微分・積分の問題

空間において，点 $\mathrm{O}$ を中心とする半径 $1$ の円を $S$，円 $S$ を底面にもち点 $\mathrm{P}$ を頂点とする直円錐を $V$ とする。円 $S$ の周上に $4$ 点 $\mathrm{A}$，$\mathrm{B}$，$\mathrm{C}$，$\mathrm{D}$ を $\mathrm{AB}=\mathrm{CD}=2$，$\mathrm{AB}\perp \mathrm{CD}$ となるようにとる。直線 $\mathrm{CD}$ を含み，$\mathrm{PA}$ と平行な平面を $\alpha$ とする。$\mathrm{PA}=6$ のとき，次の設問に答えよ。

（1）円 $S$ と平行な平面で，$V$ との共通部分が半径 $r$ の円となるものを ${\beta }_r$ とする。$\alpha$ と ${\beta }_r$ の交線と $V$ の共通部分が長さ $l$ の線分となるとき，$l$ を $r$ を用いて表せ。また，この線分を含む直線と点 $\mathrm{O}$ の距離 $d$ を $r$ を用いて表せ。

（2）線分 $\mathrm{AB}$ を $t:(1-t)$ に内分する点を通り，$\alpha$ と平行な平面を ${\alpha }_t$ とする。$t$ を $0<t<1$ の範囲で変化させたとき，${\alpha }_t$ と $V$ の共通部分の面積の最大値を求めよ。

（1）$i$ を虚数単位とし，実数 $\theta$ に対して $f(\theta )=\cos \theta +i\sin \theta$ とおく。実数 $a$ に対して，$f({\theta }_1)=\{f(a){\}}^3$ を満たす ${\theta }_1$ の1つを $a$ を用いて表すと ${\theta }_1=\boxed{\text{ナ}}$ であり，

を満たす ${\theta }_2$ の1つを $a$ を用いて表すと ${\theta }_2=\boxed{\text{ニ}}$ である。

（2）$\theta$ の関数 ${\cos }^4\theta$ を適切な有理数 $b$，$c$，$d$ を用いて $b+c\cos 2\theta +d\cos 4\theta$ の形で表すと，${\cos }^4\theta =\boxed{\text{ヌ}}$ となる。

（3）座標平面上で不等式 $0\leqq y\leqq x$ の表す領域において方程式 $(x^2+y^2{)}^3=(x^2-y^2{)}^2$ が定める曲線を $C$ とする。座標平面において，原点を極，$x$ 軸の正の部分を始線とする極座標 $(r,\theta )$ を考えると，$C$ の極方程式は $\boxed{\text{ネ}}$ となる。ただし，$\theta$ の動く範囲は $\boxed{\text{ノ}}$ である。また，曲線 $C$ と $x$ 軸で囲まれた部分の面積は $\boxed{\text{ハ}}$ である。

（注意）空欄については，分数は既約分数にするなど最もふさわしいもの（数，式など）を記入する。

表の出る確率が $\frac{1}{2}$ の硬貨が1枚ある。$n$ を正の整数とする。

（1）硬貨を $n$ 回投げ，表が出た回数を $a$ とする。さらに続けて硬貨を $n$ 回投げたうちで，表が出た回数を $b$ とする。このとき，$a$ と $b$ の積が $0$ である確率を $n$ の式で表すと $\boxed{\text{シ}}$ である。「$a$ と $b$ の和が $n$ である」という事象の起こる場合の数を $M_n$ とおく。$n=5$ のとき，$M_5=\boxed{\text{ス}}$ である。また，

である。ただし，$\log x$ は $x$ の自然対数とする。

（2）硬貨を $n$ 回投げ，表が出た回数を $c$ とする。さらに続けて硬貨を $c+1$ 回投げたうちで，表が出た回数を $d$ とする。このとき，「$c=0$ である」という事象を $C$ とし，「$d=0$ である」という事象を $D$ とする。$n=4$ のとき，事象 $D$ の起こる確率は $\boxed{\text{ソ}}$ である。また，一般の $n$ に対して，事象 $D$ が起こったときに事象 $C$ の起こる条件付き確率は $\boxed{\text{タ}}$ である。

（注意）空欄については，分数は既約分数にするなど最もふさわしいもの（数，式など）を記入する。

座標平面上において，原点 $\mathrm{O}$ を中心とする半径 $1$ の円を $C$ とし，点 $\mathrm{A}(3,0)$ を通り傾きが $t$ の直線を $l$ とする。

（1）円 $C$ と直線 $l$ がただ1つの共有点をもつとき，その点の $x$ 座標は $\boxed{\text{ア}}$ である。

（2）円 $C$ と直線 $l$ が異なる2点で交わるような $t$ の値の範囲は $\boxed{\text{イ}}<t<\boxed{\text{ウ}}$ である。

以下，$t$ が $\boxed{\text{イ}}<t<\boxed{\text{ウ}}$ を満たすように動くとする。このとき，円 $C$ と直線 $l$ の2つの交点を結ぶ線分の中点を $\mathrm{M}$ とする。

（3）線分 $\mathrm{OM}$ の長さを $t$ の式で表すと，$\boxed{\text{エ}}$ である。

（4）点 $\mathrm{M}$ の軌跡の方程式は $\boxed{\text{オ}}=0$ である。ただし，$x$ の範囲は $0\leqq x<\boxed{\text{ア}}$ である。

（5）円 $C$ と直線 $l$ の2つの交点と原点 $\mathrm{O}$ を頂点とする三角形を，直線 $l$ のまわりに1回転してできる立体の体積を $V$ とする。$V$ が最大となる $t$ の値は $\boxed{\text{カ}}$ である。

（注意）空欄については，分数は既約分数にするなど最もふさわしいもの（数，式など）を記入する。

関数 $f(x)=x\log x$ について，以下の問に答えよ。ただし，$\log$ は自然対数，$e$ は自然対数の底を表す。必要ならば，$\underset{x\to +0}{\lim }x\log x=0$ を用いてよい。

（1）$y=f(x)$ の増減，極値を調べて，そのグラフをかけ。

（2）実数 $a$ に対して，$g(x)=ax-1$ とする。曲線 $y=f(x)$ と直線 $y=g(x)$ の共有点の個数は，$a$ の値によってどのように変わるか調べよ。

（3）曲線 $y=f(x)$ と直線 $y=g(x)$ の共有点の個数が1個のとき，曲線 $y=f(x)$，直線 $y=g(x)$ および直線 $x=\frac{1}{e}$ で囲まれた部分を $y$ 軸の周りに1回転させてできる立体の体積を求めよ。

次の関数 $f(x)$ について，以下の問に答えよ。

（1）$f(x)$ の極大値 $M$ と極小値 $m$ を求めよ。

（2）（1）で求めた $M,m$ に対して，$a\leqq x\leqq b$ における $f(x)$ の最大値が $M$，最小値が $m$ となるような実数の組 $(a,b)$ のうち，$b-a$ が最小となる組を求めよ。

$c$ を定数とする。関数 $f(x)=x^3-6x^2-36x+c$ は極大値と極小値の和が $0$ である。

（1）$c=\boxed{\text{しす}}$ であり，$f(x)$ は $x=\boxed{\text{せそ}}$ で極大値 $\boxed{\text{たちつ}}$ をとる。また，座標平面において，曲線 $y=f(x)$ 上の点 $(5,f(5))$ における接線の方程式は $y=\boxed{\text{てとな}}x-\boxed{\text{にぬ}}$ である。

（2）$c$ を（1）で求めた値とする。曲線 $y=f(x)$ を $x$ 軸方向に $-2$ だけ平行移動して得られる曲線の方程式は $y=x^3-\boxed{\text{ねの}}x$ となることから，曲線 $y=f(x)$ と $x$ 軸で囲まれる2つの図形の面積の和は $\boxed{\text{はひふへ}}$ となる。

座標平面において直線 $y=\frac{1}{2}x$ 上の点 $\left(p,\frac{1}{2}p\right)$ から曲線 $y=x^2+1$ に引いた2本の接線を $\ell ,m$ とし，接点の $x$ 座標をそれぞれ $\alpha ,\beta$（ただし，$\alpha <\beta$）とする。次の問いに答えよ。

（1）$\alpha ,\beta$ の和と積を $p$ の式で表すと，

である。したがって，$\alpha ,\beta$ は $x$ の2次方程式 $\boxed{\text{そ}}{x}^2-\boxed{\text{た}}px+p-\boxed{\text{ち}}=0$ の解である。

（2）$\ell$ と $m$，および曲線で囲まれる部分の面積 $S$ は，

となる。この式から $S$ は $p=\frac{\boxed{\text{ね}}}{\boxed{\text{の}}}$ のとき最小値 $\frac{\boxed{\text{は}}\sqrt{\boxed{\text{ひふ}}}}{\boxed{\text{へほ}}}$ をとることがわかる。

$k>0$ とし，$xy$ 平面における $y=k{x}^2+2x-k+3$ のグラフを $C$ とする。

（1）$C$ は $k$ の値によらずつねに2つの定点 $\mathrm{A}\left(\boxed{\text{こさ}},\boxed{\text{し}}\right),\mathrm{B}\left(\boxed{\text{す}},\boxed{\text{せ}}\right)$ を通り，直線ABと $C$ の囲む図形の面積は $\frac{\boxed{\text{そ}}}{\boxed{\text{た}}}k$ である。

（2）（1）のA，Bにおける $C$ の接線をそれぞれ $l,m$ とおく。 $l,m$ の交点は $\left(\boxed{\text{ち}},\boxed{\text{つて}}k+\boxed{\text{と}}\right)$ であり，$l,m,C$ の囲む図形の面積は $\frac{\boxed{\text{な}}}{\boxed{\text{に}}}k$ である。

2つの関数

について以下の問いに答えよ。

（1）曲線 $y=f(x)$ と曲線 $y=g(x)$ の共有点のうち $x$ 座標が正であるものは，$\left(\boxed{\text{お}},\boxed{\text{か}}\right)$ である。また，この点における接線の方程式は $y=\boxed{\text{きく}}x+\boxed{\text{け}}$ である。

（2）$f(x)\leqq g(x)$ を満たす $x$ の範囲は $x\geqq \boxed{\text{こさ}}$ である。また，$t$ を $t>1$ を満たす実数としたとき，$\boxed{\text{こさ}}\leqq x\leqq t$ の範囲で2曲線 $y=f(x),y=g(x)$ が囲む部分の面積と，$y=f(x),y=g(x)$ および直線 $x=t$ が囲む部分の面積の和が $\frac{75}{4}$ となる $t$ の値は，$\boxed{\text{し}}$ である。

$p$ を実数とする。2つの関数

について以下の問いに答えよ。

（1）$p=2$ のとき，曲線 $y=f(x)$ と $y=g(x)$ は点 $\left(\boxed{\text{か}},\boxed{\text{き}}\right)$ に関して点対称である。

（2）2つの曲線 $y=f(x)$ と $y=g(x)$ が相異なる2点で交わるような $p$ の値の範囲は，$\boxed{\text{く}}-\sqrt{\boxed{\text{け}}}<p<\boxed{\text{こ}}+\sqrt{\boxed{\text{さ}}}$ である。

（3）2つの曲線が囲む部分の面積は，$p=\boxed{\text{し}}$ のとき最大値 $\boxed{\text{す}}\sqrt{\boxed{\text{せ}}}$ をとる。

$a$ を定数とする。直線 $\ell :y=-x+4$ と曲線 $m:y=x^4-2x^3+a{x}^2+11x+40$ が2点で接するとき，接点の $x$ 座標はそれぞれ $\boxed{\text{ツテ}},\boxed{\text{ト}}$ であり，定数 $a$ の値は $\boxed{\text{ナニヌ}}$ である。また，曲線 $m$ と直線 $\ell$ が囲む部分の面積は $\frac{\boxed{\text{ネノハ}}}{\boxed{\text{ヒ}}}$ である。