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大阪大学 2010年度 前期日程 第2次学力試験文系数学 第3問

(1) 不等式(x2)2+(y2)21の表す領域をxy平面上に図示せよ.

(2) 1個のさいころを4回投げ,n回目(n=1,2,3,4)に出た目の数をanとする.
このとき(x,y)=(a1a2,a3a4)が(1)の領域に含まれる確率を求めよ.

難易度5/ 10計算量5/ 10目安18

図形と方程式確率 絶対値の処理、数え上げ対称性の利用

方針

(1)x,y 平面で中心 (2,2),半径1の円板を考え,符号の組み合わせで4象限に写す。つまり中心 (±2,±2) の4つの円板の和集合になる。(2) は aiaj の差の分布を使う。2個のさいころの差が d になる場合の数は 6d なので,(1)の領域に入る整数格子点を (x,y) で列挙して数える。

解答

(1) 不等式は (x2)2+(y2)21 である。X=xY=y と見ると (X2)2+(Y2)21 であり,これは (X,Y) 平面では中心 (2,2),半径1の円板である。

元の xy 平面では xy が使われているため,これが4象限に対称に現れる。したがって表す領域は,中心 (2,2),(2,2),(2,2),(2,2) 半径 1 の4つの円板の内部および周である。これらの円板はそれぞれ各象限内にあり,座標軸には接しない。

(2) 2個のさいころを順に投げたとき,差が d になる組の数を数える。5d5 について #{(u,v):uv=d}=6d である。したがって d=1,2,3 となる場合の数は,それぞれ 10,8,6 である。

ここで x=a1a2,y=a3a4 であり,x,y は整数である。(1)の領域に含まれる整数点を調べるため,u=xv=y とおくと (u2)2+(v2)21 である。u,v は非負整数だから,可能なのは (u,v)=(2,2),(3,2),(1,2),(2,3),(2,1) である。

各場合の数を掛け合わせる。x=1,2,3 の場合の数はそれぞれ 10,8,6 であり,xy は別々の2回のさいころの差なので独立に数えられる。したがって条件を満たす出方の数は 88+68+108+86+810 である。これは 64+48+80+48+80=320 である。

全事象は 64=1296 通りであるから,求める確率は 3201296=2081 である。

絶対値が作る4つの円板

各円板の中心は (±2,±2)、半径は1で、境界も含む。

総評

目安時間は18分前後。絶対値を含む図形を4つの円板として正しく描き,その後は差の分布で格子点を数える問題である。d=1,2,3 の場合の数が 10,8,6 になることを先に表にしておくと,後半の積の計算が安定する。領域内の整数点を円板全体から数えようとせず,(x,y) の候補を5つに絞るのが要点である。

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出典: 大阪大学 2010年度 前期 数学(文系)(大学公式の問題PDF)。問題文はHTML表示のために再入力・数式組版しています。