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1b】
 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、人の配置の円順列の数は全部で何通りあるか。
(注意)円順列では、人の配置を円卓の回りに回転させると重なる配置は同じ配置として配置の数を数える。

【解答】
 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、空席の配置パターンの円順列の数は1つのみである。
(そのパターンを円卓の回りに回転させると、固定した円卓に対して5つの配置ができるが、それら5つは同じ1つ円順列である。)

その1つの円順列の配置パターンに3人を配置するバラエティは
3!=6
である。
よって、求める円順列の数は、
3!=6
である。
(解答おわり)

【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】
 3人の人が、3つの空席が隣り合わ無いように席に座る場合の、空席の配置パターンの円順列の数は1つのみである。
 そのパターンを円卓の回りに回転させると、その配置パターンを1回転する間に、3回、同じ配置パターンになる。
これは、この空席の配置パターンの回転対称数が3であることを意味する。
 その配置パターンを1回転する間に、席が6回変わるが、その6回の変化を回転対称数3で割り算した値の2が、 1つの空席の配置パターンの円順列を回転させたときにできる、固定した円卓に対しては異なる2個の空席の配置パターンの数をあらわす2である。

すなわち、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、上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。
 一方で、人1,人2,人3の、人用の席への、右回りの並べ方は、全部で3!=6通りある。
そのため、得られた2個の配置パターン毎に、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)

【問2b】
 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、人の配置の円順列の数は全部で何通りあるか。
(注意)円順列では、人の配置を円卓の回りに回転させると重なる配置は同じ配置として配置の数を数える。

【解答】
 3人の人が、3つの空席が隣り合わ無いように席に座る場合の、空席の配置パターンの円順列の数は1つのみである。
 そのパターンを円卓の回りに回転させると、その配置パターンを1回転する間に、3回、同じ配置パターンになる。
これは、この空席の配置パターンの回転対称数が3であることを意味する。
(なお、空席の配置パターンの円順列を1回転させるには席を6回変えることになるが、その6回の変化を回転対称数3で割り算した値の2が、 1つの空席の配置パターンの円順列を回転させたときにできる、固定した円卓に対しては異なる空席の配置パターンの数の2である。)

ここで、1つの空席の円順列の配置パターンに3人を配置するバラエティは、
3!=6
である。
 しかし、空席の配置パターンの回転対称数が3であるので、3人を固定した席に配置するバラエティの数の6には、空席の円順列のパターンの回転対称数3の重複がある。
そのため、固定した席に3人を配置するバラエティの数6をその回転対称数3で割り算した値が人の配置の円順列の数になる。
 よって、求める人の配置の円順列の数は、
3!/3=2
である。
(解答おわり)

場合の数と確率
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