関数$f(x)=\left\{ \begin{array}{ll}
-2x^2+2x & (x \geqq 0) \\
x^2+2x & (x<0)
\end{array} \right.$に対して，関数$F(x)$を$\displaystyle F(x)=\int_{-3}^x f(t) \, dt$と定め，曲線$y=F(x)$を$C$とする．このとき，次の問いに答えよ．

(1)関数$F(x)$の増減を調べて，$-3 \leqq x \leqq 2$の範囲で$y=F(x)$のグラフの概形をかけ．
(2)曲線$C$上の$2$点$\mathrm{P}$と$\mathrm{Q}$における$C$の接線の傾きが等しいとし，$\mathrm{P}$，$\mathrm{Q}$の$x$座標をそれぞれ$a,\ b$とする．$a$が$0<a<1$の範囲を動くとき，$b$のとりうる値の範囲を求めよ．ただし，$b<0$とする．
(3)曲線$C$上の$3$点$\mathrm{P}$，$\mathrm{Q}$，$\mathrm{R}$における$C$の接線の傾きが等しいとする．$\mathrm{P}$，$\mathrm{Q}$，$\mathrm{R}$の$x$座標をそれぞれ$a,\ b,\ c$とし，$a>b>c$であるとする．このとき，$a$のとりうる値の範囲を求め，さらに$a-b=b-c$であるときの$a$の値を求めよ．

関数$f(x)$を
\[ f(x)=2 \sin \left( \frac{1}{2} \left( x+\frac{\pi}{3} \right) \right) \quad (0 \leqq x \leqq 2\pi) \]
とする．このとき，次の設問に答えよ．

(1)曲線$y=f(x)$と$y$軸との交点$\mathrm{P}$の座標を求めよ．
(2)曲線$y=f(x)$と$x$軸との交点$\mathrm{Q}$の座標を求めよ．
(3)曲線$y=f(x)$のグラフを描け．
(4)$\mathrm{P}$と$\mathrm{Q}$を結んだ直線を$\ell$とする．曲線$y=f(x)$と直線$\ell$で囲まれた領域の面積を求めよ．

関数$f(x)$は$\displaystyle f^\prime(x)=18 \int_0^1 xf(t) \, dt+1$を満たす．このとき，次の問いに答えよ．

(1)$\displaystyle \int_0^1 f(x) \, dx=0$のとき，$f(x)$を求めよ．
(2)$\displaystyle \int_0^1 f(x) \, dx \neq 0$であり，方程式$f(x)=0$はただ$1$つの実数解をもつ．このとき，$f(x)$を求めよ．

$0 \leqq x \leqq 2\pi$で定義された関数$\displaystyle f(x)=\frac{\cos x}{\sqrt{2}+\sin x}$について，次の問いに答えよ．

(1)関数$f(x)$の増減を調べ，最大値，最小値を求めよ．
(2)定積分$\displaystyle \int_0^{\frac{\pi}{2}}f(x) \, dx$を求めよ．

座標平面上で原点$\mathrm{O}$を中心とする半径$1$の円の第$1$象限の部分を$C$とする．曲線$y=f(x) \ (0<x<1)$は第$4$象限にあり，かつすべての$x_1 \ (0<x_1<1)$について，点$(x_1,\ f(x_1))$における接線が$C$上の点$(x_1,\ y_1)$における$C$の接線と直交しているとする．曲線$y=f(x)$上の動点を$\mathrm{P}$とするとき，次の問いに答えよ．

(1)$f^\prime(x)$を求めよ．
(2)点$\mathrm{P}$における$y=f(x)$の接線と$y$軸との交点を$\mathrm{Q}$とするとき，線分$\mathrm{PQ}$の長さは常に$1$であることを示せ．
(3)$x$軸上と$y$軸上に$2$辺をもち，線分$\mathrm{OP}$を対角線とする長方形の面積を$S$とする．点$\mathrm{P}$が$S$を最大にする位置にあるとき，$\mathrm{P}$は$\mathrm{P}$における曲線の接線と座標軸が交わってできる$2$点の中点であることを示せ．
(4)$f(x)$を求めよ．ただし，$\displaystyle \lim_{x \to 1-0}f(x)=0$であるとする．

$3$次関数$f(x)$は$x=1$と$x=3$で極値をとり，曲線$y=f(x)$は点$(0,\ 1)$と点$(1,\ 3)$を通るとする．このとき，次の問いに答えよ．

(1)関数$f(x)$を求めよ．
(2)曲線$y=f(x)$上の点$(t,\ f(t))$における接線の方程式を求めよ．
(3)曲線$y=f(x)$に接し，原点$(0,\ 0)$を通る直線の本数を求めよ．

$\tan \alpha=2$，$\tan \beta=5$，$\displaystyle 0<\alpha,\ \beta<\frac{\pi}{2}$とする．$\displaystyle 0 \leqq x \leqq \frac{\pi}{2}$上で関数
\[ f(x)=\sin (\alpha+\beta+x)+\cos (\alpha+\beta+x) \]
を考える．

(1)$\sin (\alpha+\beta),\ \cos (\alpha+\beta)$を求めよ．
(2)$\tan (\alpha+\beta+x)$の値の範囲を求めよ．
(3)$f(x)$の最大値，最小値を求めよ．
(4)$f(x)$が最小となるときの$x$を$\gamma$とする．$\alpha+\beta+\gamma,\ \tan \gamma$を求め，$\beta-\alpha>\gamma-\beta$となることを示せ．
(5)$\displaystyle \beta>\frac{5\pi}{12}$となることを示せ．

$n$を$2$以上の自然数とする．このとき，次の問に答えよ．

(1)$\displaystyle \int_1^n \log x \, dx$を求めよ．
(2)関数$y=\log x$の定積分を利用して，次の不等式を証明せよ．
\[ (n-1)! \leqq n^n e^{-n+1} \leqq n! \]
(3)極限値
\[ \lim_{n \to \infty}\frac{\log (n!)}{n \log n} \]
を求めよ．

関数$y=xe^{-2x}$を考える．

(1)$y^\prime,\ y^{\prime\prime}$を求めよ．
(2)この関数の$0 \leqq x \leqq 2$における増減，凹凸を調べ，グラフの概形をかけ．

関数$\displaystyle f(x)=\frac{1}{2}x^2 \ (x \geqq 0)$の逆関数を$f^{-1}(x)$とする．$xy$平面上に$2$曲線$C_1:y=f(x)$と$C_2:y=f^{-1}(x)$がある．次の問いに答えよ．

(1)$2$曲線$C_1,\ C_2$で囲まれた図形の面積を求めよ．
(2)$a \geqq 2$とする．曲線$C_1$上の点$\displaystyle \mathrm{A} \left( a,\ \frac{a^2}{2} \right)$における接線を$\ell_1$，曲線$C_2$上の点$\displaystyle \mathrm{B} \left( \frac{a^2}{2},\ a \right)$における接線を$\ell_2$とし，$2$直線$\ell_1,\ \ell_2$のなす角を$\displaystyle \theta \ \left( 0<\theta<\frac{\pi}{2} \right)$とする．

(i) $\tan \theta$を$a$の式で表せ．
(ii) $\displaystyle \lim_{a \to \infty} \sin^2 \theta$を求めよ．