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東北大学 文系・数学IIまで 数学記述模試 第008回

この回のテストポイント

試験の条件と取り組み方

この模試の演習範囲は数学I（全範囲）／数学A（図形の性質・場合の数と確率）／数学II（全範囲）／数学B（数列）／数学C（ベクトル）です。問題・解答は独自に作成したものです。途中式、場合分け、証明の根拠も書きなさい。

大学公式の入試情報・公開問題を参照した対策用のオリジナル模試です。応用問題で、場合分け・必要十分条件・証明の記述を重視します。演習範囲・時間・大問数・満点・小問配点は本模試の設計です。実際の入試の時間・配点・出題形式を再現したものではありません。資料確認日：2026-10-04。出願時の試験条件は大学の最新募集要項で確認してください。

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問題

第1問　円の弦と三角形の面積の最大化（25点）

円 \\(x^2+y^2=16\\) の内部の点 \(Q(2,0)\) を通る直線が、円とA、Bで交わる。

（1）直線が鉛直のとき、2つの交点を求めなさい。（7点）

（2）直線の傾きを実数mとするとき、弦ABの長さを求めなさい。（7点）

（3）鉛直の直線も含め、原点OとA、Bでできる三角形の面積の最大値を求め、等号が成り立つ直線を示しなさい。（11点）

第2問　三次方程式の実数解の個数（25点）

実数 \(a\) に対し、方程式 \(x^3-48x=a\) を考える。

（1）左辺の関数の極大値と極小値を求めなさい。（7点）

（2）異なる3つの実数解をもつための必要十分条件を求め、理由を説明しなさい。（7点）

（3）異なる実数解がちょうど2つとなる場合のパラメータと、そのときの解をすべて求めなさい。（11点）

第3問　三項間漸化式と互いに素の証明（25点）

\[ a_1=1,\ a_2=5,\ a_{n+2}=5a_{n+1}-4a_n \]

とする。

（1）隣り合う項の差に着目して一般項を求めなさい。（7点）

（2）初項から第n項までの和を求めなさい。（7点）

（3）隣り合う2項が常に互いに素であることを証明しなさい。（11点）

第4問　停止する試行と期待値の連立（25点）

表の確率が \(1/4\)、裏の確率が \(3/4\) の硬貨を独立に投げ、初めて表が2回連続したところで止める。試行回数をTとする。

（1）2回目と3回目に初めて止まる確率をそれぞれ求めなさい。（7点）

（2）直前が表でない状態と表の状態について、残りの試行回数の期待値を連立して、Tの期待値を求めなさい。期待値が有限であることは用いてよい。（7点）

（3）表が合計2回出ればよい場合の期待値と比較し、差を求めなさい。（11点）

解答・解説

第1問　円の弦と三角形の面積の最大化

（1）

\(x=2\) を円の式に代入する。\\(y^2=12\\)。

\[ \boxed{(2,\pm 2\sqrt{3})} \]

採点の目安：考え方と立式に3点、結論と条件の確認に4点。

（2）

直線は \(mx-y-2m=0\)。原点からの距離をdとすると \(d^2=\frac{16m^2}{4(1+m^2)}\)。弦の半分と距離と半径で直角三角形を作り、\(AB=2\sqrt{16-d^2}\)。

\[ \boxed{AB=4\sqrt{\frac{4+3m^2}{1+m^2}}} \]

採点の目安：考え方と立式に3点、結論と条件の確認に4点。

（3）

直線がQを通るので \(0\le d\le4/2\)。面積の2乗は \(d^2(16-d^2)\)。\(s=d^2\) とおくと \(s(16-s)\) は \(0\le s\le16/4\) で増加する。距離が最大となるのは鉛直の直線。

\[ \boxed{\max S=4\sqrt{3},\quad x=2} \]

採点の目安：考え方と立式に5点、結論と条件の確認に6点。

第2問　三次方程式の実数解の個数

（1）

\(f'(x)=3(x-4)(x+4)\)。増減は順に増加・減少・増加なので、\(x=-4\) で極大、\(x=4\) で極小となる。

\[ \boxed{\text{極大値 }128,\quad\text{極小値 }-128} \]

採点の目安：考え方と立式に3点、結論と条件の確認に4点。

（2）

水平線が3つの単調な部分にそれぞれ1回交わる条件は、高さが極小値より大きく極大値より小さいことである。端点では接して重解をもつため除く。

\[ \boxed{-128<a<128} \]

採点の目安：考え方と立式に3点、結論と条件の確認に4点。

（3）

\(a=128\) では \(f(x)-a=(x-8)(x+4)^2\)。\(a=-128\) では \(f(x)-a=(x+8)(x-4)^2\)。

\[ \boxed{a=128:x=-4,8;\quad a=-128:x=-8,4} \]

採点の目安：考え方と立式に5点、結論と条件の確認に6点。

第3問　三項間漸化式と互いに素の証明

（1）

\[ a_{n+2}-a_{n+1}=4(a_{n+1}-a_n) \]

。初めの差は \(4\) なので \(a_{n+1}-a_n=4^n\)。初項に差の和を加える。

\[ \boxed{a_n=\frac{4^n-1}{3}} \]

採点の目安：考え方と立式に3点、結論と条件の確認に4点。

（2）

一般項を代入して \(1/(4-1)\) をくくり、等比数列の和と定数の和に分ける。

\[ \boxed{S_n=\frac{4(4^n-1)-3n}{9}} \]

採点の目安：考え方と立式に3点、結論と条件の確認に4点。

（3）

一般項から \(a_{n+1}=4a_n+1\)。2項の公約数はその差 \(a_{n+1}-4a_n=1\) を割る。

\[ \boxed{\gcd(a_n,a_{n+1})=1} \]

採点の目安：考え方と立式に5点、結論と条件の確認に6点。

第4問　停止する試行と期待値の連立

（1）

2回で止まる列は表表、3回で初めて止まる列は裏表表だけ。独立性により確率を掛ける。

\[ \boxed{P(T=2)=\frac{1}{16},\quad P(T=3)=\frac{3}{64}} \]

採点の目安：考え方と立式に3点、結論と条件の確認に4点。

（2）

\(p=1/4,q=1-p\) とする。2状態の期待値をE、Fとすると \(E=1+qE+pF\)、\(F=1+qE\)。代入して \(p^2E=1+p\)。

\[ \boxed{20} \]

採点の目安：考え方と立式に3点、結論と条件の確認に4点。

（3）

1回の表までの平均は \(4\) 回なので合計2回の表までの平均は \(8\) 回。連続という条件を課すと期待値は前問の値となる。

\[ \boxed{E_{\text{合計2回}}=8,\quad\text{差}=12} \]

採点の目安：考え方と立式に5点、結論と条件の確認に6点。