+\cdots +A^n=B(E-A^{n+1}) \]
となることを示せ．
(3)$A^n=\left( \begin{array}{cc}
-(n-1)a^n & na^{n-1} \\
-na^{n+1} & (n+1)a^n
\end{array} \right) (n=1,\ 2,\ 3,\ \cdots)$を数学的帰納法を用いて示せ．
(4)$\displaystyle \sum_{k=1}^n ka^{k-1}$を求めよ．

$k=0,\ 1,\ 2,\ \cdots$に対して，$\displaystyle I_k=\int_0^{\log 2} (e^x-1)^k \, dx$とおく．

(1)$0 \leqq x \leqq \log 2$のとき，$\displaystyle 0 \leqq e^x-1 \leqq \frac{x}{\log 2}$が成り立つことを示せ．ただし，$e>2$であることを用いてよい．
(2)$I_k+I_{k+1}$を$k$を用いて表せ．
(3)$\displaystyle 1-\frac{1}{2}+\frac{1}{3}-\frac{1}{4}+\cdots +(-1)^n \frac{1}{n+1}=I_0+(-1)^n I_{n+1} (n=1,\ 2,\ 3,\ \cdots)$が成り立つことを示せ．
(4)$\displaystyle \lim_{n \to \infty} \sum_{k=0}^n (-1)^k \frac{1}{k+1}$を求めよ．

次の問に答えよ．

(1)$3$次関数$f(x)=x^3-x^2+12$の極値を求め，$y=f(x)$のグラフをかけ．
(2)数列$\{a_n\}$を
\[ a_1=2,\quad a_{n+1}=\frac{1}{12}({a_n}^3-{a_n}^2+12) \quad (n=1,\ 2,\ 3,\ \cdots) \]
で定めるとき，すべての自然数$n$に対して，$1<a_n<3$が成り立つことを示せ．
(3)$\{a_n\}$を$(2)$で定められた数列とするとき，すべての自然数$n$に対して，$a_{n+1}<a_n$が成り立つことを示せ．

$\triangle \mathrm{A}_1 \mathrm{B}_1 \mathrm{C}$は，$\mathrm{B}_1 \mathrm{C}=\sqrt{2}$，$\displaystyle \angle \mathrm{B}_1 \mathrm{A}_1 \mathrm{C}=\frac{\pi}{2}$，$\displaystyle \angle \mathrm{A}_1 \mathrm{B}_1 \mathrm{C}=\theta \left( 0<\theta<\frac{\pi}{2} \right)$を満たす．下図のように，点$\mathrm{A}_1$から辺$\mathrm{B}_1 \mathrm{C}$に下ろした垂線を$\mathrm{A}_1 \mathrm{B}_2$とし，点$\mathrm{B}_2$から辺$\mathrm{A}_1 \mathrm{C}$に下ろした垂線を$\mathrm{B}_2 \mathrm{A}_2$とする．次に，点$\mathrm{A}_2$から辺$\mathrm{B}_1 \mathrm{C}$に下ろした垂線を$\mathrm{A}_2 \mathrm{B}_3$とし，点$\mathrm{B}_3$から辺$\mathrm{A}_1 \mathrm{C}$に下ろした垂線を$\mathrm{B}_3 \mathrm{A}_3$とする．この操作を繰り返し，辺$\mathrm{A}_1 \mathrm{C}$上に点$\mathrm{A}_2$，$\mathrm{A}_3$，$\mathrm{A}_4$，$\cdots$を，辺$\mathrm{B}_1 \mathrm{C}$上に点$\mathrm{B}_2$，$\mathrm{B}_3$，$\mathrm{B}_4$，$\cdots$を定める．自然数$n$に対し，$\triangle \mathrm{A}_n \mathrm{B}_n \mathrm{B}_{n+1}$の面積を$S_n$とし，これらの面積の総和を$\displaystyle T=\sum_{n=1}^\infty S_n$とする．このとき，次の問いに答えよ．
（図は省略）

(1)$S_1=\sin \theta \cos^3 \theta$，$S_2=\sin^5 \theta \cos^3 \theta$を示し，一般項$S_n$を求めよ．

(2)$\displaystyle T=\frac{\sin \theta \cos \theta}{1+\sin^2 \theta}$を示せ．

(3)$\theta$が$\displaystyle 0<\theta<\frac{\pi}{2}$の範囲を動くとき，$T$の最大値を求めよ．

数列$\{a_n\}$は

$a_1=a_2=-1,$
$a_{n+2}-(n+2)a_{n+1}+na_n=(n^2+n+1)(n+1)! \quad (n=1,\ 2,\ 3,\ \cdots)$

をみたすとする．次の問いに答えよ．

(1)数学的帰納法を用いて，
\[ a_{n+1}-na_n=(n-1)(n+1)! \quad (n=1,\ 2,\ 3,\ \cdots) \]
が成り立つことを示せ．
(2)$\displaystyle b_n=\frac{a_n}{(n-1)!}$とおくとき，$(1)$を用いて数列$\{b_n\}$の一般項を求めよ．
(3)数列$\{a_n\}$の一般項を求めよ．

関数
\[ f(x)=\int_a^x \left( a+1-|t| \right) e^{-t} \, dt \]
を考える．次の問いに答えよ．ただし，$a$は正の定数とする．

(1)$x \geqq 0$と$x \leqq 0$の場合に，関数$f(x)$を求めよ．
(2)$x \geqq 0$のとき，関数$f(x)$の極値と変曲点を求めよ．
(3)$x \geqq 1$のとき，$e^x>x^2$となることを示せ．また，$\displaystyle g(x)=\int_a^x f(t) \, dt$とおくとき，$\displaystyle \lim_{x \to \infty}g(x)=\int_0^a |f(x)| \, dx$をみたす$a$の値を求めよ．

$0<r<R$とし，半径$R$の円に半径$r$の小円をいくつか外接させる．ただし，小円どうしは接するか互いに交わらないものとする（図参照）．このときの小円の個数の最大値を$n$としたとき，次の問に答えよ．必要ならば，下の数表（三角関数表）を用いてよい．
（図は省略）

$*$ 三角関数表は省略した．
(1)$R=3r$のとき，$n$を求めよ．
(2)$\displaystyle n \leqq \pi \left( \frac{R}{r}+1 \right)$を示せ．

$\mathrm{AB}=3$，$\mathrm{AD}=4$，$\mathrm{AE}=1$である図のような直方体$\mathrm{ABCD}$-$\mathrm{EFGH}$において，辺$\mathrm{CG}$，$\mathrm{CD}$，$\mathrm{AD}$をそれぞれ$1-p:p (0<p<1)$に分ける点を$\mathrm{X}$，$\mathrm{Y}$，$\mathrm{Z}$とする．点$\mathrm{X}$，$\mathrm{Y}$，$\mathrm{Z}$が作る平面を$L$，$L$と$2$点$\mathrm{A}$，$\mathrm{E}$を通る直線との交点，$2$点$\mathrm{E}$，$\mathrm{F}$を通る直線との交点，$2$点$\mathrm{F}$，$\mathrm{G}$を通る直線との交点をそれぞれ$\mathrm{U}$，$\mathrm{V}$，$\mathrm{W}$とする．$\overrightarrow{\mathrm{AB}}=\overrightarrow{a}$，$\overrightarrow{\mathrm{AD}}=\overrightarrow{b}$，$\overrightarrow{\mathrm{AE}}=\overrightarrow{c}$として以下の問に答えよ．
（図は省略）

(1)$\overrightarrow{\mathrm{AU}}$，$\overrightarrow{\mathrm{AV}}$，$\overrightarrow{\mathrm{AW}}$を$\overrightarrow{a}$，$\overrightarrow{b}$，$\overrightarrow{c}$を用いて表し，$\mathrm{U}$，$\mathrm{V}$，$\mathrm{W}$がそれぞれ辺$\mathrm{AE}$，$\mathrm{EF}$，$\mathrm{FG}$上にあることを示せ．
(2)六角形$\mathrm{UVWXYZ}$の面積はいくらか．

$a_1,\ a_2,\ a_3,\ b_1,\ b_2,\ b_3$をそれぞれ$1$から$9$までの整数とし，$a_1,\ a_2,\ a_3,\ b_1,\ b_2,\ b_3$の中に同じ数がいくつあってもよいとする．$[a_1a_2a_3]$は$3$桁の整数$a_1 \times 100+a_2 \times 10+a_3 \times 1$を表し，$[b_1b_2b_3]$は$3$桁の整数$b_1 \times 100+b_2 \times 10+b_3 \times 1$を表し，$[b_1b_2b_326]$は$5$桁の整数$b_1 \times 10000+b_2 \times 1000+b_3 \times 100+2 \times 10+6 \times 1$を表すとする．$p,\ q,\ r$を次の条件とする．

$p:[a_1a_2a_3]-1$は$50$で割り切れる．
$q:[b_1b_2b_326]$は$[a_1a_2a_3]$の$26$倍である．
$r:[b_1b_2b_3]$は整数の$2$乗ではない．

このとき，以下の問いに答えよ．

(1)命題「$q \Longrightarrow p$」が真であれば証明し，偽であれば反例をあげよ．
(2)条件$q$を満たす組$(a_1,\ a_2,\ a_3,\ b_1,\ b_2,\ b_3)$は何組あるか．
(3)命題「$q \Longrightarrow r$」が真であれば証明し，偽であれば反例をあげよ．

$A=\left( \begin{array}{cc}
\displaystyle\frac{3}{4} & \displaystyle\frac{1}{2} \\
\displaystyle\frac{1}{4} & \displaystyle\frac{1}{2}
\end{array} \right)$とし，行列$A$で表される$1$次変換を$f$とする．$f$によって点$\mathrm{P}(0,\ 1)$が点$\mathrm{P}_1(x_1,\ y_1)$に移されるとする．さらに，$n=1,\ 2,\ 3,\ \cdots$に対して，点$\mathrm{P}_n(x_n,\ y_n)$が$f$によって点$\mathrm{P}_{n+1}(x_{n+1},\ y_{n+1})$に移されるとする．

(1)すべての自然数$n$について，点$\mathrm{P}_n$は直線$x+y=1$上にあることを証明せよ．
(2)$x_{n+1}$を$x_n$の式で表せ．さらに，数列$\{x_n\}$の一般項を求めよ．
(3)$n$を限りなく大きくするとき，点$\mathrm{P}_n$が近づいていく点の座標を求めよ．