方針
へ置換し、共有点数をの二次方程式の非負解の個数へ翻訳する。円が上半平面に含まれる条件のもとでは、ちょうど2共有点は正の重解に対応する。
解答
(1)
放物線上の点をとすると、円との共有点はを満たす。とおくとである。は点を与える。もう一つの解 が正なら共有点はさらに個増える。したがって共有点が一つのみである条件はであり、である。
(2)
円の最下点の座標は である。円全体が の表す領域に含まれるための必要十分条件はすなわちである。
(3)
放物線と円の共有点はで判定できる。(2)より なので、定数項 は正であり、は解でない。共有点がちょうど二つであるためには、この二次方程式が正の重解をもてばよい。
判別式がである条件はすなわちである。このとき重解はであるから、正であるために が必要である。逆に 、 なら であり条件を満たす。
したがって図示すべき範囲はで表される放物線上の部分である。
(4)
(i)よりである。円の中心の座標を とおく。円が放物線とちょうど二つの共有点をもつためには、(3)と同じ判定によりである。したがってである。ここに を代入するととなり、である。よりである。
別解
解法2(接線と半径の直交)
方針
ちょうど2つの共有点は左右対称な2点での接触であることを用いる。接点における放物線の接線方向と円の半径方向の直交条件からの関係を直接導く。
解答
(1)
のとき円は原点を通る。放物線上の点が円上にもある条件はすなわち以外の共有点が生じない条件はである。と合わせて(2)
円の最下点の座標はである。円周も内部もすべてに含まれるための必要十分条件は(3)
条件のもとでは円は軸より上にあり、共有点は座標が正負で対になって現れる。共有点がちょうど2つなら、右側の共有点()で円と放物線は接する。
放物線の接線方向ベクトルは円の中心から接点へ向かう半径ベクトルはである。接線と半径は直交するからよりまた半径についてしたがってよって必要条件は逆に(2)ならとおけ、で接する。またで(2)の上半平面条件も満たす。したがって平面ではで表される曲線部分である。端点は含まない。
(4)
円には(3)を適用できるので円の中心の高さをとする。条件(ii)の2共有点も左右対称な接点であり、同じ接線・半径の議論から(3),(4)よりすなわちで割ってこの値はも自動的に満たすため、の2つの接点も実在する。
総評
難度7、計算量6、想定22分。代数解法ではの正の重解、幾何解法では接線方向と半径方向の直交が中心である。どちらからもを得る。端点は円がに含まれず除外される。(4)は同じ接触条件を2つの円へ適用し、を確認した。