総合問題

問題 1

n,mn, m を自然数とする。正の整数からなる集合 CC を,次の条件(ア)または(イ)の少なくとも一方を満たす数の集合とする。

(ア) 33 の倍数である。

(イ) いずれかの位の数に 33 が含まれる。

mm 進法で表したときに nn 桁以下となる正の整数全体の集合を Sn,mS_{n,m} とし, Sn,mS_{n,m} の要素のうち集合 CC に属するものの個数を A(n,m)A(n,m) とする。

問 1

A(1,10),  A(2,10),  A(2,4),  A(2,11)A(1,10), \; A(2,10), \; A(2,4), \; A(2,11) の値をそれぞれ求めよ。

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集合 Sn,mS_{n, m} の要素数を N(n,m)N(n, m) とする。一般に,mm 進数における nn 桁の数について,その各桁に入る数字は 0,1,2,,m10, 1, 2, \dots , m-1mm 通りある。このとき全ての桁の選び方は積の法則より

m×m××mn 個=mn 通り\underbrace{m \times m \times \dots \times m}_{n \text{ 個}} = m^n \text{ 通り}

条件から集合 Sn,mS_{n, m} には正の数のみが要素として属しているから,ここから 00 の場合を除外することにより

N(n,m)=mn1N(n, m)=m^n-1

⑴ A1,10A_{1,10} について

1010 進法で表したときに 11 桁以下となる整数全体の集合

問 2

An,mA_{n,m}nnmm を用いて表せ。

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問題 2

次の問いに答えよ。

(1)

任意の実数 xx に対して

ex1xe^{x-1} \ge x

が成り立つことを示せ。また,これを用いて任意の正の実数 a1,,ana_1, \dots, a_n に対して

a1++anna1ann\dfrac{a_1+\dots+a_n}{n} \ge \sqrt[n]{a_1\dots a_n}

を示せ。

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a=ba = b のときは,

  • 左辺 =na+an+1=a= \dfrac{na + a}{n+1} = a
  • 右辺 =anan+1=an+1n+1=a= \sqrt[n+1]{a^n \cdot a} = \sqrt[n+1]{a^{n+1}} = a

となり等号が成り立つ。

次に aba \ne b のとき,不等式が厳密に成り立つ(等号なしの >> となる)ことを示す。

両辺は正であるから,n+1n+1 乗した不等式 (na+bn+1)n+1>anb\left(\frac{na+b}{n+1}\right)^{n+1} > a^n b を示せばよい。両辺を an+1>0a^{n+1} > 0 で割ると, (n+ban+1)n+1>ba\left(\frac{n + \frac{b}{a}}{n+1}\right)^{n+1} > \frac{b}{a} となるので,t=bat = \dfrac{b}{a}t>0,t1t > 0, \, t \ne 1)とおき, f(t)=(n+tn+1)n+1t(t>0)f(t) = \left(\frac{n+t}{n+1}\right)^{n+1} - t \quad (t > 0) とおいて関数の増減を調べる。

f(t)f(t)tt で微分すると, f(t)=(n+1)(n+tn+1)n1n+11=(n+tn+1)n1f'(t) = (n+1)\left(\frac{n+t}{n+1}\right)^n \cdot \frac{1}{n+1} - 1 = \left(\frac{n+t}{n+1}\right)^n - 1

ここで,

  • 0<t<10 < t < 1 のとき,n+tn+1<n+1n+1=1\dfrac{n+t}{n+1} < \dfrac{n+1}{n+1} = 1 より f(t)<0f'(t) < 0
  • t=1t = 1 のとき,f(1)=1n1=0f'(1) = 1^n - 1 = 0
  • t>1t > 1 のとき,n+tn+1>n+1n+1=1\dfrac{n+t}{n+1} > \dfrac{n+1}{n+1} = 1 より f(t)>0f'(t) > 0

したがって,f(t)f(t) の増減表は以下のようになる。

t(0)1f(t)0+f(t)極小かつ最小\begin{array}{c|ccccc} t & (0) & \cdots & 1 & \cdots \\ \hline f'(t) & & - & 0 & + \\ \hline f(t) & & \searrow & \text{極小かつ最小} & \nearrow \\ \end{array}

増減表より,f(t)f(t)t=1t=1 で最小値をとる。 f(1)=(n+1n+1)n+11=11=0f(1) = \left(\frac{n+1}{n+1}\right)^{n+1} - 1 = 1 - 1 = 0 よって,t1t \ne 1(すなわち aba \ne b)のとき f(t)>f(1)=0f(t) > f(1) = 0 すなわち (n+tn+1)n+1>t\left(\frac{n+t}{n+1}\right)^{n+1} > t が成り立つ。

両辺に an+1>0a^{n+1} > 0 を掛けて 1n+1\dfrac{1}{n+1} 乗をとることにより, na+bn+1>anbn+1\frac{na+b}{n+1} > \sqrt[n+1]{a^n b} が示された。

以上より, na+bn+1anbn+1\frac{na + b}{n+1} \ge \sqrt[n+1]{a^n b} が成り立ち,等号は a=ba = b のときに限り成立する。

(2)

(1) を用いて,任意の自然数 kk に対して

(1+1k)k<e<(1+1k)k+1\left(1+\frac{1}{k}\right)^k < e < \left(1+\frac{1}{k}\right)^{k+1}

が成り立つことを示せ。ただし ee を自然対数の底とする。

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自然数 kk に対し,相加相乗平均の不等式を用いると,kk 個の 1+1k1+\dfrac{1}{k}11 個の 11 について

(1+1k)k1k+1<k(1+1k)+1k+1=1+1k+1\sqrt[k+1]{\left(1+\frac{1}{k}\right)^k \cdot 1} < \frac{k\left(1+\frac{1}{k}\right)+1}{k+1} = 1 + \frac{1}{k+1}

両辺を k+1k+1 乗して (1+1k)k<(1+1k+1)k+1\left(1+\dfrac{1}{k}\right)^k < \left(1+\dfrac{1}{k+1}\right)^{k+1} となるため,数列 ak=(1+1k)ka_k = \left(1+\dfrac{1}{k}\right)^k は単調増加である。

同様に,k+1k+1 個の 11k+11-\dfrac{1}{k+1}11 個の 11 について

(11k+1)k+11k+2<(k+1)(11k+1)+1k+2=k+1k+2=11k+2\sqrt[k+2]{\left(1-\frac{1}{k+1}\right)^{k+1} \cdot 1} < \frac{(k+1)\left(1-\frac{1}{k+1}\right)+1}{k+2} = \frac{k+1}{k+2} = 1 - \frac{1}{k+2}

両辺を k+2k+2 乗して逆数をとると (1+1k)k+1>(1+1k+1)k+2\left(1+\dfrac{1}{k}\right)^{k+1} > \left(1+\dfrac{1}{k+1}\right)^{k+2} となり,数列 bk=(1+1k)k+1b_k = \left(1+\dfrac{1}{k}\right)^{k+1} は単調減少である。

limkak=limkbk=e\displaystyle \lim_{k\to\infty} a_k = \lim_{k\to\infty} b_k = e であるから,任意の自然数 kk に対して次の不等式が成り立つ。

(1+1k)k<e<(1+1k)k+1\left(1+\frac{1}{k}\right)^k < e < \left(1+\frac{1}{k}\right)^{k+1}
(3)

次の極限値を求めよ。

limnn1n\lim_{n\to\infty} n^{\frac{1}{n}}
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(4)

(2),(3) を用いて,次の極限値を求めよ。

limnn!nn\lim_{n\to\infty}\dfrac{\sqrt[n]{n !}}{n}
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k=1n1(1+1k)k=k=1n1(k+1)kkk=211132224333nn1(n1)n1=nn1(n1)!=nnn!\prod_{k=1}^{n-1} \left(1+\frac{1}{k}\right)^k = \prod_{k=1}^{n-1} \frac{(k+1)^k}{k^k} = \frac{2^1}{1^1} \cdot \frac{3^2}{2^2} \cdot \frac{4^3}{3^3} \cdots \frac{n^{n-1}}{(n-1)^{n-1}} = \frac{n^{n-1}}{(n-1)!} = \frac{n^n}{n!}

である。

不等式 (1+1k)k<e\left(1+\dfrac{1}{k}\right)^k < ek=1,2,,n1k=1, 2, \dots, n-1 について掛け合わせると,

nnn!=k=1n1(1+1k)k<en1\frac{n^n}{n!} = \prod_{k=1}^{n-1}\left(1+\frac{1}{k}\right)^k < e^{n-1}

また,(1+1k)k+1>e\left(1+\dfrac{1}{k}\right)^{k+1} > e を同様に掛け合わせると,

k=1n1(1+1k)k+1>en1\prod_{k=1}^{n-1}\left(1+\frac{1}{k}\right)^{k+1} > e^{n-1}

左辺は

k=1n1(1+1k)k+1=(k=1n1(1+1k)k)(k=1n1k+1k)=nnn!n\prod_{k=1}^{n-1}\left(1+\frac{1}{k}\right)^{k+1} = \left(\prod_{k=1}^{n-1}\left(1+\frac{1}{k}\right)^k\right) \left(\prod_{k=1}^{n-1}\frac{k+1}{k}\right) = \frac{n^n}{n!} \cdot n

であるから,

nnn!>en1n\frac{n^n}{n!} > \frac{e^{n-1}}{n}

が得られる。

以上を合わせると,

en1n<nnn!<en1\frac{e^{n-1}}{n} < \frac{n^n}{n!} < e^{n-1}

nn が十分大きいとき各項は正の数だから,各辺の逆数をとり,1n\dfrac{1}{n} 乗すると,

en1n<n!nn<n1nen1ne^{-\frac{n-1}{n}} < \frac{\sqrt[n]{n!}}{n} < n^{\frac{1}{n}} e^{-\frac{n-1}{n}}

となる。

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問題 3

投げたとき表裏のいずれかが出るが,その出る確率は等しくないゆがんだコイン AA11 枚,00 から mm までの目が出るが,それぞれの目の出る確率がある自然数 KK を用いて bjK\dfrac{b_j}{K}bjb_j00 以上 99 以下のすべて異なる整数)と表される特注の (m+1)(m+1) 面サイコロ BB11 つある。コインを投げたときは,表が出れば 11 点,裏が出れば 00 点を獲得する。サイコロを投げた時は,出た目の数だけ点数を得る。

コインとサイコロの合計得点を X=A+BX=A+B とし,XX の最大値を N=m+1N=m+1 とする。ここで,複素数 z0z \neq 0 に対し,zz の期待値を

f(z)=E[zX]f(z) = E\left[z^{X}\right]

とする。また,以下において中央値 N2\dfrac{N}{2} に対して期待値が完全に対称であるとは

E[zXN2]=E[z(XN2)]E\left[z^{X-\frac{N}{2}}\right] = E\left[z^{-\left(X-\frac{N}{2}\right)}\right]

が成り立つことである。次の問に答えよ。

(1)

合計得点 XX が中央値に関して対称であるための必要十分条件は,すべての z0z \neq 0 に対し

f(z)=zNf(1z)f(z) = z^N f\left(\frac{1}{z}\right)

が成り立つことであることを示せ。

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[1] 必要性(    \implies

対称であるとき、すべての z0z \neq 0 に対し E[zXN/2]=E[z(XN/2)]E[z^{X - N/2}] = E[z^{-(X - N/2)}] が成り立つ。 左辺 =zN/2f(z)= z^{-N/2}f(z)、右辺 =zN/2f(1/z)= z^{N/2}f(1/z) より、両辺に zN/2z^{N/2} を掛けて f(z)=zNf(1/z)f(z) = z^N f(1/z) が成り立つ。

[2] 十分性(    \impliedby) すべての z0z \neq 0 に対し f(z)=zNf(1/z)f(z) = z^N f(1/z) が成り立つとする。 両辺に zN/2z^{-N/2} を掛けると、

zN/2f(z)=zN/2f(1/z)z^{-N/2}f(z) = z^{N/2}f(1/z)

すなわち E[zXN/2]=E[z(XN/2)]E[z^{X - N/2}] = E[z^{-(X - N/2)}] が成り立つため、中央値に関して対称である。

[1], [2] より、題意は示された。\blacksquare

(2)

合計得点 XX が中央値に関して対称であるとき,m3m \le 3 であることを示せ。

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コイン AA の確率を P(A=0)=a0KA, P(A=1)=a1KAP(A=0) = \dfrac{a_0}{K_A}, \ P(A=1) = \dfrac{a_1}{K_A}a0,a1{1,,9}, a0a1, KA=a0+a1a_0, a_1 \in \{1, \dots, 9\}, \ a_0 \neq a_1, \ K_A = a_0 + a_1)とし,サイコロ BB の確率を P(B=j)=bjKBP(B=j) = \dfrac{b_j}{K_B}j=0,1,,m, bj{0,,9}, b00, bm0, KB=bjj = 0, 1, \dots, m, \ b_j \in \{0, \dots, 9\}, \ b_0 \neq 0, \ b_m \neq 0, \ K_B = \sum b_j)とする。条件より,b0,b1,,bmb_0, b_1, \dots, b_m はすべて互いに相異なる。コイン AA とサイコロ BB は独立であるから,N=m+1N = m + 1 として

f(z)=E[zA+B]=E[zA]E[zB]=1KAKB(a1z+a0)j=0mbjzjf(z) = E\left[z^{A+B}\right] = E\left[z^A\right] E\left[z^B\right] = \frac{1}{K_A K_B} (a_1 z + a_0) \sum_{j=0}^{m} b_j z^j

積の多項式 (a1z+a0)j=0mbjzj=k=0m+1ckzk(a_1 z + a_0) \sum_{j=0}^{m} b_j z^j = \sum_{k=0}^{m+1} c_k z^k の係数は

c0=a0b0,ck=a0bk+a1bk1 (1km),cm+1=a1bmc_0 = a_0 b_0, \quad c_k = a_0 b_k + a_1 b_{k-1} \ (1 \le k \le m), \quad c_{m+1} = a_1 b_m

で与えられ,繰り上がりがないことから各係数は 0ck90 \le c_k \le 9 を満たす。また,(1) より XX が対称であるための条件は

ck=cm+1k(k=0,1,,m+1)c_k = c_{m+1-k} \quad (k = 0, 1, \dots, m+1)

が成り立つことである。


[1] 各数字の上限評価(bj4b_j \le 4 の証明)任意の j{0,1,,m}j \in \{0, 1, \dots, m\} に対し,係数の非負性と上限 ck9c_k \le 9 より,

a0bjcj9かつa1bjcj+19a_0 b_j \le c_j \le 9 \quad \text{かつ} \quad a_1 b_j \le c_{j+1} \le 9

が成り立つ。ここで a0,a1{1,,9}a_0, a_1 \in \{1, \dots, 9\} かつ a0a1a_0 \neq a_1 より,max(a0,a1)2\max(a_0, a_1) \ge 2 である。したがって,すべての jj において

2bjmax(a0,a1)bj9    bj922 b_j \le \max(a_0, a_1) b_j \le 9 \implies b_j \le \frac{9}{2}

bjb_j は整数であるから,すべての j{0,1,,m}j \in \{0, 1, \dots, m\} について

bj4b_j \le 4

すなわち,サイコロの確率比 bjb_j が取り得る値は {0,1,2,3,4}\{0, 1, 2, 3, 4\} の高々 55 通りに限られる。

面数の上限評価(m4m \le 4 の証明)サイコロの各目の値 b0,b1,,bmb_0, b_1, \dots, b_mm+1m+1 個すべて互いに異なる。取り得る値が {0,1,2,3,4}\{0, 1, 2, 3, 4\}55 個しかないため,鳩の巣原理より

m+15    m4m + 1 \le 5 \implies m \le 4

が成り立つ。


[2] 次に,m=4m = 4 は成り立たないことを示す。いま,m=4m = 4 と仮定する。このとき b0,b1,b2,b3,b4b_0, b_1, b_2, b_3, b_4{0,1,2,3,4}\{0, 1, 2, 3, 4\} の並べ替えである。 bjb_j の中に 3344 が含まれるため,

a049    a02かつa149    a12a_0 \cdot 4 \le 9 \implies a_0 \le 2 \quad \text{かつ} \quad a_1 \cdot 4 \le 9 \implies a_1 \le 2

a0a1a_0 \neq a_1 かつ a0,a11a_0, a_1 \ge 1 より,(a0,a1)(a_0, a_1)(2,1)(2, 1) または (1,2)(1, 2) に限られる。対称性の条件 c0=c5, c1=c4, c2=c3c_0 = c_5, \ c_1 = c_4, \ c_2 = c_3 を書き下すと,

{a0b0=a1b4a0b1+a1b0=a0b4+a1b3a0b2+a1b1=a0b3+a1b2\begin{cases} a_0 b_0 = a_1 b_4 & \cdots \text{①} \\ a_0 b_1 + a_1 b_0 = a_0 b_4 + a_1 b_3 & \cdots \text{②} \\ a_0 b_2 + a_1 b_1 = a_0 b_3 + a_1 b_2 & \cdots \text{③} \end{cases}

Ⅰ)(a0,a1)=(2,1)(a_0, a_1) = (2, 1) のとき

①より 2b0=b42b_0 = b_4b0,b4{1,2,3,4}b_0, b_4 \in \{1, 2, 3, 4\}(両端非ゼロ)より,(b0,b4)=(1,2)(b_0, b_4) = (1, 2) または (2,4)(2, 4)

ⅰ)(b0,b4)=(1,2)(b_0, b_4) = (1, 2) のとき

残りは {b1,b2,b3}={0,3,4}\{b_1, b_2, b_3\} = \{0, 3, 4\}。 ②より 2b1+1=4+b3    2b1b3=32b_1 + 1 = 4 + b_3 \implies 2b_1 - b_3 = 3。これを満たすのは (b1,b3)=(3,3)(b_1, b_3) = (3, 3) のみだが,b1b3b_1 \neq b_3 に反し不適。

ⅱ)(b0,b4)=(2,4)(b_0, b_4) = (2, 4) のとき

残りは {b1,b2,b3}={0,1,3}\{b_1, b_2, b_3\} = \{0, 1, 3\}。 ②より 2b1+2=8+b3    2b1b3=62b_1 + 2 = 8 + b_3 \implies 2b_1 - b_3 = 6{0,1,3}\{0, 1, 3\} の中にこれを満たす組は存在せず不適。

Ⅱ)(a0,a1)=(1,2)(a_0, a_1) = (1, 2) のとき

同様に①より b0=2b4b_0 = 2b_4 となり,(a0,a1)=(2,1)(a_0, a_1) = (2, 1) の場合と左右反転の対称性から同様に解は存在しない。

したがって,m=4m = 4 となるサイコロは存在しない。


以上,[1],[2]より,m4m \le 4 かつ m4m \neq 4 であるから,

m3m \le 3

である。\blacksquare