方針
を,,の3部分に分け,それぞれ,,として交点を数える。(1)はを通るのでとし,中央部分と右外側部分に現れる追加交点の有効範囲を調べる。(2)は共有点数が3になる仕組みを,中央弧への内点接線で1点が重なる場合と,尖点を通って左右の式の交点が重なる場合に分類する。端点では重複数が変わるため,不等号の開閉を必ず確認する。
解答
曲線はである。
(1)
直線がを通るので である。
中央部分との交点は すなわち で決まる。この方程式はを解にもち,もう一つの解はである。これが中央部分の内部にある条件は より である。
外側部分との交点は すなわち で決まる。この方程式もを解にもち,もう一つの解はである。これが右側部分にある条件はである。
したがって,のほかに中央部分の内部で1点,右側部分で1点をもつための条件は である。よって である。
(2)
共有点がちょうど3個になるのは,4個になり得る交点のうち1組が重なる場合である。重なり方は,中央部分への接線になる場合,または尖点を通る場合に分けられる。
まず中央部分の内点における接線を考える。の接線の傾きはであるから である。よりであり,を代入して を得る。このとき中央部分では接点が1個に重なり,外側部分に左右1個ずつ交点があるので,共有点はちょうど3個である。
次に左の尖点を通る場合は,(1)と同様に である。
右の尖点を通る場合はである。中央部分ではのほかに,外側部分ではのほかにが現れる。これらがそれぞれ中央の内部と左外側に入る条件は である。したがって を得る。
以上より,求める軌跡は の3部分である。
別解
解法2
方針
外側と中央の交点方程式をそれぞれ,と置く。共有点が3個になる退化を,中央部分で判別式が0になる場合と,両方の式が端点を共有する場合に代数的に分類する。
解答
外側および中央との交点方程式をとおく。ただしの根は,の根はのものだけを採用する。
(1) を通るのでである。このとき端点のほか,中央部分に,右外側にが現れる条件はである。よって(2) 通常は交点が偶数個ずつ現れるので,3個になるには次のどちらかの退化が必要である。
中央部分で接する場合,の判別式が0だから重根が中央の内点にある条件はである。
端点を共有する場合はであり,(1)からである。端点を共有する場合は対称性により以上より軌跡はの3部分である。
総評
難度7,計算量7。目安時間は32分。絶対値グラフの端点では2つの式が同じ点を表すため,方程式の解の個数をそのまま足すと過大計数になる。接線で交点が重なる場合と尖点で重なる場合を分け,端点を除く理由まで書けるかが得点差になる。図示では放物線状の弧と2本の線分状の軌跡を,開区間で示すことが重要である。