問題
2つの箱と,ボール30個,コイン投げで表と裏が等確率で出るコイン1枚を用意する。を0以上30以下の整数とする。に個,に個のボールを入れ,次の操作(#)を繰り返す。
(#) 箱に入っているボールの個数をとする。コインを投げ,表が出れば箱から箱に,裏が出れば箱から箱に,個のボールを移す。ただし,のとき,のときとする。
回の操作の後,箱のボールの個数が30である確率をとする。たとえばとなる。以下の問(1),(2)に答えよ。
(1) のとき,に対してうまくを選び,をで表せ。
(2) を自然数とするとき,を求めよ。
方針
操作後の の個数を,現在の個数 から直接求める。 なら表で ,裏で0になり, なら表で30,裏で になる。(1) はこの遷移を条件付き確率で書く。(2) は初期値10から到達し得る状態が に限られることを使い,2回を1単位にして の一次漸化式を作る。
解答
(1) 現在,箱 に入っているボールの個数を とする。
まず の場合を考える。このとき である。表が出ると, から に 個移すので, の個数は になる。裏が出ると, から に 個移すので, の個数は になる。したがって である。 のとき,0個から1回以上の操作で30個になることはないので である。よって である。この場合は と選べばよい。
次に の場合を考える。このとき である。表が出ると, から に 個移すので, の個数は になる。裏が出ると, から に 個移すので, の個数は になる。30個になった後は, なのでそのまま30個であり続ける。したがって である。この場合は と選べばよい。
(2) とおく。10から1回操作すると,表なら20,裏なら0になる。0に行くと以後30にはならない。20から1回操作すると,表なら30,裏なら10になる。したがって,10から2回操作した後には,確率 で30に到達し,確率 で10に戻る。残りの確率は0に吸収される場合である。
よって で が成り立つ。また,2回の操作で10から30に到達する確率は である。
この漸化式の定数解は より である。したがって となる。 より なので
よって である。