方針
(1) はからでの最小値を求める。(3)では円と曲線の交点条件をに直し,(1)の三次式の正の解の個数に帰着する。(4)も距離の二乗をと表し,となる条件を使う。
解答
(1) である。では,はで減少し,で増加する。よって最小値はでとり,である。
(2)
(1)の最小値がであるからである。両辺を二乗してとなる。したがってである。
(3)
円の方程式はである。を代入するとすなわちである。とおくと,の共有点のほかに,でを満たすものを調べればよい。これは(1)のである。とおく。(1),(2)より,ではとなり正の解はない。では正の重解を一つもつ。では正の解を二つもつ。よって共有点の個数はである。
(4)
とし,とおく。点との距離の二乗はである。のとき距離はであるから,最小値がに等しいための条件は,すべてのでとなることである。これはでとなることと同値であり,(1),(2)よりである。
別解
解法2
方針
円との共有点と距離を同じ式 の符号問題へ統一し,接する境界を から求める。
解答
(1) より最小点は ,最小値は(2) 境界 を満たす は(3) 円と の共有点は とすると,正の根は で0個, で1個, で2個。各正根から が出るので共有点数は順に(4) 距離の二乗は 。これが常に 以上となる条件は だから
総評
難度6,計算量6。想定時間は20分程度。(1)の最小値を以後の共有点個数と距離最小に使い回す誘導型の問題である。への置換で正の解の個数を整理すること,の共有点を数え落とさないことが重要である。