方針
交点では を円の方程式に代入し, とおいて2次方程式に直す。異なる4交点をもつには,この2次方程式が異なる2つの正の解をもてばよいので,解の和,積,判別式を調べる。体積は 軸まわりの回転体として水平断面で考え,高さ における半径が であることを用いる。 は交点方程式の2解なので,和と差で最終式を整理する。
解答
(1)
交点では かつ である。 とおくと なので である。整理して を得る。
円と曲線が異なる4個の交点をもつためには,この の2次方程式が異なる2つの正の解をもてばよい。解の和は であり,解の積は である。また判別式は である。したがって必要十分条件は である。これらを合わせると である。
(2) は,(1) で得た2次方程式 の2つの正の解であり, である。したがって根と係数の関係より である。また2解の差は判別式の平方根に等しいので である。
曲線 は と書ける。高さ での水平断面を 軸のまわりに回転すると,半径 の円板になる。領域の下端と上端はそれぞれ である。したがって体積 はである。
ここで とおくとである。よってである。
別解
解法2(円筒殻に分けて体積を求める方法)
方針
交点条件は解法1と同様に の2次方程式で処理する。体積は半径 の円筒殻に分け、 と で殻の高さを分ける。
解答
(1) とおくと交点条件はである。異なる2つの正の解をもつ条件は、解の和・積・判別式からよって(2) 根と係数の関係から半径 の円筒殻の高さは、 では 、 では である。したがってゆえに
総評
難度7、計算量6。想定時間は24分程度。円と放物線の交点数を の2次方程式で判定し,その2解を体積計算にも利用する問題である。4交点条件では「正の異なる2解」が必要なので,和・積・判別式をすべて確認する。回転体の体積は水平断面の円板で考えると,半径の2乗が になり計算が短くなる。最後は を根と係数・判別式で置き換えるのが要点である。 水平断面の円板法と縦の円筒殻法の2通りで体積を計算し、 だけで同じ式に整理できることを確認した。