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東北大学 1995年度 前期日程 第2次学力試験理系数学 第3問

1から20までの番号札がそれぞれ1枚ずつある.
これらの20枚の番号札から同時に2枚無作為に取り出し,
大きい番号をmとし,小さい番号をnとする.
実数aに対して[a]aを超えない最大の整数を表すものとして,
以下の問に答えよ.

(1) [log10mn]=1となる
mnの組をすべて求めよ.

(2) log10mn<[log10mn]+log102となる
確率を求めよ.

難易度6/ 10計算量6/ 10目安20

場合の数確率指数・対数 数え上げ、場合分け、範囲評価

方針

床関数の条件を m/n の範囲に戻して数える。1<m/n20 なので [log10(m/n)] は0または1だけである。(2) ではそれぞれの場合に m/n<210m/n<20 という範囲へ直し,端点 m/n=20 が除かれることに注意して組数を数える。

解答

(1) [log10mn]=1 であることは 1log10mn<2 と同値であり,したがって 10mn<100 である。いま 1n<m20 なので,実際には 10nm20 を満たす組を探せばよい。n=1 のときは m=10,11,,20 が可能である。n=2 のときは m=20 のみが可能である。n3 では 10n>20 となり不可能である。よって求める組は (n,m)=(1,10),(1,11),,(1,20),(2,20) である。

(2) 1<m/n20 であるから,[log10(m/n)] は0または1である。

まず 0log10mn<1 すなわち 1<m/n<10 の場合を考える。このとき条件は log10mn<log102 であるから 1<mn<2 となる。この組数を数える。m<2nm>nm20 であるから,1n10 では n1 通り,11n20 では 20n 通りである。したがってn=110(n1)+n=1120(20n)=45+45=90通りである。

次に 1log10mn<2 の場合,つまり 10m/n<100 の場合を考える。このとき条件は log10mn<1+log102=log1020 であるから 10mn<20 となる。n=1 では m=10,11,,19 の10通り,n=2 では m=20 の1通りであり,合計11通りである。(1,20)m/n=20 なので,ここでは除かれる。

よって条件を満たす組は 90+11=101 通りである。全体の取り出し方は 20C2=190 通りで等確率だから,求める確率は 101190 である。

番号対 (n,m) の数え上げ

別解

解法2

方針

小さい番号 n を固定し、条件を満たす大きい番号 m の個数を表にして数える。比が2未満の部分と10以上20未満の部分を、端点の含み方まで分けて集計する。

解答

(1) [log10mn]=1    10mn<100.m20 より n=1,2 だけを調べればよい。n=1 では
m=10,11,,20n=2 では m=20 である。

(2)
条件を比へ戻すと、可能なのは1<mn<2または10mn<20である。前者について n を固定した個数はnm の範囲個数1n10n+1m2n1n111n20n+1m2020nだからn=110(n1)+n=1120(20n)=45+45=90.後者は n=1, m=10,,19 の10組と
n=2, m=20 の1組で、合計11組である。したがって有利な組は
101 組、全体は20C2=190組なので、求める確率は101190である。

総評

難度は10段階中6、計算量は10段階中6。目安時間は20分。床関数を見たら,まず不等式の範囲に戻すのが基本である。本問では m/n の最大値が20なので,整数部分は0か1に限られる。(2) では m/n=2 は第1の場合に含まれず,m/n=20 も第2の場合に含まれない。端点の不等号を丁寧に扱い,組数を表で整理すると数え落としを防げる。 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。図を含む場合は本文との対応と縮尺に依存しない論証も確認している。

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出典: 東北大学 1995年度 前期日程 理系 第3問。問題文はHTML表示のために再入力・数式組版しています。