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大阪大学 2022年度 前期日程 第2次学力試験文系数学 第2問

nを2以上の自然数とし,1個のさいころをn回投げて出る目の数を順に
X1,X2,,Xnとする.
X1,X2,,Xn
最小公倍数をLn,最大公約数をGnとするとき,
以下の問いに答えよ.

(1) L2=5となる確率およびG2=5となる確率を求めよ.

(2) Lnが素数でない確率を求めよ.

(3) Gnが素数でない確率を求めよ.

難易度5/ 10計算量5/ 10目安18

確率整数 数え上げ、余事象、最大公約数

方針

1 は2回の出目を直接列挙する。2Ln が素数 p になる条件を,すべての出目が 1 または p で,少なくとも1回は p が出ることと読む。出目に現れる素数は 2,3,5 だけなので,3種類を排反に数えて余事象を取る。3Gn が素数 p になる条件を p=2,3,5 で分ける。Gn=2 では全て偶数から,全て 4,全て 6 の場合を除くなど,最大公約数がその素数より大きくなる場合を落とす。

解答

(1) L2=5 となるには,2つの出目の最小公倍数が5でなければならない。出目は 1 から 6 までなので,可能なのは (X1,X2)=(1,5),(5,1),(5,5) の3通りである。全体は 62=36 通りだから,確率は 336=112 である。 G2=5 となるには,2つの出目がともに5の倍数でなければならない。出目の範囲では5の倍数は5だけなので (X1,X2)=(5,5) の1通りである。よって確率は 136 である。

(2) Ln が素数である場合を数える。Ln=p が素数であるためには,すべての出目が p の約数でなければならない。出目の中で使える約数は 1p だけである。さらに,少なくとも1回は p が出なければ,最小公倍数は1になってしまう。

出目に現れる可能性のある素数は p=2,3,5 である。各 p について,各回の出目は 1 または p の2通りであり,すべて 1 の1通りを除くので 2n1 通りである。p=2,3,5 の場合は,最小公倍数が異なるので互いに重ならない。

したがって Ln が素数である出方は 3(2n1) 通りである。全体は 6n 通りだから,Ln が素数でない確率は 13(2n1)6n である。

(3) Gn が素数である場合を数える。可能な素数はやはり 2,3,5 である。

まず Gn=2 となる場合を考える。すべての出目が2の倍数でなければならないので,各回の出目は 2,4,6 のいずれかである。この出方は 3n 通りある。ただし,すべての出目が 4 のとき最大公約数は4であり,すべての出目が 6 のとき最大公約数は6である。これら2通りだけを除けば最大公約数はちょうど2である。よって Gn=2 となる出方は 3n2 通り である。

次に Gn=3 となる場合は,すべての出目が3の倍数,すなわち 3,6 のいずれかであり,かつすべてが 6 ではない場合である。したがって 2n1 通りである。

最後に Gn=5 となるには,すべての出目が5の倍数でなければならない。出目の範囲では5だけなので,すべての出目が5である1通りである。

これらは Gn の値が異なるため互いに排反である。よって Gn が素数である出方は (3n2)+(2n1)+1=3n+2n2 通りである。したがって Gn が素数でない確率は 13n+2n26n である。

別解

解法2(倍数集合の包含関係)

方針

最小公倍数については,Ln=p を「全てが {1,p} に属し,少なくとも1回 p」と集合で数える。最大公約数については,d の倍数だけが出る列の個数を N(d) とおき,より大きい最大公約数をもつ列を包含関係に沿って引く。個々の列挙をせず,約数の階層で整理する方法である。

解答

(1)
L2=5 となる列は(1,5), (5,1), (5,5)の3通りである。一方,G2=5 となる列は (5,5) の1通りだけである。よってP(L2=5)=112,P(G2=5)=136.(2)
素数 p{2,3,5} に対し,Ln=p となる列全体を Ap とする。各項は 1,p のいずれかであり,全てが1の列だけを除くからAp=2n1.3集合 A2,A3,A5 は排反なので#{Ln が素数}=3(2n1).したがってP(Ln が素数でない)=13(2n1)6n.(3)
全ての出目が d の倍数である列の個数を N(d) とする。出目が1から6なのでN(2)=3n,N(3)=2n,N(4)=N(5)=N(6)=1.偶数の出目は 2,4,6 だけである。最大公約数が2より大きい偶数になるのは,全て4または全て6の場合だけだから#{Gn=2}=N(2)N(4)N(6)=3n2.同様に,3の倍数は 3,6 であり,全て6の場合を除けばよいので#{Gn=3}=N(3)N(6)=2n1.また#{Gn=5}=N(5)=1.したがって#{Gn が素数}=(3n2)+(2n1)+1=3n+2n2.ゆえにP(Gn が素数でない)=13n+2n26n.

総評

公式出題意図は,最小公倍数・最大公約数の基本性質を踏まえ,指定された事象の確率を求める計算力を測るものとしている。Ln では「1と素数だけ」,Gn では「全てが素数の倍数」という条件の違いを明確にすることが第一歩である。特に Gn=2 で全て4,全て6を除く点が典型的な落とし穴になる。解法2の N(d) による整理は,出目の種類が増えた類題にも拡張しやすい。想定時間は18分程度。

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出典: 大阪大学 2022年度 前期 数学(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。