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東北大学 2008年度
後期・文系数学 後期 第3問

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,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.

出典:東北大学 2008年度 後期日程 第2次学力試験 後期・文系 後期 第3問

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 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。

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。