数学A : 場合の数と確率 大学入試センター試験 2008年本試 数学ⅠA第4問 解説

アドバイス

ここで解説した2008年度本試の問題だけど、お勧めの解法は樹形図一択だ。
ほかの方法でも解けるけど、樹形図よりも面倒で、その結果ミスの確率も上がるのでお勧めしない。
特に、計算だけで解こうとすると混乱しがちなので やめた方がいいと思う。ここで解説もしない。

以下の解説では、説明を簡単にするために、
「文字Aを書く」を 操作A 「文字Bを書く」を 操作B 「何も書かない」を 操作C と書くことにする。

樹形図を使った解法

問題を解く準備

図A
大学入試センター試験2008年本試 数学ⅠA第4問 解説図A

問題から樹形図を描くと、図Aができる。
図中の□は、何も書かれていないときの文字の列を表している。

最初に、さいころを3回投げてできる(1)(27)の$27$個の文字の列それぞれの場合の数を考えておこう。

例えば、(1)のAAAになるためには、3回の操作のうち

1回目は、操作A
2回目も、操作A
3回目も、操作A

でなければならない。
よって、3回ともさいころの目は1または2のどちらかなので、場合の数は
$2^{3}=8$通り
となる。

同様に、(2)のAABも、(3)のAも、場合の数は8通りである。
このことから予想できるけど、(1)(27)のどれも場合の数は8通りで、すべて確率は等しい。

以上を頭において、問題を解こう。

(1)

図Aを見ると、文字の列がAAAなのは、(1)の1か所。
なので、目の出方は8通り。

解答ア:8

図Aを見ると、文字の列がABなのは、(20)の1か所。
なので、この場合も、目の出方は8通り。

解答イ:8

(2)

図Aを見ると、文字の列がAなのは5か所。
また、すべての文字の列は(1)(27)の$27$個で、上で考えたように どの場合も確率は等しい。
なので、求める確率は
$\displaystyle \frac{5}{27}$
となる。

解答ウ:5, エ:2, オ:7

図Aを見ると、文字の列が□なのも5か所。
よって、求める確率は、この場合も
$\displaystyle \frac{5}{27}$
である。

解答カ:5, キ:2, ク:7

(3)

図Aを見ると、字数が3なのは8か所。
なので、求める確率は
$\displaystyle \frac{8}{27}$
となる。

解答ケ:8, コ:2, サ:7

図Aを見ると、字数が2なのは4か所。
なので、求める確率は
$\displaystyle \frac{4}{27}$
である。

解答シ:4, ス:2, セ:7


アドバイス

次に問われている期待値は、今の教育課程からは外れている。
一応解説は書いておくけど、読み飛ばしてもらってかまわない。

図Aを見ると、

字数が3なのは8か所
字数が2なのは4か所
字数が1なのは10か所
字数が0なのは5か所

である。

どの文字列になる確率も等しいので、期待値は(1)(27)の字数の平均と等しい。
よって、求める期待値は、
$\displaystyle \frac{3\cdot 8+2\cdot 4+1\cdot 10+0\cdot 5}{27}=\frac{42}{27}$
$\displaystyle \frac{3\cdot 8+2\cdot 4+1\cdot 10+0\cdot 5}{27}$$\displaystyle =\frac{14}{9}$
となる。

解答ソ:1, タ:4, チ:9

表を使った解法

あんまりお勧めじゃないけど、樹形図の代わりに表を書くという手もある。
ただし、この問題ではさいころを3回投げるので、表の書き方をちょっと工夫しないといけない。

お勧めは、表Bのように、1回目に12が出たとき,34が出たとき,56が出たときの3つの表に分けて書く方法だ。


表B
1回目に12が出たとき
A3回目
123456
2回目12AAAAAAABA
34ABABAABBA
56□AB□
1回目に34が出たとき
B3回目
123456
2回目12BABAABABB
34BBBBABBBB
56□AB□
1回目に56が出たとき
□3回目
123456
2回目12AAAAB□
34BBABB□
56□AB□

表中、緑のマスはさいころを1回投げた後の文字の列、青いマスは2回投げた後の文字の列を表している。

表Bを使って答えを求める方法は、図Aを使う場合とほとんど変わらないので省略する。

発展

センター試験の問題は 操作A,B,Cの確率がすべて等しかったので解きやすかった。
けれど、いつも確率が等しいとは限らない。
確率がばらばらのときを考えてみよう、

例題

1のとき、操作A
23のとき、操作B
456のとき、操作C

として、このとき、字数が1になる確率を求めなさい。

さっきの問題では、お薦めの方法は樹形図だった。
今度の問題では、お薦めの方法は表だ。
理由は[発展:樹形図を使った解法]の最後で説明する。

発展:表を使った解法

表Bと同様に、表Cを作る。
ポイントは、2回目・3回目とも、16の6つの行や列をつくること。
こうすると、各表の中で全てのマスの確率が等しくなる。

ただし、表がごちゃごちゃするのを避けるため、表Cでは操作が同じ場合はまとめて表示した。
例えば、表中の赤文字の部分は 罫線を省略して3マス分をひとつに、青文字の部分は6マス分をひとつにまとめてある。


表C
表C1:1回目に1が出たとき
A3回目
123456
2回目1AAAAAAABA
2ABABAABBA
3
4□AB□
5
6
表C2:1回目に23が出たとき
B3回目
123456
2回目1BABAABABB
2BBBBABBBB
3
4□AB□
5
6
表C3:1回目に456が出たとき
□3回目
123456
2回目1AAAAB□
2BBABB□
3
4□AB□
5
6

字数が1なのは、表Cの赤い部分。
このマスを数える。

ただし、表Cの3つの表は起こる確率が異なる。
1回目が1のときを基準に考えると、

1回目が23になるのは2倍
1回目が456になるのは3倍

の割合で起こる。
なので、表C2のマスの数は2倍,表C3は3倍にする。

表C1では、赤いマスは$18$個。 表C2でも赤いマスは$18$個だけど、
$2$倍するので $18\times 2$個。
表C3では、赤いマスは$9$個だけど、
$3$倍するので $9\times 3$個。
合計すると、赤いマスは
$18+18\cdot 2+9\cdot 3=9(2+2\cdot 2+3)$
$18+18\cdot 2+9\cdot 3$$=9^{2}$
$18+18\cdot 2+9\cdot 3$$=3^{4}$個。

表C1~表C3の全部のマスは、表1つあたり$6\times 6$個なので、
$6\cdot 6 + 6\cdot 6\times 2 + 6\cdot 6\times 3 =6\cdot 6(1+2+3)$
                                     $=6^{3}$個

よって、確率は、
$\displaystyle \frac{3^{4}}{6^{3}}=\frac{3}{2^{3}}$
     $=\displaystyle \frac{3}{8}$
である。

解答$\displaystyle \frac{3}{8}$

発展:樹形図を使った解法

まず(1)(27)の文字の列になる確率を考えておこう。

例えば文字の列がAAAとなる場合の数は、

1回目は、操作A
2回目も、操作A
3回目も、操作A

でなければならないから、
$1^{3}=1$通り。

BBBとなる場合の数は、

1回目は 操作B、
2回目も、操作B
3回目も、操作B

でなければならないから、
$2^{3}=8$通り。

このことから予想できるけど、それぞれの文字の列はできる確率が結構ばらばらだ。

図D
大学入試センター試験2008年本試 数学ⅠA第4問 解説図D

図Dのように樹形図を作って、確率ごとに番号を色分けしてみたけど、本当にばらばらなのが分かると思う。

この図を使って例題を解くと、次のようになる。


字数がAになるのは、(3)(6)(7)(8)(12)(15)(16)(17)(25)(26)のとき。
それぞれの場合の数は、

(3)
$1 \times 1 \times 3 = 3$通り
(6)
$1 \times 2 \times 3 = 6$通り
(7)
$1 \times 3 \times 1 = 3$通り
(8)
$1 \times 3 \times 2 = 6$通り
(12)
$2 \times 1 \times 3 = 6$通り
(15)
$2 \times 2 \times 3 = 12$通り
(16)
$2 \times 3 \times 1 = 6$通り
(17)
$2 \times 3 \times 2 = 12$通り
(25)
$3 \times 3 \times 1 = 9$通り
(26)
$3 \times 3 \times 2 = 18$通り

なので、あわせて
$3\times 2+6\times 4+9\times 1+12\times 2+18\times 1=81$式A
通り。

全部の場合の数は、さいころを3回投げるので
$6^{3}$
通り。

よって、確率は
$\displaystyle \frac{81}{6^{3}}=\frac{3^{4}}{6^{3}}$
     $=\displaystyle \frac{3}{2^{3}}$
     $=\displaystyle \frac{3}{8}$
である。

解答$\displaystyle \frac{3}{8}$

アドバイス

以上、樹形図を使って例題を解いてみたけれど、式Aにたどり着くまでがややこしい。
確率がばらばらなのはしかたがないけれど、図Dで そのばらばらの確率が不規則に並んでいるのが良くないのだ。作業がややこしいと、ミスも招きやすい。
なので、例題のように確率がばらばらの場合は、樹形図はお勧めできない