$k$を実数とし，円$x^2+y^2=1$と直線$x+2y=k$が異なる$2$点で交わるものとする．その$2$つの交点を$\mathrm{P}$，$\mathrm{Q}$とする．次の問いに答えよ．

(1)$k$の値の範囲を求めよ．
(2)$2$点$\mathrm{P}$，$\mathrm{Q}$を通る円の中心は直線$y=2x$上にあることを示せ．
(3)上の$(2)$の円の中心を$(a,\ 2a)$，半径を$r$とする．$r^2$を$a$と$k$で表せ．
(4)点$\mathrm{R}$の座標を$(2,\ 1)$とする．$k$の値が$(1)$で求めた範囲を動くとき，$3$点$\mathrm{P}$，$\mathrm{Q}$，$\mathrm{R}$を通る円の中心の$x$座標の範囲を求めよ．

$k$を実数とし，円$x^2+y^2=1$と直線$x+2y=k$が異なる$2$点で交わるものとする．その$2$つの交点を$\mathrm{P}$，$\mathrm{Q}$とする．次の問いに答えよ．

(1)$k$の値の範囲を求めよ．
(2)$2$点$\mathrm{P}$，$\mathrm{Q}$を通る円の中心は直線$y=2x$上にあることを示せ．
(3)上の$(2)$の円の中心を$(a,\ 2a)$，半径を$r$とする．$r^2$を$a$と$k$で表せ．
(4)点$\mathrm{R}$の座標を$(2,\ 1)$とする．$k$の値が$(1)$で求めた範囲を動くとき，$3$点$\mathrm{P}$，$\mathrm{Q}$，$\mathrm{R}$を通る円の中心の$x$座標の範囲を求めよ．

$n$は自然数，$m$は整数，$k,\ \alpha,\ \beta$は実数とする．

(1)$\alpha \geqq 1$，$\beta \geqq 1$のとき，$\alpha\beta \geqq \alpha+\beta-1$が成り立つことを示せ．
(2)$x$に関する$2$次方程式$x^2-mx+k=0$の$2$つの解を$p,\ q$とする．$p$が整数ならば，$q$と$k$も整数であることを示せ．
(3)$x$に関する$2$次方程式$x^2-n^2x+n=0$は，整数の解をもたないことを示せ．
(4)$x$に関する$2$次方程式$x^2-(n-2)^2x+n=0$が整数の解をもつとき，$n$の値とその解をすべて求めよ．

$n$は自然数，$m$は整数，$k,\ \alpha,\ \beta$は実数とする．

(1)$\alpha \geqq 1$，$\beta \geqq 1$のとき，$\alpha\beta \geqq \alpha+\beta-1$が成り立つことを示せ．
(2)$x$に関する$2$次方程式$x^2-mx+k=0$の$2$つの解を$p,\ q$とする．$p$が整数ならば，$q$と$k$も整数であることを示せ．
(3)$x$に関する$2$次方程式$x^2-n^2x+n=0$は，整数の解をもたないことを示せ．
(4)$x$に関する$2$次方程式$x^2-(n-2)^2x+n=0$が整数の解をもつとき，$n$の値とその解をすべて求めよ．

$E=\left( \begin{array}{cc}
1 & 0 \\
0 & 1
\end{array} \right)$，$O=\left( \begin{array}{cc}
0 & 0 \\
0 & 0
\end{array} \right)$とし，$t$は実数とする．$A$は，$A^3=E$を満たす$2$次の正方行列とする．

(1)$(A-tE)(A^2+tA+t^2E)$を$t$と$E$を用いて表せ．
(2)$t \neq 1$のとき$A-tE$は逆行列をもつことを示せ．
(3)次の$3$つの命題を証明せよ．

(i) $A=E$ならば，$A^2+A+E \neq O$である．
(ii) $A^2+A+E \neq O$ならば，$A-E$は逆行列をもたない．
(iii) $A-E$が逆行列をもたないならば，$A=E$である．

$n$は自然数，$p_0$，$p_1$，$\cdots$，$p_n$は$p_0>0$，$\cdots$，$p_n>0$かつ$p_0+p_1+\cdots+p_n=1$を満たす定数とする．ポイント$0,\ 1,\ 2,\ \cdots,\ n-1,\ n$が，それぞれ$p_0,\ p_1,\ p_2,\ \cdots,\ p_{n-1},\ p_n$の確率で得られる試行$T$を考える．試行$T$を$1$回行って得られるポイントの期待値を$a$とし，$A=[a]+1$とする．ただし，実数$x$に対して$[x]$は$x$を超えない最大の整数を表す．競技者は，試行$T$を下記の各設問のルールに従って何回か行う．

(1)$k$を$1 \leqq k \leqq n$を満たす整数とする．競技者は，試行$T$を以下のルールに従って最大$2$回まで行う．

\mon[$①$] 試行$T$を$1$回行い，もしポイントが$k$以上であれば$2$回目の試行を行わず，このポイントを賞金とする．
\mon[$②$] $1$回目のポイントが$k$未満であれば$2$回目の試行$T$を行う．このとき，$1$回目のポイントは無効とし，$2$回目のポイントを賞金とする．
このとき賞金の期待値を$b_k$とする．$b_k$を求めよ．

(2)$(1)$の期待値$b_k$は$k$が$A$のとき最大となることを示せ．
(3)$m$を$1 \leqq m \leqq n$を満たす整数とする．競技者は，試行$T$を以下のルールに従って最大$3$回まで行う．

\mon[$①$] 試行$T$を$1$回行い，もしポイントが$m$以上であれば$2$回目以降の試行を行わず，このポイントを賞金とする．
\mon[$②$] $1$回目のポイントが$m$未満であれば$2$回目の試行$T$を行う．$2$回目のポイントが$A$以上であれば$3$回目の試行を行わない．このとき，$1$回目のポイントは無効とし，$2$回目のポイントを賞金とする．
\mon[$③$] $2$回目のポイントが$A$未満であれば$3$回目の試行$T$を行う．このとき，$1$回目，$2$回目のポイントは無効とし，$3$回目のポイントを賞金とする．
このとき賞金の期待値を$c_m$とする．$c_m$を求めよ．

(4)$(3)$の期待値$c_m$は$m$が$B=[b_A]+1$のとき最大となり，$c_B \geqq b_A$であることを示せ．ただし，$b_A$は$(1)$で求めた期待値$b_k$の$k=A$のときの値である．
(5)$n=5$とし，試行$T$として，$5$枚の硬貨を同時に投げ，表の出た枚数をポイントとする試行を考える．また，$b_k$，$c_m$は上記で定義したものとする．

(i) $p_0$，$p_1$，$p_2$，$p_3$，$p_4$，$p_5$，$a$を求めよ．
(ii) $(1)$のように最大$2$回試行を行う場合，$b_k$の最大値を求めよ．
(iii) $(3)$のように最大$3$回試行を行う場合，$c_m$の最大値を求めよ．

$E=\left( \begin{array}{cc}
1 & 0 \\
0 & 1
\end{array} \right)$，$O=\left( \begin{array}{cc}
0 & 0 \\
0 & 0
\end{array} \right)$とし，$t$は実数とする．$A$は，$A^3=E$を満たす$2$次の正方行列とする．

(1)$(A-tE)(A^2+tA+t^2E)$を$t$と$E$を用いて表せ．
(2)$t \neq 1$のとき$A-tE$は逆行列をもつことを示せ．
(3)次の$3$つの命題を証明せよ．

(i) $A=E$ならば，$A^2+A+E \neq O$である．
(ii) $A^2+A+E \neq O$ならば，$A-E$は逆行列をもたない．
(iii) $A-E$が逆行列をもたないならば，$A=E$である．

座標平面上に，原点を中心とする半径$1$の円と，その円に外接し各辺が$x$軸または$y$軸に平行な正方形がある．円周上の点$(\cos \theta,\ \sin \theta)$（ただし$\displaystyle 0<\theta<\frac{\pi}{2}$）における接線と正方形の隣接する$2$辺がなす三角形の$3$辺の長さの和は一定であることを示せ．また，その三角形の面積を最大にする$\theta$を求めよ．

$p$は奇数である素数とし，$N=(p+1)(p+3)(p+5)$とおく．

(1)$N$は$48$の倍数であることを示せ．
(2)$N$が$144$の倍数になるような$p$の値を，小さい順に$5$つ求めよ．

座標平面上に，原点を中心とする半径$1$の円と，その円に外接し各辺が$x$軸または$y$軸に平行な正方形がある．円周上の点$(\cos \theta,\ \sin \theta)$（ただし$\displaystyle 0<\theta<\frac{\pi}{2}$）における接線と正方形の隣接する$2$辺がなす三角形の$3$辺の長さの和は一定であることを示せ．また，その三角形の面積を最大にする$\theta$を求めよ．