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数学の入試問題なのですが、どう解けばいいのか教えてください。
袋の中にk個(1≦k≦N-1)の玉が入っている。いまサイコロを振り、1の目が出れば袋から玉を1個取り出し、他の目が出れば玉を1個袋の中に入れる。袋の中に玉がなくなるか、またはN個になるまでこの操作を続けるとする。袋の中に最初k個の玉が入っているとき、ついに袋の中に玉がなくなってしまう確率をp[k]で表す。(1)1≦k≦N-1に対し、p[k]をp[k-1],p[k+1]を用いて表せ。ただし、p[N]=0,p[0]=1とする。
(2)p[k]をk,Nを用いて表せ。
2009-06-28 04:59の質問
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回答(1)
1.
2009-06-28 13:25:58

まず,
○ ○ ○ ○ ・・・ ○ ○ ○ ・・・○ ○
と○を並べて,それぞれの○の中に,
0 1 2 3 ・・・ k-1 k k+1 ・・・N
と数字/文字を記入しましょう.記入した数字は袋の中にある玉の数だと考えて,○を「状態」と呼ぶことにします.次に,0とN以外の状態の左右に矢印を書きましょう.←向きは「玉を1個取り出す(=1の目が出る)」,→向きは「玉を1個入れる(=1以外の目が出る)」意味です.
p[k]=(1回で終了する確率)+(2回で終了する確率)+・・・
と無限級数なので,「最初」という言葉に惑わされないようにしましょう.
(1) 状態k(袋の中にk個入っている)にあったときに,1の目が出たとすると,状態(k-1)に遷移しますが,ここから状態0かNに(いつか)到達する確率は状態(k-1)からスタートしたときと同じですので,p[k-1]と書けます.(k+1)に遷移したときも同様に考えられますので,
p[k]=1/6 ×p[k-1] + 5/6 ×p[k+1]
となります.
(2) さきほどの漸化式の両辺を6倍して,
6 p[k] = p[k-1] + 5 p[k+1]
なので,特性方程式
6 t = 1 + 5 t^2
が,
(t - 1)(5t - 1)=0
となることを確認して,
p[k+1] - p[k] = 1/5 (p[k] - p[k-1])
5p[k+1] - p[k] = 5p[k] - p[k-1]
と2種類に変形しておいて,
p[k+1] - p[k] = (p[1] - p[0])×(1/5)^k
5p[k+1] - p[k] = 5p[1] - p[0]
となります.(x^nはxのn乗と読んで下さい.)上の方の式を5倍して両辺を引くと,
-4 p[k] = (p[1] - p[0])×(1/5)^(k-1) - 5p[1] + p[0] ・・・(A)
が得られます.p[1]が未知ですので,さきほどの2式でk=N-1とすると,
p[N] - p[N-1] = (p[1] - p[0])×(1/5)^(N-1)
5p[N] - p[N-1] = 5p[1] - p[0]
なので,
-4 p[N] = (p[1] - p[0])×(1/5)^(N-1) - 5p[1] + p[0]
となります.ちなみに,(A)でk=Nとしたのと同じですが,1≦k≦N-1なのでこの代入はできません.よって,
-4・0 = (p[1] - 1)×(1/5)^(N-1) - 5p[1] + 1
p[1] = {(1/5)^(N-1) - 1} / {(1/5)^(N-1) - 5} = (1 - 5^(N-1)) / (1 - 5^N)
となり,再び(A)より,
-4 p[k] = (p[1] - 1)×(1/5)^(k-1) - 5p[1] + 1
を整理して,
p[k] = {1 - (5^(N-1)/5^(k-1))}/(1 - 5^N)
となります.
○ ○ ○ ○ ・・・ ○ ○ ○ ・・・○ ○
と○を並べて,それぞれの○の中に,
0 1 2 3 ・・・ k-1 k k+1 ・・・N
と数字/文字を記入しましょう.記入した数字は袋の中にある玉の数だと考えて,○を「状態」と呼ぶことにします.次に,0とN以外の状態の左右に矢印を書きましょう.←向きは「玉を1個取り出す(=1の目が出る)」,→向きは「玉を1個入れる(=1以外の目が出る)」意味です.
p[k]=(1回で終了する確率)+(2回で終了する確率)+・・・
と無限級数なので,「最初」という言葉に惑わされないようにしましょう.
(1) 状態k(袋の中にk個入っている)にあったときに,1の目が出たとすると,状態(k-1)に遷移しますが,ここから状態0かNに(いつか)到達する確率は状態(k-1)からスタートしたときと同じですので,p[k-1]と書けます.(k+1)に遷移したときも同様に考えられますので,
p[k]=1/6 ×p[k-1] + 5/6 ×p[k+1]
となります.
(2) さきほどの漸化式の両辺を6倍して,
6 p[k] = p[k-1] + 5 p[k+1]
なので,特性方程式
6 t = 1 + 5 t^2
が,
(t - 1)(5t - 1)=0
となることを確認して,
p[k+1] - p[k] = 1/5 (p[k] - p[k-1])
5p[k+1] - p[k] = 5p[k] - p[k-1]
と2種類に変形しておいて,
p[k+1] - p[k] = (p[1] - p[0])×(1/5)^k
5p[k+1] - p[k] = 5p[1] - p[0]
となります.(x^nはxのn乗と読んで下さい.)上の方の式を5倍して両辺を引くと,
-4 p[k] = (p[1] - p[0])×(1/5)^(k-1) - 5p[1] + p[0] ・・・(A)
が得られます.p[1]が未知ですので,さきほどの2式でk=N-1とすると,
p[N] - p[N-1] = (p[1] - p[0])×(1/5)^(N-1)
5p[N] - p[N-1] = 5p[1] - p[0]
なので,
-4 p[N] = (p[1] - p[0])×(1/5)^(N-1) - 5p[1] + p[0]
となります.ちなみに,(A)でk=Nとしたのと同じですが,1≦k≦N-1なのでこの代入はできません.よって,
-4・0 = (p[1] - 1)×(1/5)^(N-1) - 5p[1] + 1
p[1] = {(1/5)^(N-1) - 1} / {(1/5)^(N-1) - 5} = (1 - 5^(N-1)) / (1 - 5^N)
となり,再び(A)より,
-4 p[k] = (p[1] - 1)×(1/5)^(k-1) - 5p[1] + 1
を整理して,
p[k] = {1 - (5^(N-1)/5^(k-1))}/(1 - 5^N)
となります.
非常に詳しく記述してくれて本当に
助かりました。
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