2025年10月31日金曜日

確率の難問の解き方

これは、ここをクリックした先の問題の解答です。

【問1】
  袋の中に、1と書かれたカードが4枚、2と書かれたカードが3枚、3と書かれたカードが2枚、計9枚のカードが入っている。この袋の中から同時に3枚のカードを取り出す。
(1)取り出した3枚のカードに書かれている数字がすべて異なる確率を求めよ。
(2)取り出した3枚のカードの中に同じ数字が書かれたカードが含まれていたとき、その同じ数字が1である条件付き確率を求めよ。

【解答】
 この問題は、
「樹形図の基本ルール(その2)」
のページを参考にして、以下の図のように、確率樹形図の全貌(の概形)を計算用紙に記述して考える。

(注意)この確率樹形図が書ききれないので、この問題は難問だとわかる。

特に、
「複数の玉を同時に取り出す確率の問題とコンビネーションを用いて良い定理」
のページの結論により、
「同時に」カードを取り出す問題であっても、そのカードを、時間差をもうけた「順番に」取り出す問題と考えて問題をわかり易くして解く。
すなわち、確率樹形図の枝を表す事象の連鎖は、
「順番に確認する事象」をあらわすようにする。

(この問題への事象の要素の順番の導入方法は)同時に取り出した3枚のカードの、カードを確認する順番の、1枚目、2枚目、3枚目の順を考えることで事象の要素の順番を導入して確率樹形図を書く。

その事象の連鎖毎に確率を考えて解く(そうする方が解き易いからである)。

問(1)は、
3枚のカードの番号が全て異なる場合である。
順番を考えた事象の連鎖毎の確率が、

の6組ある(事象の連鎖の要素の順番のバラエティが6である)ことを認識して解く。
 その6組の事象の連鎖の、各事象の連鎖の確率の式は、分母が、1枚目と2枚目と3枚目のカードを選ぶときに残っているカードの枚数を掛け算した値であって一定である。一方、確率の式の分子では、取り出す候補のカードの枚数の順番が異なるだけで、
(1枚目に取り出す候補のカードの枚数)×(2枚目に取り出す候補のカードの枚数)×(3枚目に取り出す候補のカードの枚数)
であらわす、カードの枚数の積の値が変わらない。そのためどの事象の連鎖の確率も皆同じ確率になるので、
答えは、1つの事象の連鎖の確率の6倍になり、確率の合計は、

(問(1)の解答おわり)

(次の問(2)のヒントとしてこの解を位置付けることができるために、この問(1)の解が簡単に解けたと感じる感覚が必要です。)

問(2)は、
取り出した3枚のカードの中に同じ数字が書かれたカードが含まれている場合である。
 添付図のような事象の連鎖を考える。 同じ数字が含まれているあらゆる事象の連鎖を記載し、各事象の連鎖毎に、その確率と、事象の要素の順番を入れ替える順番のバラエティを、以下のように記載する。

その総和を計算できる。
その総和は、いちいち計算しても得られますが、

そこまで苦労しないでも、
問(2)の同じ数字が含まれている場合は、問(1)の場合の余事象なので、
その確率=1ー(2/7)=5/7,
で簡単に計算できる。

よって、同じ数字が1である条件付き確率=
(1が2枚以上ある確率)÷(5/7)=

(問(2)の解答おわり)

 計算用紙の計算で以上の解答が得られたので、
問題(2)の解答用紙には、
【問(2)の、解答用紙への記述の開始】
(同じ数字が含まれている場合の確率)
は、
問(1)の場合の余事象の確率=1ー(2/7)=5/7,
で計算して答えを得る。

(1が2枚以上ある確率)の計算では、

だけを計算する。
 ここで、(1,1,x)の事象の連鎖の要素の順番を変えた(1,x,1)と(x,1,1)とを合わせた3つの事象の連鎖については、各事象の連鎖の確率の式は、 分母が、1枚目と2枚目と3枚目のカードを選ぶときに残っているカードの枚数を掛け算した値であって一定である。 一方、確率の式の分子は、取り出すべき候補のカードの枚数の順番が異なるだけで、取り出す候補のカードの枚数の積の値が変わらない。そのためどの事象の連鎖の確率も皆同じ確率になるので、この3つの事象の連鎖の確率の合計は、そのうちの1つの事象の連鎖の確率の3倍になる。

 そして、以下の式で、問(2)の答えがあらわせる。
同じ数字が1である条件付き確率=

(問(2)の解答おわり)
と記載すれば良い。
(解答おわり)

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2025年10月29日水曜日

三角形の各辺の垂直二等分線が一点で交わる証明

以下は、ここをクリックした先の問題の解答です。

【問1】
 下図の三角形ABC(頂点Bを原点Oとする)の各辺の垂直二等分線が一点で交わることを証明せよ。



【解1:証明開始】
 先ず、三角形ABCの頂点Bを原点Oとする。線分OAの中点をNとし、線分OCの中点をMとし、線分ACの中点をDとする。
 そして、辺OAの垂直二等分線と辺OCの垂直二等分線の交点Pの位置ベクトルPを計算する。点Pは、以下の式(1)であらわす直線NPと、式(2)であらわす直線MPとの交点である。以下の計算により、式(1)と式(2)を連立して、未知数mを求めて位置ベクトルPを求める。


この式で求めた未知数mを位置ベクトルPの式2に代入する。
位置ベクトルPが式(5)で得られた。

 次に、辺ACの中点をDとし、ベクトルDPとベクトルACとの内積を計算することで、直線DPが直線ACに直交することを証明する。式(5)で求めた点Pの位置ベクトルを使って、以下でその内積を計算する。

ベクトルDPとベクトルACとの内積が0になった。
ゆえに、直線DPが直線ACに直交する。すなわち、直線DPは線分ACの垂直二等分線である。
 よって、三角形ABCの各辺の垂直二等分線が一点Pで交わる。
(解1の証明おわり)

【解2:証明開始】
 先ず、三角形ABCの頂点Bを原点Oとする。線分OAの中点をNとし、線分OCの中点をMとし、線分ACの中点をDとする。
 そして、辺OAの垂直二等分線と辺OCの垂直二等分線の交点をPとすると、以下の式(1)と式(2)が成り立つ。

 次に、ベクトルDPとベクトルACの内積を計算する。

ベクトルDPとベクトルACとの内積が0になった。
ゆえに、直線DPが直線ACに直交する。すなわち、直線DPは線分ACの垂直二等分線である。
 よって、三角形ABCの各辺の垂直二等分線が一点Pで交わる。
(解2の証明おわり)

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三角形の高さベクトルhの公式 

2025年10月24日金曜日

CやPを使わずに確率の問題を解く方法

これは、ここをクリックした先の問題の解答です。

【問2】
 Aの袋には白玉4個と赤玉5個、Bの袋には白玉6個と赤玉3個が入っている。 まず、Aの袋から同時に2個の玉を取り出してBの袋に入れ、よく混ぜた後、 Bの袋から同時に2個の玉を取り出してAの袋に入れる。 このとき、Aの袋の中の白玉の個数が増えている確率を求めよ。

【解答】 
 以下の方針に従って、確率を計算する。
「(3) そして、「複数の玉を同時に取り出す確率の問題とコンビネーションを用いて良い定理」のサイトの結論により、「同時に」玉を取り出す問題であっても、その玉を、時間差をもうけた「順番に」取り出す問題と考えて問題をわかり易くして解くのが良い。

 すなわち、玉を順番に取り出すときの確率の計算方法だけ覚えて、
全ての問題を、その解き方だけで解くことにしても良い。」

 この方針で、この問2を、【問2’】
Aの袋に白玉4個、赤玉5個あり、
Bの袋に白玉6個、赤玉3個ある。
 Aの袋から同時に2個の玉を取り出して、その2個の玉を順番にBの袋に入れる。
 次に、
Bの袋から同時に2個の玉を取り出して、その2個の玉を順番にAの袋に入れる。
Aの袋に白玉が増えている確率を求める、
(問題おわり)
という問題であると解釈して問題を解く。

 先ず、以下の事象の連鎖毎に確率を計算する。
(Bに入れる1つ目,Bに入れる2つ目,Aに入れる1つ目,Aに入れる2つ目)



求める確率は、この5つの場合の確率の合計である。

(解答おわり)

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2025年10月16日木曜日

円卓の6席に3人が隣り合わせに座って、3つの空席を連続して空ける場合の数

これは、ここをクリックした先の問題の解答です。

《円順列を計算する上での基本的考え方》
 人を円卓に配置する問題を解くための根本的な考え方は、以下の考え方です。
(1)円卓の1つ1つの席を固定して考えるべき。
(2)席に配置する人の順列は、円卓に対して回転した人の配置は異なる配置であるとして区別して考えるべきである。

【問5】
 円卓の席が6個ある。3人が隣り合わせに座って、3つの空席を連続して空ける場合の、人の配置の数は全部で何通りあるか。

【解答】
 4席の円卓に、人1,人2,人3を3席に配置し、1席に空席予定の玉●3つを置く。

その4席を配置するあらゆる場合の数は、

である。
しかし、そのように、3人を3席に配置し、空席予定の玉●3つを1つの席に配置した状態は、4つの席に配置しているに過ぎない。
 この配置の数は、4つの席に配置された3人と玉●の集合1つとの全てのバラエティである。その回転のバラエティは4である。

 その全てのバラエティから回転のバラエティを無くすために、この配置の数を4分の1にする。

 それは、人が席に座る回転のバラエティを無くした配置の数(いわば、円順列の数)である。
 その円順列の3人と3つの玉●を、円卓の6つの席に配置する。3人が隣り合わせに座って、3つの玉●は、3つの連続する空席に1つづつ置く。

そして、6つの席の人と玉●とを隣の席に1つづつ移す回転をさせることで、6つの席に配置する全ての配置のバラエティを計算する。その回転のバラエティを持たせるために、この配置の数を6倍する。
 それは、6つの席に3人と3つ玉●を1つづつ置く全てのバラエティの数になる。
すなわち、円卓の席6つに、3人が隣り合わせに座って、3つの空席を連続して空ける場合の、人の配置の数は、全部で、

通りある。
(解答おわり)

場合の数と確率
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2025年10月14日火曜日

5席の円卓に3人が座る場合の数

これは、ここをクリックした先の問題の解答です。

《円順列を計算する上での基本的考え方》
 人を円卓に配置する問題を解くための根本的な考え方は、以下の考え方です。
(1)円卓の1つ1つの席を固定して考えるべき。
(2)席に配置する人の順列は、円卓に対して回転した人の配置は異なる配置であるとして区別して考えるべきである。

【問1】
 円卓の席が5個ある。3人の人が、2つの空席が隣り合わ無いように席に座る場合の、人の配置の数は全部で何通りあるか。

【解1】
 人1,人2,人3の右回りの並べ方は、全部で3!=6通りある。
円卓の5個の席のうち、2つの空席が隣り合わない席の配置のパターンの数は、以下の図の空席を表す黒丸と人を表す赤丸の配置のパターンであり、5個のパターンがある。

この5通りのパターン毎に、3人が3!=6通りの配置に座るので、
人の配置の数は全部で、
5×6=30
通りある。
(解1おわり)

【解2】
 人1,人2,人3の右回りの並びの間と3人の並びの前後の2か所との何れかの位置に1つづつで、2つの空席を配置する。ただし、2つの空席が、3人の並びの先頭と最後尾とに配置する場合は除外する。そのような空席の配置のバラエティの数は、

ある。
一方で、人1,人2,人3の右回りの並べ方は、全部で3!=6通りある。
よって、人の配置の数は全部で、
5×6=30
通りある。
(解2おわり)

【解3】
 人1,人2,人3を円卓に並べた人と人の間の3つの間の何れかに、2つの空席を1つづつ配置すれば空席が隣り合わず人の人との間に空席を配置するバラエティの数はその空席の並び方の数、

である。しかし、そのように空席を人と人の間に配置しても、人を円卓の5つの席に配置しているわけでは無く、人は3つの席に配置している状態に留まっている。3つの席に配置した人と人との間に空席予定の玉●を置いた、人と玉との配置のバラエティの数を表しているに過ぎない。
 この配置の数は、3つの席に配置された人と玉●との全てのバラエティである。その回転のバラエティは3である。

 その全てのバラエティから回転のバラエティを無くすために、この配置の数を3分の1にする。
 それは、人が席に座る回転のバラエティを無くした配置の数(いわば、円順列の数)である。
 その円順列の3人と2つの玉●を、円卓の5つの席に配置する。そして、5つの席の人と玉●とを隣の席に1つづつ移す回転をさせることで、5つの席に配置する全ての配置のバラエティを計算する。その回転のバラエティを持たせるために、この配置の数を5倍する。
 それは、5つの席に人と玉●を置く全てのバラエティの数になる。
すなわち、円卓の席5つに、3人の人が、2つの空席が隣り合わ無いように席に座る場合の、人の配置の数は、全部で、

通りある。
(解3おわり)

【問2】
 円卓の席が6個ある。3人の人が、3つの空席同士が互いに隣り合わ無いように席に座る場合の、人の配置の数は全部で何通りあるか。

【解1】
 人1,人2,人3の右回りの並べ方は、全部で3!=6通りある。
円卓の6個の席のうち、3つの空席が互いに隣り合わない席の配置のパターンの数は、以下の図の空席を表す黒丸と人を表す赤丸の配置のパターンであり、2個のパターンがある。

この2通りのパターン毎に、3人が3!=6通りの配置に座るので、
人の配置の数は全部で、
2×6=12
通りある。
(解1おわり)

【解2】
 人1,人2,人3の右回りの並びの間と3人の並びの前後の2か所との何れかの位置に1つづつで、2つの空席を配置する。ただし、2つの空席が、3人の並びの先頭と最後尾とに配置する場合は除外する。そのような空席の配置のバラエティの数は、

ある。
一方で、人1,人2,人3の右回りの並べ方は、全部で3!=6通りある。
よって、人の配置の数は全部で、
2×6=12
通りある。
(解2おわり)

【解3】
 人1,人2,人3を円卓に並べた人と人の間の3つの間に3つの空席を1つづつ配置すれば空席が互いに隣り合わず人の人との間に空席を配置するバラエティの数は、

である。しかし、そのように空席を人と人の間に配置しても、人を円卓の6つの席に配置しているわけでは無く、人は3つの席に配置している状態に留まっている。3つの席に配置した人と人との間に空席予定の玉●を置いた、人と玉との配置のバラエティの数を表しているに過ぎない。
 この配置の数は、3つの席に配置された人と玉●との全てのバラエティである。その回転のバラエティは3である。

 その全てのバラエティから回転のバラエティを無くすために、この配置の数を3分の1にする。
 それは、人が席に座る回転のバラエティを無くした配置の数(いわば、円順列の数)である。
 その円順列の3人と3つの玉●を、円卓の6つの席に配置する。そして、6つの席の人と玉●とを隣の席に1つづつ移す回転をさせることで、6つの席に配置する全ての配置のバラエティを計算する。その回転のバラエティを持たせるために、この配置の数を6倍する。
 それは、6つの席に人と玉●を置く全てのバラエティの数になる。
すなわち、円卓の席6つに、3人の人が、3つの空席が互いに隣り合わ無いように席に座る場合の、人の配置の数は、全部で、

通りある。
(解3おわり)

場合の数と確率
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2025年10月12日日曜日

点が進む位置の確率の問題

これは、ここをクリックした先の問題の解答です。

【問1】
 数直線上の原点Oに点Pがある。1個のサイコロを投げて、1,2,3,4が出たらPを正の向きに2だけ、5,6の目が出たら負の向きに3だけ移動させる。サイコロを5回投げた後、PがOにある確率を求めよ。

【解1】 
 先ず、下図のように左から右に樹形図を書いて問題を整理する。
縦軸は数直線上の点Pの位置をあらわし、
横軸はサイコロを投げた回数の順をあらわす。
樹形図の枝と節の確率を順次に計算していく。

 この樹形図の各枝は、事象の確率の太さを持つ。この樹形図は、枝を束ねた合流点の節を持つ。合流点の節では、その合流点の事象に至る樹形図の枝の確率の和の太さになる。
 上図のように、分岐した枝の太さ(確率)と合流点の節の太さ(確率)を地道に計算していく。

 こうして枝の確率を地道に書いていくと、
サイコロを5回投げた後、PがOにある場合を表す節⑪の確率が、

になる。
(解1おわり)

【解2】
 先ず、下図のように左から右に樹形図を書いて問題を整理する。
縦軸は数直線上の点Pの位置をあらわし、
横軸はサイコロを投げた回数の順をあらわす。

サイコロを5回投げた後、PがOにある場合を表す節⑪の確率
=(⓪から⑪に至る全ての経路の数)×(経路毎の確率)
である。

⓪から⑪に至るどの経路も、右上には合計3回進み、右下には合計2回進むので、
どの経路を通る確率も同じ確率の、

である。

⓪から⑪に至る全ての経路の数は、

で計算できる。

よって、求める確率は、

である。
(解2おわり)

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2025年10月10日金曜日

パラメータaに対する、方程式の異なる実数解の個数の問題

これは、ここをクリックした先のページの問題の解答です。

【問題1】以下の式(1)の方程式の解が3つの異なる実数解になるaの値の範囲を求めよ。


【解1】
 式(1)の方程式を、以下の関数f(x) のグラフと直線g(x) のグラフの交点を求める問題であると解釈する。

y=f(x) のグラフとy=4axとの交点の数は、あるaの値で両グラフが接すると、その値よりも直線の傾きの値の4aが小さければ交点の数が多く(3つに)なる。そのため、y=f(x) のグラフと直線y=4axとが接する場合の接点のx座標と、直線の傾き4aの値とを求める。その接点では、式(2)であらわす曲線y=f(x) のグラフの傾きf’(x) がy=4axの直線の傾き4aに等しくなり、以下の式(5)及び(5a)が成り立つ。
 先ずは、以下のように、式(5)と式(6)を連立して関数f(x) のグラフと直線y=4ax とが接するaの値と接点のx座標とを求める。


 式(5a)と式(6a)を連立して解くと、グラフが接するときの接点のx座標及びaの値が求められる。a=0の場合にはx=1の点で接する。それ以外の解は、以下の式で求められる。

y=f(x) のグラフとy=4axのグラフが接する場合は、接点のx座標がeであり、パラメータaが(1/e)である。

y=f(x)のグラフの形を見ると、
xの解の数は、
式(3)があらわす直線
y=4ax
の傾きaの値が、y=f(x) のグラフと直線が接する場合のa=1/e の場合よりも直線の傾きが小さければ、
解の数が3つある。
つまり、
交点のxの解の数は、
a<0 : 0個
a=0 : 1個
0<a<1/e:3つ、
a=1/e : 2つ
1/e<a : 1つ
というように、aの値によって交点のxの解の数が変わる。
結局、式(1)の方程式の解が3つの異なる実数解になる場合は、パラメータaが、
0<a<1/e
となる場合である。
(解1おわり)

【解2】
 式(1)の方程式を、以下の関数h(x) のグラフと直線y=4a のグラフの交点を求める問題であると解釈する。

以下の計算のように、関数h(x) を微分して関数h(x) のグラフの極値を与えるxの値を求めて上記のグラフを書く。

関数h(x) のグラフの形から、交点のxの解の数は、
a<0 : 0個
a=0 : 1個
0<a<1/e:3つ、
a=1/e : 2つ
1/e<a : 1つ
というように、aの値によって交点のxの解の数が変わる。
結局、式(1)の方程式の解が3つの異なる実数解になる場合は、パラメータaが、
0<a<1/e
となる場合である。
(解2おわり)

【問題2】以下の式(1)の方程式の解が3つの異なる実数解になるaの値の範囲を求めよ。


【解答】
 式(1)の両辺を2乗して式(2)を得る。

この式(5)を、a>0の条件の下で、問題1と同様にして解く。その結果、
方程式の解が3つの異なる実数解になる場合は、パラメータaが、
0<a<1/e
となる場合である。
(解答おわり)

リンク:
3次方程式の3つの解が全て実数解である条件
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2025年10月7日火曜日

半角の公式を使った変形余弦定理

これは、ここをクリックした先のページの問題の解答です。

 【問1】
 以下の変形余弦定理の公式(1)を導き出せ。


【解答】
 半角の公式と余弦定理とから、以下の計算ができる。

(解答おわり)

 【問2】
 以下の変形余弦定理の公式(2)を導き出せ。


【解答】
 半角の公式と余弦定理とから、以下の計算ができる。

(解答おわり)

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2025年10月6日月曜日

三角形の角の二等分線の長さに係わる問題と定理


【問2】 
上図の三角形において、∠Aの2等分線の線分ADの長さmが以下の式であらわせることを示せ。


【解答】
 以下の図のように計算することで式(1)を導き出せる。

(解答おわり)

 【問3】
 上記の式(1)から、線分ADの長さmを三角形の辺の長さa,b,cであらわす式を導き出せ。

【解答】
 式(1)と、以下に示す半角の公式(3)を使って、以下の式(4)が得られる。

ここで、以下の式(5)の余弦定理を使って、以下の計算により式(6)が得られる。

(解答おわり)

 【問4】
 問3で得たmの式から、問2の式(1)を導き出せ。

【解答】
 先ず、半角の公式と余弦定理とから、以下の式(8)の定理を計算する。

この定理の式を、問3で得たmを表す式(6)に適用して以下のように計算する。

(解答おわり)

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