一橋大数学'06年前期[5]
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1,2,3,4が1つずつ記された4枚のカードがある。これらのカードから1枚を抜き出し元に戻すという試行をn回繰り返す。抜き出したn個の数の和をとし、積をとする。
(1) となる確率をnで表せ。 (2) が8で割り切れる確率をnで表せ。
解答 (1)は一般性を持たせて考えようとすると難問です。
(1) n回試行を行い、抜き出したn個の数の和が、となる場合の数をとして、まず、についてどうなるかを調べてみます。 (i) のとき、 4枚のカードのどれを抜き出してもを満たすので、通りです。 (ii) のとき、 ・・・@ となるのは、以下の場合です。 ・1回目に1が出たとき、
2回目は、4枚のカードのどれを抜き出しても@を満たし、4通り。
・1回目に2が出たとき、
2回目は、1,2,3を抜き出すときに@を満たし、3通り。
・1回目に3が出たとき、
2回目は、1,2を抜き出すときに@を満たし、2通り。
・1回目に4が出たとき、
2回目は、1を抜き出すときに@を満たし、1通り。
よって、@を満たすのは、通りです。 (iii) のとき、 ・・・A となるのは、以下の場合です。 ・1回目に1が出たとき、
2回目、3回目の2回の数の和が5以下になるときにAを満たし、(ii)より、通り。 ・1回目に2が出たとき、
2回目、3回目の2回の数の和が4以下になるときにAを満たし、(ii)と同様に(和が5になる場合を除いて数える)考えると、通り。 ・1回目に3が出たとき、
2回目、3回目の2回の数の和が3以下になるときにAを満たし、(ii)と同様に(和が5,和が4になる場合を除いて数える)考えると、通り。 ・1回目に4が出たとき、
2回目、3回目の2回の数の和が2以下になるときにAを満たしますが、これは、2回目も3回目も1を抜き出すときで、1通り。
よって、Aを満たすのは、通りです。 ここまで来ると規則性が見えてきます。
きっと、
になるだろう、と、予測がつきます。このまま続けていくと、
・・・B ということになりそうですが、これを数学的帰納法で示すのでは、答案が書きにくくて苦労することになります。
そこで、方針転換をして、Bを違う見方で眺めることにします。 なので、Bを少し変形すると、
となり、は、異なる個のものからn個を選ぶ組み合わせの数になりそうです。
そこで、(i),(ii),(iii)がそう見えるような場合の数の数え方を考えることにします。例えば、(ii)のの場合では、として、 として10通りと数えていますが、これを、異なる個から2個を選ぶ組み合わせの数として、1から5の数字から2文字を選ぶ選び方を数えると、 のようになります。2つの数え方を見比べると、後者では、2回目の数字を、1回目と2回目の数字の和に入れ替えていることに気づきます。1回目に抜き出す数字1〜4に、2回目以降1〜4を加えていくので、i回目()に抜き出す数字をとして、 で組み合わせの数を数えても、
で組み合わせの数を数えても、1対1の対応が取れるので、場合の数に変わりはありません。しかも、,,・・・,は、 なので、互いに相異なるn個の数字です。
なので、であれば、は、1からまでの異なる個の数字からn個の数字を選ぶことになり、この組み合わせの数は、通りです。
入試会場で書く答案としては、以下のようにまとめることができるでしょう。n回の試行の中の第i回目()に抜き出す数字を (は1,2,3,4のいずれか)とし、 と
を1対1に対応させると、
より、は、のとき、異なる個の数字からn個の数字を選んだものである。その選び方、すなわちとなるの選び方は、通りある。
の選び方は通りあって、そのどの1通りも同様に確からしい。
よって、求める確率は、 ......[答]
(2) 積が8で割り切れる場合を考えると場合分けが大変なので、余事象:「が8で割り切れない」方を考えることにします。 が8で割り切れないのは、以下の3つの場合です。 (i) n回すべて奇数の1,3を抜き出す場合、通り。 (ii) 回奇数の1,3を抜き出し、1回だけ2または4を抜き出す場合、2または4をn回の試行のどの回で抜き出すかがn通りあり、通り。 (iii) のとき、回奇数の1,3を抜き出し、2回だけ2を抜き出す場合、2をn回の試行のどの2回で抜き出すかが通りあり、通り。 よって、のとき、が8で割り切れない場合の数は、 ・・・C のときは、1〜4のどの数字を抜き出しても8で割り切れず、が8で割り切れない場合の数は4通りですが、Cでとすると4になるので、すべてのnについてCとしてOKです。
全事象の場合の数は(1)と同様に通りで、求める確率は、 ......[答]
追記.上記(1)は、一般的に、「1からkまで数字が書かれたk枚のカードから1枚を抜き出して元に戻す試行をn回繰り返すとき、抜き出した数字の和がとなる確率を求めよ。」という問題にも対応できるような方針で考えました。ですが、一般性を捨てて、となる場合(n回すべて1)、となる場合(回1で1回だけ2)、となる場合(回1で1回だけ3になるか、または、回1で2が2回出る)、となる場合(回1で1回だけ4になるか、または、回1で2,3が1回ずつ出るか、または、回1で2が3回出る)、各場合の数を数え上げれば、平凡に解答できます(この方がやり易い)。
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