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東北大学 1983年度 前期日程 第2次学力試験理系数学 第4問

n枚(n≧2)のカードC1, C2, ⋯⋯ , Cnがあり,
C1に1,C2に2,⋯⋯,Cnにnと記入してある.
この中から任意に2枚のカードを取り出すとき,
取り出されたカードに記入してある数のうち小さい方をX,大きい方をYとする.
次の問に答えよ.

(1) Xの確率分布とYの確率分布を求めよ.

(2) Xの期待値とYの期待値を求めよ.

難易度4/ 10計算量3/ 10目安14分

確率 数え上げ、期待値、計算整理

方針

全事象を順序なしの2枚の組で数える。X=k では相手が k より大きいカード、Y=k では相手が小さいカードである。期待値は得られた分布へ基本和を代入する。

解答

全事象はn(n−1)2通りである。

(1) Pr⁡(X=k)=2(n−k)n(n−1)(k=1,…,n−1),Pr⁡(Y=k)=2(k−1)n(n−1)(k=2,…,n).(2)E(X)=2n(n−1)(n∑k=1n−1k−∑k=1n−1k2)=n+13.同様にE(Y)=2n(n−1)(∑k=1nk2−∑k=1nk)=2(n+1)3.

別解

解法2

方針

E(X) は正整数値確率変数の公式 E(X)=∑jPr⁡(X≧j) で求める。Y はカード番号を k↦n+1−k と反転する対称性から n+1−Y が X と同じ分布になる。

解答

(1)
X=k となる組は n−k 個、Y=k となる組は k−1 個だからPr⁡(X=k)=2(n−k)n(n−1),Pr⁡(Y=k)=2(k−1)n(n−1).(2)E(X)=∑j=1n−1Pr⁡(X≧j).X≧j は2枚とも j,j+1,…,n から選ぶことだからE(X)=1n(n−1)∑j=1n−1(n−j+1)(n−j)=n+13.カード番号を k↦n+1−k と入れ替えると、小さい方 X は n+1−Y に移る。したがってE(X)=n+1−E(Y).よってE(Y)=2(n+1)3である。

総評

順序なしの2枚から最小値・最大値の分布と期待値を求める。目安時間は14分。値域を X=1,…,n−1、Y=2,…,n と明記する。分布の直接和と尾確率・番号反転の2解法で期待値を照合した。

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出典: 東北大学 1983年度 前期 数学。問題文はHTML表示のために再入力・数式組版しています。