067 | 令和6年度前期 | 京都大学 | 理系 | ・・・ | 確率・極限(数A・V) | 標準 |
京都大学 前期理系(2024)
第1問 n個の異なる色を用意する。立方体の各面にいずれかの色を塗る。各面にどの色を
塗るかは同様に確からしいとする。辺を共有するどの二つの面にも異なる色が塗られる確
率 pn とする。次の問いに答えよ。
(1) p4 を求めよ。
(2) limn→∞ pn を求めよ。
(解)(1) n=4 のとき、起こりうる全ての場合の数は、 46=4096(通り)
(条件) 辺を共有するどの二つの面にも異なる色が塗られる
という条件を満たす場合の数を求める。
上図のように、立方体の各面に番号@、A、・・・、D、Eを付ける。
@とAが同色のとき、塗り方は、4通り
そのうちの1通りに対して、Bの塗り方は、3通りで、Dの塗り方は、2通り
そのうちの1通りに対して、(条件)を満たすC、Eの塗り方を考える。
BとCが同色のとき、 Eの塗り方は、2通り
BとCが異なる色のとき、Eの塗り方は、Dと同じ色で、1通り
よって、この場合の数は、 4×3×2×(2+1)=72(通り)
@とAが異なる色のとき、塗り方は、4×3=12(通り)
そのうちの1通りに対して、Bの塗り方は、2通りで、Dの塗り方は、1通り
もう使える色はないので、BとC、DとEは同色となる。
よって、この場合の数は、 12×2×1=24(通り)
以上から、求める場合の数は、 72+24=96(通り) なので、
確率 p4=96/4096=3/128 (終)
(2) n→∞ なので、n≧6 と仮定してよい。
辺を共有するどの二つの面にも異なる色が塗られる確率が pn なので、
立方体を6色で塗り分ければ、(条件)を必ず満たすので、その方法の数は、
n(n−1)(n−2)(n−3)(n−4)(n−5) 通り
なので、 n(n−1)(n−2)(n−3)(n−4)(n−5)/n6≦pn≦1
ここで、 左辺=(1−1/n)(1−2/n)(1−3/n)(1−4/n)(1−5/n)→1 (n→∞)
なので、 limn→∞ pn=1 であることが分かる。 (終)
(追記) 令和6年3月10日付け
上記では、各面の色塗りに着目して、場合の数を数えたが、使う色数に着目して、場合の
数を数えることも出来る。
(別解) 4色のうち3色用いる場合 @−A、B−C、D−E がそれぞれ同色であれば、
(条件)を満たすので、この場合の数は、 4C3・3×2×1=24(通り)
4色をすべて用いる場合は、@−A、B−C、D−E のうち1組は異なる色なので、
この場合の数は、 3C1・4×3×2×1=72(通り)
以上から、(条件)を満たす場合の数は、 24+72=96(通り) なので、
確率は、 p4=96/4096=3/128 となる。 (終)
この別解の求め方から、(2)の pn を直接計算することが可能である。
(別解) n色のうち、6色を用いる場合の数は、 nC6・6!=nP6(通り)
n色のうち、5色を用いる場合は、@−A、B−C、D−E のうち2組は同色なので、
3C2・nP5=3・nP5(通り)
n色のうち、4色を用いる場合は、@−A、B−C、D−E のうち1組は同色なので、
3C1・nP4=3・nP4(通り)
n色のうち、3色を用いる場合は、@−A、B−C、D−E がそれぞれ同色なので、
nC3・3×2×1=nP3(通り)
以上から、
pn=(nP6+3・nP5+3・nP4+nP3)/n6
=n(n−1)(n−2)((n−3)(n−4)(n−5)+3(n−3)(n−4)+3(n−3)+1)/n6
=n(n−1)(n−2)(n3−9n2+29n−32)/n6
=(1−1/n)(1−2/n)(1−9/n+29/n2−32/n3)
なので、 limn→∞ pn=1 となる。 (終)
(コメント) 前期文系では、上記の問題(1)を第2問(2)として、「(1) p3 を求めよ。」とい
う類題が出題された。
(解) 3色用いる場合 @−A、B−C、D−E がそれぞれ同色なので、
(条件)を満たす場合の数は、 3×2×1=6(通り)
よって、 p3=6/36=2/243 (終)
以下、工事中!