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九州大学 2010年度
後期・理系数学 後期 第4問

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。

出典:九州大学 2010年度 後期日程 第2次学力試験 後期・理系 後期 第4問

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。