2026年9月20日日曜日

円順列とじゅず順列(2a)黒玉2つ白玉2つ

以下は、ここをクリックした先の問題の解答です。

円順列とじゅず順列の数を求めます。


【問2a】
(1)玉●2個と○2個を円形に並べる方法(円順列)は何通りあるか。
(2)更に、それらを連結したじゅずを作る方法(じゅず順列)は何通りあるか。


(1)先ず、円順列の数を求めます。
【円順列の数の解】

黒玉●と白玉○を並べる席が2+2=4箇所あります。
4つの席が固定されているならば、●2つを並べる組み合わせの数は、
4C2=4×3/2=6通り
あります。
席への●と○の1つの配置は回転させると、固定した席に対しては異なる配置になりますが、回転させると元の配置に戻るので、円順列では同じ配置が重複して数えられているとみなせます。

(第1のタイプ:1/2回転して元に戻るタイプの配置)=周期2のタイプ:
 2つの黒玉●の配置の形が、1/2回転すると元の形と同じ配置の形になるものがある。
それは下図のような黒玉●の配置の場合です。

この形は、固定席に対して1/4回転ずつ回転すると(固定席に対しては)元の配置とは異なる配置になる。つまり、固定席に対しては、この配置と、それを1/4回転した配置との2個の異なる配置パターンができる(周期が2である)。そのため、このタイプの(席を固定しないで数える)円順列の配置の数は、このタイプの配置の、固定席への配置の数を周期の2で割り算して数える。
(1)詳しくは、この周期2のタイプの配置の、固定席への配置の数は、玉の数を半分にした白玉〇1つと黒玉●1つの配置を数えることで求められる。その数は、
2C1=2,
です。
(2)そして、固定席への配置の数を周期の2で割り算した数
2/2=1,
が、上図の第1のタイプの配置パターンの、(席を固定しないで数える)円順列の数です。


(第2のタイプ:1回転して初めて元に戻るタイプの配置)=周期4のタイプ:

 先に計算した固定席の全ての配置の数は6通りであった。その6通りの配置のうち、第1のタイプの配置以外の配置の数は、6-2=4通りあり、その配置は、1回転して初めて元にもどる。その配置は、上図のように、元の配置の形から1/4回転ずつで新しい配置パターンが作られる。つまり、0回転、1/4回転、2/4回転、3/4回転との(固定席に対しては)4つの異なる配置パターンが作られる(周期が4である)。この、1回転して初めて元に戻る配置のタイプの(席を固定しないで数える)円順列の配置パターンの数は、そのタイプの固定席に対する配置の数を4で割り算して数える。

(第2のタイプの配置の固定席での配置数)
 第2のタイプの配置は、1回転(360°の回転)しないと元の形と同じにはならない。
詳しくは、(固定席での)第2のタイプの円順列が回転してできる(固定席の)配置の数は、(全配置の数)-(第1のタイプの配置の数)なので、
(固定席での)第2のタイプの配置の数
=(固定席での全配置数)-(固定席での第1のタイプの配置の数)
=(固定席での全配置数)-(第1のタイプの円順列の数×2)

=4C2-(1×2)=6-2=4
です。
(第2のタイプの配置の円順列の数)
その数を4で割り算することで、第2のタイプの配置の(席を固定しないで数える)円順列の数が得られる。
第2のタイプの配置の円順列の数=4/4=1

(全部の円順列の数)
一方、第1のタイプの配置の円順列の数は1個でした。
そのため、全部の円順列の数は、
円順列の数=1+1=2
である。
(円順列の数おわり)

(2)次に、じゅず順列の数を求めます。
じゅず順列の場合の数を計算するには、円順列の配置毎に、
円を半分に分ける線でその円順列の配置を対称に裏返して、
それが、異なる円順列の配置になるかどうかを調べます。
この問題の場合は、どの円順列の配置の円を裏返しても、新しくできる配置も、
裏返す元の配置を回転したのと同じ配置ができます。

 ここで円の中心を通る裏返し線を円の中心のまわりに回転させると、
おりかえしてできる配置が円の中心のまわりに回転します。
裏返し線を、2つの●の間を通る位置に設定すれば、
その裏返し線で裏返した配置が、もとの配置と同じ配置になります。すなわち、どの配置も線対称な配置です。

 そのため、じゅず順列の数より円順列の数が多くなるということはありません。
ゆえに、じゅず順列の数は、円順列の数と同じ、2組です。

場合の数と確率
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2026年6月14日日曜日

区別できない4個の玉を、区別できない2組に分ける組み分けの数

以下は、ここをクリックした先の問題の解答です。

【問1】
 区別できない4個の玉を、(各組に1個以上は入れて)A組とB組に分ける組み分けは何通りあるか。

【問2】
 区別できない4個の玉を、(各組に1個以上は入れて、組の区別なく)2つの組に分ける組み分けは何通りあるか。

【問3】
 区別できない6個の玉を、(各組に1個以上は入れて)A組とB組とC組に分ける組み分けは何通りあるか。

【問4】
 区別できない6個の玉を、(各組に1個以上は入れて、組の区別なく)3つの組に分ける組み分けは何通りあるか。

【問4b】
 区別できない6個の玉を、(0個の組があっても良く、組の区別なく)3つの組に分ける組み分けは何通りあるか。

 以下、各問毎に解答する。
【問1】
 区別できない4個の玉を、(各組に1個以上は入れて)A組とB組に分ける組み分けは何通りあるか。

【解1】
 区別できない4個の玉の組み分けは、一列に並べた4個の玉の間の3つのすき間のうちの1つを選んで仕切りを入れて、その仕切りの前にある玉をA組の玉とし、仕切りの後ろにある玉をB組の玉とすることで組分けする。


その3つのすき間の選び方が3つあるので、A組とB組への組み分けが、3つ作れる。
よって、A組とB組への組み分けの数は3通りできる。
(解1おわり)

【解2】
 問1の解1における4個の玉を、下図の赤矢印に対応させて、組Aと組Bとの分けるために選ぶすき間を、組A用の横線から組B用の横線に経路を遷移する青矢印に対応させる。そうすると解1の解き方の問題が、下図の、点aから点bまでの経路を求める問題に置き換わる。

その点aから点bまでの経路が3つあるので、A組とB組への組み分けが、3つ作れる。
よって、A組とB組への組み分けの数は3通りできる。
(解2おわり)

【問2】
 区別できない4個の玉を、(各組に1個以上は入れて、組の区別なく)2つの組に分ける組み分けは何通りあるか。

【解1】
 問1でA組とB組に分けた組み分けは、組名のAとBを付け替えると同じ順列になる2つの順列は、組の区別がない2組に分ける場合は、同じ組み分けになる。すなわち、問1でA組とB組に分けた、下図で(左右対称ではない)2つの順列は、順列の左右を反転させると互いに重なる。この2つの順列は、組の区別がない2組の分け方では、同じ1つの分け方である。

上図で、左右対称な1つの順列は、組名のAとBを付け替えても、順列が変わらない。つまり、順列の左右を反転させても変わらない(自分自身の重なる)。この1つの順列は、組の区別がない2組の分け方でも、1つの分け方と数えられる。
 ゆえに、組の区別がない2組の分け方では、
以上の通り、左右対称ではない組み分けが1つと、左右対称な組み分けが1つとの、合わせて2通りの組み分けができる。
(解1おわり)

【解2】
 区別できない4個の玉を組み分けするとき、玉の数によって、組の特徴を把握できる。
(3個と,1個)の組み分け、
(2個と,2個)の組み分け、
とができる。
よって、合わせて2通りの組み分けができる。
(解2おわり)

【問3】
 区別できない6個の玉を、(各組に1個以上は入れて)A組とB組とC組に分ける組み分けは何通りあるか。

【解1】
 先ず、問3の6個の玉のうちの3つを、組Aと組Bと組Cに1つずつ割り当てる。残った3つの玉を、下図の赤矢印に対応させて、3つの玉の各組への割り当てを、組Aと組Bと組Cの分けるために選ぶすき間を、組A用の横線から組B用の横線に経路を遷移する青矢印とに対応させる。そうすると、問3が、下図の、点aから点bまでの経路を求める問題に置き換わる。

その点aから点bまでの経路が10個あるので、A組とB組とC組への組み分けが、10個作れる。
よって、A組とB組とC組への組み分けの数は10通りできる。
(解1おわり)

【解2】
 下図のように、問3の6個の玉の間の5つのすき間のうちの2つを選び、そのすき間の左右の玉を、組Aと組Bと組Cの玉にする。

その2つのすき間の選び方の組み合わせが10個あるので、A組とB組とC組への組み分けが、10個作れる。
よって、A組とB組とC組への組み分けの数は10通りできる。
(解2おわり)

【問4】
 区別できない6個の玉を、(各組に1個以上は入れて、組の区別なく)3つの組に分ける組み分けは何通りあるか。

【解1】
 A,B,Cの入れ替えで移り変わる順列を、合わせて1つの順列とみなす。

移り変わる順列を数えると、3組ある。
よって、3通りの組み分けができる。
(解1おわり)

【解2】
 区別できない6個の玉を組み分けするとき、玉の数によって、組の特徴を把握できる。
(4,1,1)の組み分け、
(3,2,1)の組み分け、
(2,2,2)の組み分け、
とができる。
よって、合わせて3通りの組み分けができる。
(解2おわり)

【問4b】
 区別できない6個の玉を、(0個の組があっても良く、組の区別なく)3つの組に分ける組み分けは何通りあるか。

【解答】
 区別できない6個の玉を組み分けするとき、玉の数によって、組の特徴を把握できる。
(6,0,0)の組み分け、

(5,1,0)の組み分け、
(4,2,0)の組み分け、
(3,3,0)の組み分け、

(4,1,1)の組み分け、
(3,2,1)の組み分け、
(2,2,2)の組み分け、
とができる。
よって、合わせて7通りの組み分けができる。
(解答おわり)

リンク:
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2026年5月24日日曜日

整数係数の因数に因数分解できる多項式の因数分解

以下は、ここをクリックした先の問題の解答です。

ページ内リンク
▷因数分解のための連立方程式の1つの解のみを求める計算技術

【問1】
 以下の4次式を因数分解せよ。



【解答】
(解答の方針)
 以下のような整数係数の因数の積であらわせると考える。


この方針で、先ず、以下の計算をする。

因数定理により因数が求められた。この因数で因数分解する。


以上をまとめて、元の関数の因数分解を完成させる。

(解答おわり)

《4次式を2次式の積へ因数分解する方法》
 4次式を2つの2次式の積に因数分解する方法を以下に示す。


【問1の第2の解】

(この条件が成り立っていなければ、この解き方での解を見つけるのが難しい)
問1の4次式は、以下のようにして、2次式の積に因数分解する。


(第2の解おわり)

【問2】
 以下の4次式を2つの2次式の積に因数分解せよ。


【解答】

以下のようにして、2次式の積に因数分解する。

(解答おわり)

【問3】
 以下の4次式を2つの2次式の積に因数分解せよ。


【解答】

以下のようにして、2次式の積に因数分解する。
以下で、式(7)が成り立つように式(6)でbの値を定める。

(解答おわり)

【問4】
 以下の4次式を2つの2次式の積に因数分解せよ。


【解1】
 cの値を順次に変えて、ぴったり合う解になるまで試行する。以下のように、ぴったり合う解を得て、2次式の積に因数分解する。

(解1おわり)

【解2】
 解1では、cの値を順次に変えて、ぴったり合う解になるまで試行した。しかし、限られた個数の整数解の候補であっても、その候補の数が多ければ、多くの候補をいちいち確認しなければならない。それでは大変である。それよりは、方程式を解いて整数解を求める方が現実的である。整数解を持つことが分かっている方程式は容易に解ける。そういう方程式を解くことが望ましい。



この式のsの1つの整数解を求める。その整数解は、式(1)のxの1つの有理数解を求める場合よりも簡単に求めることができる。

こうして整数解のcが求められた。

(解2おわり)

《xの4乗の項の係数が1では無い式の因数分解》
 この因数分解の解の整数係数a,b,cも、以下のようにして求められる。


 先ず、この式(10)の整数解sを求める。
次に、その整数解sを使って以下の計算をする。

この方程式(12)のzの整数解αとβを求める。
その整数解を使って以下の計算をする。

式(13)に式(12)のβを代入してcとaの比を得る。その比を使って整数aとcを定める。次に整数bを、式(6)(7)を使って求める。
(解答おわり)

〘補足〙
 以上の解き方は、整数係数の因数の2次式に因数分解する場合だけでなく、一般の4次方程式の解を求める場合にも利用できる。式(10)は3次方程式になった。3次方程式の解の公式を使って式(10)を解くことにして、一般の4次方程式を解くためにも、この方法が使える。

【問1の第3の解】
 問1を、上記の解き方を使って以下の様に解く。

この式(20)のsの1つの整数解を求める。その整数解は、式(1)のxの1つの有理数解を求める場合よりも簡単に求めることができる。
そのsの1つの整数解は以下の値である。


(第3の解おわり)

《因数分解のための連立方程式の1つの解のみを求める計算技術》
【問5】
 以下の4次式を因数分解せよ。


【解1】
 以下の式のように、因数分解すべき関数を変数aの関数f(a) と考えて、式をaに関して整理して式(1) を得る。

この式(1)を、パラメータbに関する整式g(b),c(b),h(b)を係数とする以下の形の式に因数分解しようと考える。ここで、式g(b),c(b),h(b)はbに関する整式(単純な式)であることに留意して計算を進める注意が必要である。

この式(2)と先の式(1)が同じ式になるように、変数aの3次の項の係数を比較し、2次の項、1次の項の係数を比較し、変数aに係る定数項を比較して、以下の連立方程式(3)(4)(5)を得る。

ここで、因数分解の目的のためには、連立方程式(3)(4)(5)の全部の解を求める必要は無く、解の1つを求めるだけで良い。


この式(8) を成り立たせる(パラメータbの整式)cとgが、以下の単純な式(9)(10)であらわされると仮定する。(解を仮定して方程式の解の1つを求める計算技術)

(注意:この仮定をせずに、式g,c,hがパラメータbの整式であるという条件を厳密に適用して連立方程式を解くことでも、結局は式(9)(10)の解が得られるが、その計算は煩雑になる)

この式(9)(10)が解として正しいかを判定するために、式(9)(10)を式(4)に代入して、hの式を得て、そのhの式が、式(6)や式(7)から得られるhの式と同じになるかを確認する。

この式(11)は、式(6)や式(7)から得られるhの式と同じになった。よって、式(9)(10)(11)が、連立方程式(3)(4)(5)の解の1つである。

(解1おわり)

【解2】
 しかしながら、解1の計算技術は、あまりにも技巧的すぎて、問題の答案の採点者には理解されにくい。そのため、解答用紙には、以下のように、この解1で求めた因数分解の式を逆に展開して元の式を得る。そして、その式の最後の行を最初に書いて、逆に式を書いていき、最後に解答の因数分解の式を書く式を書いて、因数分解の解答として書けば良い。

それは、発想の順では無いが、解答の式としてはつじつまが合っているので、それを解答として記述すれば良い。

(解2おわり)

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