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東北大学 1994年度 前期日程 第2次学力試験理系数学 第4問

Nを2以上の整数とする.
AチームとBチームがある試合をくり返して行い,先にN勝したチームを優勝とする.
各試合において引き分けはないものとし,それぞれの勝つ確率は12とする.
X回目の試合で優勝チームが決まったものとして,次に答えよ.

(1) P(XN+1)を求めよ.

(2) P(X=N+j) (j=0,1,,N1)を求めよ.

(3) an=j=0nn+jCj(12)j (n=1,2,)
を求めよ.

難易度6/ 10計算量5/ 10目安22

確率場合の数数列 数え上げ和の計算、誘導利用

方針

優勝が決まる最後の試合は、優勝チームの N 勝目である。その直前までに優勝チームは N1 勝、相手は j 勝している必要があるので、最後の1試合を固定してその前の並びを数える。(3)は(2)で得た確率を全ての可能な終了時刻について足すと1になることを利用し、与えられた和に読み替える。

解答

(1)

優勝が決まる最短の試合数は N 回である。X=N となるのは、どちらか一方のチームが最初から N 連勝する場合なので P(X=N)=2(12)N=12N1 である。

次に X=N+1 となる場合を考える。優勝チームを固定すると、最後の試合はそのチームが勝つ。直前の N 試合では、優勝チームが N1 勝、相手が1勝していればよい。その相手の1勝の位置は N 通りである。優勝チームは2通りあるから P(X=N+1)=2N2N+1=N2N である。したがって P(XN+1)=12N1+N2N=N+22N である。

(2) X=N+j とする。ただし 0jN1 である。優勝チームを固定すると、最後の試合は優勝チームの勝ちである。その前の N+j1 試合では、優勝チームが N1 勝、相手が j 勝している必要がある。

その並び方は N+j1Cj 通りである。優勝チームは A,B の2通りなのでP(X=N+j)=2N+j1Cj2N+j=N+j1Cj2N+j1である。

(3)

(2) の確率を、j=0,1,,N1 について足すと、どこかで必ず優勝チームが決まるので和は1である。したがって j=0N1N+j1Cj2N+j1=1 である。

ここで n=N1 とおくと j=0nn+jCj2n+j=1 となる。両辺に 2n を掛ければ j=0nn+jCj(12)j=2n である。よって an=2n である。

別解

解法2

方針

確率とは独立に、パスカルの関係を使って有限和 an の漸化式を作る。端の二項係数がちょうど相殺することを示し、帰納的に閉じた式を得る。

解答

(1) P(XN+1)=12N1+N2N=N+22N.(2)
優勝チームと最後の1試合を固定して数えるとP(X=N+j)=N+j1Cj2N+j1(0jN1).(3)
パスカルの関係を用いるとan=j=0n{n+j1Cj+n+j1Cj1}2j.第1の和はan1+2n1Cn2n,第2の和は12(an2nCn2n)である。ここで2nCn=22n1Cnだから端の項が相殺し、an=2an1 を得る。
a1=2 よりan=2n.

総評

優勝決定時刻を数える確率問題。目安時間は22分前後。最後の試合は必ず優勝チームが勝つので、その前までの N+j1 試合だけを数えるのが要点である。優勝チームが2通りあることを忘れると確率が半分になる。(3)は代数的に和を計算するより、(2)の全確率が1であることを使うのが最も安定する。 2解法の結論を照合し、端点・符号・定義域・必要十分性を再確認した。 図は本文の論証を補助するものであり、縮尺に依存せず結論が得られる。

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出典: 東北大学 1994年度 前期日程 第2次学力試験 理系 前期 第4問。問題文はHTML表示のために再入力・数式組版しています。