大学入試センター試験 2017年(平成29年) 追試 数学ⅠA 第3問 [1] 解説
アドバイス
確率の問題は、可能ならば表を書いて、見て考えるのがおすすめ。
だけど、この問題の場合は16列$\times$16行の表になってしまうので、書くのもマスを数えるのも大変だし、センター試験本番では用紙も限られているからちょっと難しいかも。
なので、ここでは計算で解く方法を解説した。
(1)
1回目の試行で数字1が出る確率は
$\dfrac{1}{4}$
取り出したカードはもとに戻すので、2回目も1が出る確率は
$\dfrac{1}{4}$
両方起こらないと、2回続けて1が取り出されることにはならないので、かけ算をして、
$\dfrac{1}{4}\cdot\dfrac{1}{4}=\dfrac{1}{16}$
が求める確率である。
解答ア:1, イ:1, ウ:6
同様に、1回目の試行で奇数が出る確率は
$\dfrac{2}{4}$
2回目も奇数が出る確率は
$\dfrac{2}{4}$
これをかけて、
$\dfrac{2}{4}\cdot\dfrac{2}{4}=\dfrac{1}{4}$
となる。
解答エ:1, オ:4
(2)
問題文中に「少なくとも」とあるので、全体から反則の場合(排反事象)を引こう。
反則は、
全部数字1以外が出る
数字1が1回出る
だ。
全部数字1以外が出る確率は
$\left(\dfrac{3}{4}\right)^{4}$
数字1が1回出る確率は
$\dfrac{1}{4}\cdot\left(\dfrac{3}{4}\right)^{3}\cdot {}_{4}\mathrm{C}_{1}$
または
$\dfrac{1}{4}\cdot\left(\dfrac{3}{4}\right)^{3}\cdot\dfrac{4!}{3!}$
確率なので、全体は$1$
以上より、求める確率は
$1-\left\{\left(\dfrac{3}{4}\right)^{4}+\dfrac{1}{4}\cdot\left(\dfrac{3}{4}\right)^{3}\cdot 4\right\}$
途中式
$$
\begin{align}
\qquad&=1-\dfrac{3^{4}+3^{3}\cdot 4}{4^{4}}\\
&=1-\dfrac{3^{3}(3+4)}{4^{4}}\\
&=1-\dfrac{3^{3}\cdot 7}{4^{4}}\\
&=1-\dfrac{189}{256}
\end{align}
$$
である。
解答カ:6, キ:7, ク:2, ケ:5, コ:6
(3) サシス
こういう問題は、ひとつの例の確率を考えて、それに並べ替える場合の数をかける。
ひとつの例として
1234
の順に出る確率を考えると、
1回目に数字1が出る確率は
$\dfrac{1}{4}$
2回目に数字2が出る確率も
$\dfrac{1}{4}$
以下、3回目に数字3が出る確率も、4回目に数字4が出る確率も
$\dfrac{1}{4}$
なので、この例が起こる確率は
$\left(\dfrac{1}{4}\right)^{4}$
である。
けれど、問題で問われているのは、4回の試行で1から4までのすべての数字が現れる確率なので、
1234
の順に出なくてもいい。
この4つの数字を並べ替える場合の数は
$4!$
である。
以上より、求める確率は
$$
\begin{align}
\left(\dfrac{1}{4}\right)^{4}\cdot 4!&=\dfrac{4\cdot 3\cdot 2\cdot 1}{4^{4}}\\
&=\dfrac{3}{4^{2}\cdot 2}\\
&=\dfrac{3}{32}
\end{align}
$$
である。
解答サ:3, シ:3, ス:2
(3) セソタ
ここで、条件付き確率の復習をしておくと、
復習
事象$A$が起こる確率を$P(A)$、事象$A$と事象$B$の両方が起こる確率を$P(A\cap B)$とするとき、
$A$が起こったときに$B$が起こる条件付き確率$P_{A}(B)$は、
$P_{A}(B)=\dfrac{P(A\cap B)}{P(A)}$
だった。
この問題の場合、
$P(A)$は4回繰り返してもどれかの数字が現れない確率確率A
$P(A\cap B)$は、5回目にはじめて4つの数字すべてが出る確率確率B
なので、
$\dfrac{\fbox{セ}}{\fbox{ソタ}}=\dfrac{\text{確率B}}{\text{確率A}}$式A
だ。
確率Aはサシスの余事象だから、
$1-\dfrac{3}{32}=\dfrac{29}{32}$式B
である。
一方、確率Bはちょっと考えないといけない。
5回目にはじめて4つの数字すべてが出るのは、
4回目の段階で、数字が3種類出ている事象B1
5回目に、残りの数字が出る事象B2
場合。
このそれぞれの確率を求めて、かけ算をしよう。
まず、事象B1の確率を求める。
数字が3種類出るから、ひとつの数字は2回出ないといけない。
2回出る数字の選び方は
${}_{4}\mathrm{C}_{1}$式C
通り。
残り2回は、別の数字が1回ずつ出ないといけない。
4つの数字のうち1つは「2回出る数字」に使ってしまったので、選び方は、
${}_{3}\mathrm{C}_{2}$式D
通り。
2回出る数字を□、1回ずつ出る数字を○と△で表すと、□□○△の順に出る確率は、
$\left(\dfrac{1}{4}\right)^{2}\cdot\dfrac{1}{4}\cdot\dfrac{1}{4}$式E
でも、出る順番は、□□○△の順でなくても、○□△□の順でも、別の順でもいい。
□□○△の並べ方は
${}_{4}\mathrm{C}_{2}\cdot {}_{2}\mathrm{C}_{1}$
または
$\dfrac{4!}{2!}$式F
以上より、事象B1の確率は、式C,式D,式E,式Fをかけて、
$$
\begin{align}
{}_{4}\mathrm{C}_{1}\cdot& {}_{3}\mathrm{C}_{2}\cdot\left(\dfrac{1}{4}\right)^{2}\cdot\dfrac{1}{4}\cdot\dfrac{1}{4}\cdot\dfrac{4!}{2!}\\
&=\dfrac{4\cdot 3\times 4\cdot 3\cdot 2\cdot 1}{4^{4}\times 2\cdot 1}\\
&=\dfrac{3^{2}}{4^{2}}\class{tex_formula}{式G}
\end{align}
$$
である。
一方、事象B2の確率は
$\dfrac{1}{4}$式H
なので、式Aの分子の確率Bは
$\dfrac{3^{2}}{4^{2}}\cdot\dfrac{1}{4}=\dfrac{3^{2}}{4^{3}}$式I
となる。
式Bと式Iを式Aに代入して、
$\dfrac{\fbox{セ}}{\fbox{ソタ}}=\dfrac{\cfrac{3^{2}}{4^{3}}}{\cfrac{29}{32}}$
これを計算すると
$$
\begin{align}
\dfrac{\fbox{セ}}{\fbox{ソタ}}&=\dfrac{\cfrac{3^{2}}{4^{3}}\times 4^{3}}{\cfrac{29}{32}\times 4^{3}}\\
&=\dfrac{3^{2}}{29\times 2}\\
&=\dfrac{9}{58}
\end{align}
$$
となる。
解答セ:9, ソ:5, タ:8