方針
箱 のカード枚数と数の総和をまず集計する。(3) は全カードが同じ重み,(4) は箱が同じ重みである違いを保ち,条件付き確率を分子・分母に分ける。最後の調和和は区分求積法で に収束させる。
解答
(1)
箱には のカードが入っているから、平均値はである。
(2)
とおく。すべてのカードの枚数はである。また、すべてのカードに書かれた整数の総和はである。したがってである。
(3)
である。値がであるカードは、箱に枚ずつ入っているので、全部で枚である。よってである。
(4)
箱を選び、その箱から値のカードを引く確率は、に対してである。したがって条件付き確率はである。これは,条件事象の確率を分母,同時事象の確率を分子に置いたものである。これは,条件事象の確率を分母,同時事象の確率を分子に置いたものである。ゆえにである。ここでであるから、である。
総評
【公式出題意図との対応】公式の出題意図は,場合の数と条件付き確率を正しく運用し,最後に数学IIIの区分求積法で調和和を評価できるかを確認するものとされている。本解答は「箱を一様に選んでから,箱内のカードを一様に選ぶ」という二段階の確率を保ったまま条件付き確率を立てている。
難度6,計算量5。想定時間は18分程度。(3) の全カード一様抽出と,(4) の箱一様・カード一様抽出は標本空間が異なる。ここを同じ重みで数えないことが最大の注意点である。
【別解監査】調和和の極限は積分による上下評価でも示せるが,公式意図に沿う区分求積表示が最短である。分母・分子に共通する箱選択確率を先に消去する構成を採用した。
【独立検算】 で全カードを列挙し, と値 のカード枚数 を確認した。さらに が に収束することを数値確認した。