\(3\) 辺の長さが \(a\) と \(b\) と \(c\) の直方体を, 長さが \(b\) の \(1\) 辺を回転軸として \(90^{\circ}\) 回転させるとき, 直方体が通過する点全体がつくる立体を \(V\) とする.

1. (1)　\(V\) の体積を \(a\) , \(b\) , \(c\) を用いて表せ.

2. (2)　\(a+b+c=1\) のとき, \(V\) の体積のとりうる値の範囲を求めよ.

1. (1)　すべての自然数 \(k\) に対して, 次の不等式を示せ. \[ \dfrac{1}{2(k+1)} \lt \int _ 0^1 \dfrac{1-x}{k+x} dx \lt \dfrac{1}{2k} \]
2. (2)　\(m \gt n\) であるようなすべての自然数 \(m , n\) に対して, 次の不等式を示せ. \[ \dfrac{m-n}{2(m+1)(n+1)} \lt \log \dfrac{m}{n} -\textstyle\sum\limits _ {k=n+1}^m \dfrac{1}{k} \lt \dfrac{m-n}{2mn} \]

\(2\) つの箱 L と R , \(30\) 個のボール, コイン投げで表と裏が等確率 \(\dfrac{1}{2}\) で出るコインを \(1\) 枚用意する. \(x\) を \(0\) 以上 \(30\) 以下の整数とする. L に \(x\) , R に \(30-x\) 個のボールを入れ, 次の操作 (＃) を繰り返す.

1. (＃)　箱 L に入っているボールの個数を \(z\) とする. コインを投げ, 表が出れば箱 R から箱 L に, 裏が出れば箱 L から箱 R に, \(K(z)\) 個のボールを移す. ただし, \(0 \leqq z \leqq 15\) のとき \(K(z) = z\) , \(16 \leqq z \leqq 30\) のとき \(K(z) = 30-z\) とする.

\(m\) 回の操作の後, 箱 L のボールの個数が \(30\) である確率を \(P _ m(x)\) とする. たとえば \(P _ 1(15) = P _ 2(15) = \dfrac{1}{2}\) となる. 以下の問いに答えよ.

1. (1)　\(m \geqq 2\) のとき, \(x\) に対して \(y\) を選び, \(P _ m(x)\) を \(P _ {m-1}(y)\) で表せ.

2. (2)　\(n\) を自然数とするとき, \(P _ {2n}(10)\) を求めよ.

3. (3)　\(n\) を自然数とするとき, \(P _ {4n}(6)\) を求めよ.

O を原点とする座標平面上の曲線 \[ C : \ y = \dfrac{1}{2} x + \sqrt{\dfrac{1}{4} x^2 + 2} \] と , その上の相異なる \(2\) 点 \(\text{P} {} _ 1 ( x _ 1 , y _ 1 )\) , \(\text{P} {} _ 2 ( x _ 2 , y _ 2 )\) を考える.

1. (1)　\(\text{P} {} _ i\) （ \(i = 1 , 2\) ）を通る \(x\) 軸に平行な直線と, 直線 \(y = x\) との交点を, それぞれ \(\text{H} {} _ i\) （ \(i = 1 , 2\) ）とする. このとき, \(\triangle \text{OP} {} _ 1 \text{H} {} _ 1\) と \(\triangle \text{OP} {} _ 2 \text{H} {} _ 2\) の面積は等しいことを示せ.

2. (2)　\(x _ 1 \lt x _ 2\) とする. このとき \(C\) の \(x _ 1 \leqq x \leqq x _ 2\) の範囲にある部分と, 線分 \(\text{P} {} _ 1 \text{O}\) , \(\text{P} {} _ 2 \text{O}\) とで囲まれる図形の面積を, \(y _ 1 , y _ 2\) を用いて表せ.

\(C\) を半径 \(1\) の円周とし, A を \(C\) 上の \(1\) 点とする. \(3\) 点 P , Q , R が A を時刻 \(t = 0\) に出発し, \(C\) 上を各々一定の速さで, P , Q は反時計回りに, R は時計回りに, 時刻 \(t = 2\pi\) まで動く. P , Q , R の速さは, それぞれ \(m , 1 , 2\) であるとする. （したがって, Q は \(C\) をちょうど一周する. ） ただし, \(m\) は \(1 \leqq m \leqq 10\) をみたす整数である. \(\triangle \text{PQR}\) が PR を斜辺とする直角二等辺三角形となるような速さ \(m\) と時刻 \(t\) の組をすべて求めよ.