問題
表と裏の出る確率がずつの硬貨を投げ,表なら1点,裏なら0点とする。,を正の整数として,以下の問いに答えよ。
(1) 硬貨を繰り返し投げ,得点の合計が3点に達したら終了することにする。ちょうど5回目で終了する確率はいくらか。また,ちょうど回目で終了する確率をとするとき,を証明せよ。
(2) 硬貨を繰り返し投げ,得点の合計が点に達したら終了することにする。ちょうど回目で終了する確率をとする。を固定したままを動かすときのの最大値を求めよ。
方針
終了する回は必ず表が出た回であり,その直前までに必要な表の枚数がちょうどそろっている。この条件からやを直接数える。(1)の累積確率は,回までに終了していない事象を「表が高々2回」と数えると短く証明できる。(2)の最大値は,隣り合う確率の比を調べ,増加から減少へ変わる場所を特定する。
解答
(1)
得点の合計が3点に達してちょうど5回目で終了するには,5回目が表で,はじめの4回のうち表が2回出ていればよい。したがって確率は である。
一般に,ちょうど回目で終了するには,回目が表で,はじめの回のうち表が2回出ていればよい。よって であり,ではである。
次に,回目までに終了していないということは,回の中で表が0回,1回,2回のいずれかである。したがって
である。これはでも成り立つ。
別解。を用いて帰納法で示してもよい。では両辺ともである。で成り立つと仮定すると,
となり,の場合も成り立つ。
(2)
ちょうど回目で合計が点に達するには,回目が表で,はじめの回のうち表が回出ていればよい。したがって であり,ではである。
まずのときは なので,最大はで,最大値はである。
以下,とする。について隣り合う項の比を計算すると
である。この比が以上となる条件は すなわち である。したがってはまで増加し,となった後,減少する。よって最大は で生じ,最大値は である。