数直線上の原点に点 P があります。1 枚の硬貨を 3 回投げ、表が出たら点 P を正の方向に だけ移動させ、裏が出たら点 P を負の方向に だけ移動させます。硬貨を 3 回投げ終えたとき、点 P が の位置にある確率を求めなさい。
点の移動と確率
硬貨やさいころの結果で数直線上や多角形の頂点上を点が動くとき、最後の位置を移動量の合計(多角形ではまわる数の余り)で表し、その位置にある確率を求められる
前提
- 硬貨を投げる確率 (中学数学 場合の数と確率)
- 2 つのさいころと 36 通りの表 (中学数学 場合の数と確率)
- 周期のある数の並び (算数 整数の性質)
- 正負の数の加法・減法 (中学数学 数と式)
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- 積の法則と和の法則 (算数 場合の数)
- 硬貨を投げる確率 (中学数学 場合の数と確率)
- 2 つのさいころと 36 通りの表 (中学数学 場合の数と確率)
- 周期のある数の並び (算数 整数の性質)
- 分数のたし算・ひき算 (算数 計算と数のきまり)
- 正負の数の加法・減法 (中学数学 数と式)
説明
硬貨の表・裏やさいころの目に合わせて、点が数直線の上や多角形の頂点の上を動く問題で、最後に点がある位置の確率を求められるようになります。動き方を 1 つずつたどるのではなく、「移動量の合計」や「まわる数の余り」で最後の位置を表すことで、場合の数を手早く数えられます。
なぜそうしてよいのか
数直線の上を動くとき、右へ 進むことを 、左へ 進むことを のように正負の数で表すと、最後の位置は「はじめの位置 + 移動量の合計」になります。たし算は順番を入れかえても結果が変わらないので、どの順で動いても最後の位置は合計だけで決まります。
多角形の頂点を一方向にまわるときは、たとえば正五角形なら 5 つ進むとちょうど 1 周してもとの頂点にもどります。つまり位置は 5 個ごとにくり返す周期のある並びになっているので、進んだ数の合計を 5 でわった余りだけを見れば、最後にどの頂点にいるかがわかります(余り 0 ならはじめの頂点、余り 1 ならはじめの頂点の 1 つ先の頂点、…)。
こうして「最後の位置の条件」を「合計の条件」や「余りの条件」に言いかえれば、あとは硬貨の樹形図やさいころの 36 通りの表で、その条件を満たす場合を数えるだけになります。
手順
1 回ごとの動きを数で表す(数直線なら右を 、左を 。多角形なら進む頂点の数)
最後の位置を式で表す。数直線では「はじめの位置 + 移動量の合計」、 角形では「進んだ数の合計を でわった余り」で頂点が決まる(余り 0 ならはじめの頂点)
求めたい位置になるための合計(または余り)の条件を書く
樹形図やさいころの 36 通りの表で、条件を満たす場合の数と全体の場合の数を数え、確率を求めて約分する
例題
正五角形 ABCDE があり、頂点は A→B→C→D→E→A の順に並んでいる。点 P ははじめ頂点 A にある。大小 2 つのさいころを同時に 1 回投げ、出た目の和の数だけ、点 P を A→B→C→D→E→A→… の向きに頂点から頂点へ 1 つずつ移動させる。移動したあと、点 P が頂点 A にある確率を求めよ。
例題の解答
手順 1: 大きいさいころの目を 、小さいさいころの目を とすると、点 P は 個先の頂点へ進む。
手順 2: 5 個進むと 1 周して A にもどるので、最後の頂点は を 5 でわった余りで決まる。余りが 0 なら A、1 なら B、2 なら C、3 なら D、4 なら E。
手順 3: P が A にあるのは、 が 5 の倍数のとき。 は 2 以上 12 以下なので、 または 。
手順 4: 全部で 通り。
- : の 4 通り
- : の 3 通り
合わせて 7 通りなので、確率は 。
答え:
よくある誤り
はじめの頂点 A を「1 個目」と数えてしまい、A から 5 個進んだ位置を E としてしまう誤り(A, B, C, D, E と 5 つ数えて止まる)。正しくは、A から 1 個進むと B、2 個で C、3 個で D、4 個で E、5 個で A にもどる。進んだ数を 5 でわった余りが 0 なら A、1 なら B、2 なら C、3 なら D、4 なら E となる。
だけを数えて としてしまう誤り。正しくは 2 周する も A になるので、 通りで 。
数直線で左への移動を正の数のままたしてしまう誤り。たとえば表で右へ 2、裏で左へ 1 動き、表・裏・裏と出たとき とするのは誤り。正しくは で、はじめの位置にもどる。
硬貨 2 枚で「表 1 枚・裏 1 枚」を 1 通りと数え、その確率を としてしまう誤り。正しくは硬貨を区別して(表, 裏)と(裏, 表)の 2 通りと数え、全体は 4 通りなので 。
この説明は AI が書き、別の AI が例題を独立に解いて答えを確かめ、説明を一歩ずつ査読しました。
入口の問題
この技能を使う問題
数直線上の原点に点 P がある。硬貨を 回投げるごとに、表が出たら点 P を正の方向に だけ移動させ、裏が出たら点 P を負の方向に だけ移動させる。硬貨を 回投げたあと、点 P が を表す点にある確率を求めよ。
正方形 があり、頂点 はこの順に反時計回りに並んでいる。点 ははじめ頂点 にある。
大小 2 つのさいころを同時に 1 回投げ、出た目の数の和だけ、点 を頂点から頂点へ反時計回りに移動させる。たとえば、出た目の数の和が のとき、 は と移動して頂点 に止まる。
点 が頂点 に止まる確率を求めよ。
正五角形 ABCDE があり、頂点は反時計回りに A, B, C, D, E の順に並んでいる。点 P ははじめ頂点 A にある。大小 つのさいころを同時に投げ、まず大きいさいころの出た目の数だけ、点 P を頂点から頂点へ反時計回りに移動させる。続いて、小さいさいころの出た目の数だけ、点 P を頂点から頂点へ時計回りに移動させる。このとき、点 P が頂点 A にある確率を求めよ。
数直線上の原点に点 がある。大小 つのさいころを同時に 回投げ、大きいさいころの出た目の数を 、小さいさいころの出た目の数を とする。点 を次の規則にしたがって移動させる。
- まず、点 を正の方向に だけ移動させる。
- 続いて、 が偶数のときは点 を正の方向に だけ移動させ、 が奇数のときは点 を負の方向に だけ移動させる。
移動を終えたときの点 の位置を表す数が 以上 以下である確率を求めよ。
立方体 がある。四角形 と四角形 は向かい合う面であり、辺 はこの立方体の辺である。点 ははじめ頂点 にある。 個のさいころを 回投げるごとに、点 を次の規則にしたがって、いまいる頂点から辺を 本たどってとなりの頂点へ移動させる。
- または の目が出たら、辺 に平行な辺をたどって移動する。
- または の目が出たら、辺 に平行な辺をたどって移動する。
- または の目が出たら、辺 に平行な辺をたどって移動する。
(どの頂点にも、辺 のそれぞれに平行な辺がちょうど 本ずつつながっているので、移動先はただ つに決まる。)
さいころを 回投げたあと、点 が頂点 にある確率を求めよ。
この技能の次に学べること
- さいころで決まる図形の条件の確率 (中学数学 場合の数と確率)