問題
数直線上を点が1ステップごとに,+1または-1だけそれぞれの確率で移動する.数直線上の値が3の点をとして,がにたどり着くと停止する.このとき,以下の問いに答えよ.
(1) が原点から出発して,ちょうど5ステップでにたどり着く確率を求めよ.
(2) が原点から出発して,ちょうど6ステップで値が2の点にたどり着く確率を求めよ.
(3) が原点から出発して,8ステップ以上移動する確率を求めよ.
方針
停止点 に到達する前の経路だけを数える。(1)は最後の一歩が であることを固定し,初めの4ステップのうち不適な並びを除く。(2)は6ステップ後に2へいる全経路から,途中で3へ到達した経路を除く。(3)は7ステップ終了時まで3へ到達しない経路数を段階的に数える。別解として,最初に3へ到達したところまでを反転する対応でも個数を確認できる。
解答
(1)
5ステップで値3に到達するには, が4回, が1回でなければならない。また,ちょうど5ステップで初めて に到達するので,最後のステップは である。
したがって,初めの4ステップには が3回, が1回含まれる。ただし,初めの3ステップがすべて であると,3ステップ目で値3に到達して停止してしまう。よって の位置は初めの3ステップのどこかであり,3通りである。
したがって求める確率は である。
(2)
6ステップ後に値2にいるには, が4回, が2回である。全体では 通りである。
このうち,途中で値3に到達する経路を除く。値3に到達した経路について,初めて値3に到達した時点までの と を入れ替えると,6ステップ後に値4へ到達する経路に対応する。6ステップ後に値4へ到達するには が5回, が1回であるから 通りである。
したがって,途中で3に到達せず6ステップ後に2にいる経路は 通りである。よって確率は である。
(3)
8ステップ以上移動するとは,7ステップ終了時までに値3へ到達しないことである。値3以上へ初めて到達する場合は,必ず値3に到達するので,7ステップの間ずっと値2以下にいる経路を数えればよい。
各ステップ後の位置ごとに,値3へ到達していない経路数を数える。7ステップ目まで順に数えると,7ステップ後に可能な位置と経路数は である。これらの合計は である。
したがって求める確率は である。
別解。(3)は反転対応でも数えられる。7ステップ後の位置を とすると,3に到達しない経路では のいずれかである。終点を に固定したとき,途中で初めて3に到達する経路は,初めて3に到達するまでの部分を反転することで,終点が である経路に対応する。したがって,終点 で3に到達しない経路数は である。ただし,下の添字が0から7の範囲を外れるものは0通りとする。
各 について順に並べると となる。合計は であり,やはり確率は である。