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京都大学 1994年度
理系数学 第5問

問題

の3人が色のついた札を1枚ずつ持っている.はじめに,の持っている札の色はそれぞれ赤,白,青である.がさいころを投げて,3の倍数の目が出たらと持っている札を交換し,その他の目が出たらと札を交換する.この試行を回繰り返した後に,赤い札をが持っている確率を,それぞれとする.

(1) のとき,で表せ.

(2) を求めよ.

出典:京都大学 1994年度 前期日程 第2次学力試験 理系 第5問

方針

赤い札の持ち主だけを状態として追う。3の倍数が出る確率は,その他の目が出る確率はなので,赤札がのどこにあるかで次の状態を書き分ける。(2)では3本の漸化式をそのまま解くより,合計を使ってだけの漸化式に落とすとよい。偶数番目と奇数番目で初期値が違うため,2つの等比数列として整理する。

解答

(1)

3の倍数の目はの2通りなので,その確率はである。その他の目が出る確率はである。

赤い札がにある状態から,次に赤い札がに残ることはない。赤い札がにあるとき,3の倍数が出ればが交換して赤い札はへ移り,その他の目ならの交換なので赤い札はに残る。赤い札がにあるとき,その他の目なら赤い札はへ移り,3の倍数ならに残る。

したがって であり,さらに である。

(2)

初めは赤い札をが持っているので である。また1回後にはは必ず赤い札を失うので である。

(1)の式から,だけで表す。まず である。ここへ を代入すると

である。常にだから となる。したがって である。

偶数番目について,とおくと であり, である。よって なので である。

奇数番目について,とおくと同じく であり, である。したがって となり, を得る。

別解。2回の試行をひとまとまりにしても,同じ漸化式を直接得られる。赤い札がにあるとき,2回後もにある確率は である。赤い札がにあるときもにあるときも,2回後ににある確率は である。したがって となり,以下は上と同じ偶数・奇数の場合分けで求められる。