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北海道大学 2024年度
文系数学 数学α 第4問

問題

各面に1つずつ数が書かれた正八面体のさいころがある。「1」,「2」,「3」が書かれた面がそれぞれ1つずつあり,残りの5つの面には「0」が書かれている。このさいころを水平な床面に投げて,出た面に書かれた数を持ち点に加えるという試行を考える。最初の持ち点は0とし,この試行を繰り返す。例えば,3回の試行を行ったとき,出た面に書かれた数が「0」,「2」,「3」であれば,持ち点は5となる。なお,さいころが水平な床面にあるとき,さいころの上部の水平な面を出た面とよぶ。また,さいころを投げるとき,各面が出ることは同様に確からしいとする。

(1) この試行を2回行ったとき,持ち点が1である確率を求めよ。

(2) この試行を4回行ったとき,持ち点が10以下である確率を求めよ。

出典:北海道大学 2024年度 前期日程 第2次学力試験 文系 数学α 第4問

方針

標準解法(余事象で11点・12点だけを数える)

1回の出目は0が5面,1・2・3が各1面である。(1) は を重み付きで数える。(2) は10点以下の補集合を考える。4回の最大は12点なので,11点の の並べ替えと12点の だけを数えればよい。

別解(多項式の係数で余事象を数える)

1回の出目の重みを で表す。4回の合計が11,12となる場合の数は,その4乗の該当係数として短く確認できる。

解答

標準解法(余事象で11点・12点だけを数える)

1回の試行で,0が出る確率は ,1,2,3が出る確率はいずれも である。

(1)

2回の試行で持ち点が1になるには,出た数が のどちらかでなければならない。したがって求める確率は である。

(2)

4回の持ち点が10以下である確率を,余事象で数える。4回の持ち点の最大値は であるから,10を超えるのは持ち点が11または12の場合だけである。

持ち点が12になるのは の1通りである。持ち点が11になるには,3が3回,2が1回出る必要があるので, の並べ替えであり,2の位置の選び方により4通りである。0や1が出ると合計を11以上にできないので,これで尽くされている。

全事象は 通りであり,10を超える場合は 通りである。よって,求める確率は である。

別解(多項式の係数で余事象を数える)

(1)

合計1となるのは だから

である。

(2)

1回の出目の重み付き多項式は

である。4回の合計が となる場合の数は の係数に等しい。

次数11を作るには のみで,2を置く場所が4通り。次数12を作るには の1通りだけである。したがって10点を超える場合は5通りで

を得る。