方針
優勝が決まる最後の試合は、優勝チームの 勝目である。その直前までに優勝チームは 勝、相手は 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 回である。 となるのは、どちらか一方のチームが最初から 連勝する場合なので である。
次に 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 試合では、優勝チームが 勝、相手が1勝していればよい。その相手の1勝の位置は 通りである。優勝チームは2通りあるから である。したがって である。
(2) とする。ただし 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 試合では、優勝チームが 勝、相手が 勝している必要がある。
その並び方は 通りである。優勝チームは の2通りなのでである。
(3)
(2) の確率を、 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 である。
ここで とおくと となる。両辺に を掛ければ である。よって 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 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) (2)
優勝チームと最後の1試合を固定して数えると(3)
パスカルの関係を用いると第1の和は第2の和はである。ここでだから端の項が相殺し、 を得る。
より
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 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。