四面体$\mathrm{ABPQ}$は$\mathrm{AP}=\mathrm{AQ}=3$，$\mathrm{BP}=\mathrm{BQ}=2 \sqrt{2}$，$\displaystyle \mathrm{PQ}=\frac{12}{5}$，$\displaystyle \angle \mathrm{APB}=\frac{\pi}{4}$を満たすとする．点$\mathrm{P}$から直線$\mathrm{AB}$に下ろした垂線を$\mathrm{PH}$とする．

(1)線分$\mathrm{PH}$の長さを求めよ．
(2)$\angle \mathrm{PHQ}$の大きさを$\theta$とする．$\sin \theta$の値を求めよ．
(3)$2$つのベクトル$\overrightarrow{\mathrm{AB}}$と$\overrightarrow{\mathrm{PQ}}$は垂直であることを証明せよ．
(4)四面体$\mathrm{ABPQ}$の体積を求めよ．

次の問いに答えよ．

(1)$x>0$のとき，不等式$2-x<(2+x)e^{-x}$が成り立つことを証明せよ．
(2)定積分$\displaystyle \int_0^{\frac{1}{2}} (2-x) \, dx$および$\displaystyle \int_0^{\frac{1}{2}} (2+x)e^{-x} \, dx$の値を求めよ．
(3)$(1)$と$(2)$を用いて，不等式$\displaystyle \frac{3}{5}<e^{-\frac{1}{2}}<\frac{17}{28}$が成り立つことを証明せよ．

$1$以上の整数$p,\ q$に対し，$\displaystyle B(p,\ q)=\int_0^1 x^{p-1}(1-x)^{q-1} \, dx$とおく．次の問いに答えよ．

(1)$B(p,\ q)=B(q,\ p)$が成り立つことを示せ．
(2)関係式
\[ B(p,\ q+1)=\frac{q}{p} B(p+1,\ q) \qquad B(p+1,\ q)+B(p,\ q+1)=B(p,\ q) \]
が成り立つことを示せ．
(3)関係式
\[ B(p+1,\ q)=\frac{p}{p+q} B(p,\ q) \qquad B(p,\ q+1)=\frac{q}{p+q} B(p,\ q) \]
が成り立つことを示せ．
(4)$B(5,\ 4)$を求めよ．

$1$以上の整数$p,\ q$に対し，$\displaystyle B(p,\ q)=\int_0^1 x^{p-1}(1-x)^{q-1} \, dx$とおく．次の問いに答えよ．

(1)$B(p,\ q)=B(q,\ p)$が成り立つことを示せ．
(2)関係式
\[ B(p+1,\ q)=\frac{p}{p+q} B(p,\ q) \qquad B(p,\ q+1)=\frac{q}{p+q} B(p,\ q) \]
が成り立つことを示せ．
(3)$B(5,\ 4)$を求めよ．

$A$は$3$桁の自然数で，その百の位の数$x$，十の位の数$y$，一の位の数$z$は，
\[ 100x+10y+z=x!+y!+z! \]
を満たしている．

(1)$6!$の値を求め，$x,\ y,\ z$はすべて$5$以下であることを示せ．
(2)$x$は$3$以下であることを示せ．
(3)$y,\ z$のうち少なくとも$1$つは$5$であることを示せ．
(4)$A$を求めよ．

$x$の$2$次方程式$(*) x^2-2ax+2ab-b^2=0$について，以下の問いに答えよ．ただし，$a,\ b$は実数とする．

(1)$(*)$は実数解のみをもつことを証明せよ．
(2)$1$個のさいころを$2$回投げて出た目の数を順に$a,\ b$とする．この$a,\ b$に対して$(*)$を考え，

「$(*)$は符号の異なる$2$つの解をもつ」という事象を$A$，
「$(*)$の$2$つの解の差の絶対値は$6$以下である」という事象を$B$

とする．ただし，$(*)$が重解をもつときは$(*)$の$2$つの解の差は$0$と考える．このとき，事象$A,\ B$および和事象$A \cup B$の確率$P(A)$，$P(B)$および$P(A \cup B)$をそれぞれ求めよ．

平面上に異なる$3$点$\mathrm{A}(\overrightarrow{a})$，$\mathrm{B}(\overrightarrow{b})$，$\mathrm{C}(\overrightarrow{c})$がある．線分$\mathrm{AB}$，$\mathrm{BC}$を$m:n$に内分する点をそれぞれ$\mathrm{P}(\overrightarrow{p})$，$\mathrm{Q}(\overrightarrow{q})$とする．さらに線分$\mathrm{PQ}$を$m:n$に内分する点を$\mathrm{R}(\overrightarrow{r})$とする．$\displaystyle t=\frac{m}{m+n} (0<t<1)$とするとき，下の問いに答えよ．

(1)$\overrightarrow{r}$を$\overrightarrow{a}$，$\overrightarrow{b}$，$\overrightarrow{c}$および$t$を用いて表せ．
(2)$1$辺の長さが$1$の正三角形$\mathrm{ABC}$の頂点$\mathrm{A}$，$\mathrm{B}$，$\mathrm{C}$に対し，上のように点$\mathrm{R}$をとる．直線$\mathrm{AC}$に対して点$\mathrm{B}$と対称な位置にある点を$\mathrm{O}$とする．点$\mathrm{R}$は，点$\mathrm{O}$を中心とし半径$\mathrm{OA}$の円の外部にあることを示せ．

次の条件によって定められる数列$\{a_n\}$を考える．
\[ a_1=0,\quad a_{n+1}=\frac{2n(n+1)}{3n-a_n} \quad (n=1,\ 2,\ 3,\ \cdots) \]
このとき，以下の問いに答えよ．

(1)不等式$a_n<n$を数学的帰納法によって証明せよ．
(2)数列$\{b_n\}$を$\displaystyle b_n=\frac{n}{n-a_n} (n=1,\ 2,\ 3,\ \cdots)$で定める．$b_{n+1}$を$b_n$を用いて表せ．
(3)数列$\{b_n\}$の一般項を求めよ．
(4)数列$\{a_n\}$の一般項を求めよ．
(5)極限$\displaystyle \lim_{n \to \infty}\frac{a_n}{n}$および$\displaystyle \lim_{n \to \infty} \frac{a_2a_3a_4 \cdots a_n}{n!}$を求めよ．

行列$A=\left( \begin{array}{cc}
3 & 1 \\
-1 & 1
\end{array} \right)$について，以下の問いに答えよ．

(1)$A \left( \begin{array}{c}
1 \\
a
\end{array} \right)=k \left( \begin{array}{c}
1 \\
a
\end{array} \right)$を満たす実数$a,\ k$の値を求めよ．
(2)行列$P=\left( \begin{array}{cc}
1 & p \\
q & 0
\end{array} \right)$が$AP=P \left( \begin{array}{cc}
r & 1 \\
0 & r
\end{array} \right)$を満たすとき，実数$p,\ q,\ r$の値を求めよ．
(3)自然数$n$に対して，行列$B=\left( \begin{array}{cc}
\alpha & 1 \\
0 & \alpha
\end{array} \right)$の$n$個の積$B^n$が
\[ B^n=\left( \begin{array}{cc}
\alpha^n & n \alpha^{n-1} \\
0 & \alpha^n
\end{array} \right) \]
となることを証明せよ．ただし，$\alpha$は$0$と異なる実数とする．
(4)自然数$n$に対して，$A$の$n$個の積$A^n$を求めよ．
(5)自然数$n$に対して，実数$x_n,\ y_n$を$A^n=x_nA+y_nE$を満たすように定めるとき，$x_n,\ y_n$を$n$を用いて表せ．ただし，$E$は$2$次の単位行列とする．

次の各問に答えよ．

(1)下図のように半径$r_1$の円$\mathrm{O}_1$と半径$r_2$の円$\mathrm{O}_2$が外接している．円$\mathrm{O}_1$と円$\mathrm{O}_2$の接点を$\mathrm{P}$とする．円$\mathrm{O}_1$の周上に点$\mathrm{P}$と異なる点$\mathrm{A}$をとり，線分$\mathrm{AP}$の延長と円$\mathrm{O}_2$の交点を$\mathrm{B}$とする．また，円$\mathrm{O}_1$の周上に点$\mathrm{P}$，点$\mathrm{A}$と異なる点$\mathrm{C}$をとり，線分$\mathrm{CP}$の延長と円$\mathrm{O}_2$の交点を$\mathrm{D}$とする．このとき，次の$(ⅰ)$，$(ⅱ)$に答えよ．
（図は省略）

(i) 点$\mathrm{P}$における円$\mathrm{O}_1$の接線を利用して，$\mathrm{AC} \para \mathrm{BD}$であることを示せ．
(ii) 円$\mathrm{O}_1$の中心と$\mathrm{O}_2$の中心を結ぶ直線を利用して，点$\mathrm{P}$は線分$\mathrm{AB}$を$r_1:r_2$に内分することを示せ．

(2)下図のように半径$3$の円$C_1$，半径$4$の円$C_2$，半径$5$の円$C_3$が互いに外接している．円$C_2$と円$C_3$の接点を$\mathrm{J}$，円$C_3$と円$C_1$の接点を$\mathrm{K}$，円$C_1$と円$C_2$の接点を$\mathrm{L}$とする．線分$\mathrm{JL}$の延長と円$C_1$の交点を$\mathrm{M}$とし，線分$\mathrm{JK}$の延長と円$C_1$の交点を$\mathrm{N}$とする．このとき，四角形$\mathrm{KLMN}$の面積は$\triangle \mathrm{JLK}$の面積の何倍であるかを求めよ．
（図は省略）