総合問題
問題 1
を自然数とする。正の整数からなる集合 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) の倍数である。
(イ) いずれかの位の数に が含まれる。
進法で表したときに 桁以下となる正の整数全体の集合を とし, の要素のうち集合 に属するものの個数を とする。
の値をそれぞれ求めよ。
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集合 の要素数を とする。一般に, 進数における 桁の数について,その各桁に入る数字は の 通りある。このとき全ての桁の選び方は積の法則より
条件から集合 には正の数のみが要素として属しているから,ここから の場合を除外することにより
⑴ について
進法で表したときに 桁以下となる整数全体の集合
を と を用いて表せ。
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問題 2
次の問いに答えよ。
任意の実数 に対して
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 に対して
を示せ。
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のときは,
- 左辺
- 右辺
となり等号が成り立つ。
次に 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, 乗した不等式 を示せばよい。両辺を で割ると, となるので,()とおき, とおいて関数の増減を調べる。
を で微分すると,
ここで,
- のとき, より
- のとき,
- のとき, より
したがって, の増減表は以下のようになる。
増減表より, は で最小値をとる。 よって,(すなわち )のとき すなわち が成り立つ。
両辺に を掛けて 乗をとることにより, が示された。
以上より, が成り立ち,等号は のときに限り成立する。
(1) を用いて,任意の自然数 に対して
が成り立つことを示せ。ただし を自然対数の底とする。
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自然数 に対し,相加相乗平均の不等式を用いると, 個の と 個の について
両辺を 乗して となるため,数列 は単調増加である。
同様に, 個の と 個の について
両辺を 乗して逆数をとると となり,数列 は単調減少である。
であるから,任意の自然数 に対して次の不等式が成り立つ。
次の極限値を求めよ。
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(2),(3) を用いて,次の極限値を求めよ。
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である。
不等式 を について掛け合わせると,
また, を同様に掛け合わせると,
左辺は
であるから,
が得られる。
以上を合わせると,
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, 乗すると,
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 が 枚, から 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 を用いて ( は 以上 以下のすべて異なる整数)と表される特注の 面サイコロ が つある。コインを投げたときは,表が出れば 点,裏が出れば 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 とし, の最大値を とする。ここで,複素数 に対し, の期待値を
とする。また,以下において中央値 に対して期待値が完全に対称であるとは
が成り立つことである。次の問に答えよ。
合計得点 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 に対し
が成り立つことであることを示せ。
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[1] 必要性()
対称であるとき、すべての に対し が成り立つ。 左辺 、右辺 より、両辺に を掛けて が成り立つ。
[2] 十分性() すべての に対し が成り立つとする。 両辺に を掛けると、
すなわち 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。
合計得点 が中央値に関して対称であるとき, であることを示せ。
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コイン の確率を ()とし,サイコロ の確率を ()とする。条件より, はすべて互いに相異なる。コイン とサイコロ は独立であるから, として
積の多項式 の係数は
で与えられ,繰り上がりがないことから各係数は を満たす。また,(1) より が対称であるための条件は
が成り立つことである。
[1] 各数字の上限評価( の証明)任意の に対し,係数の非負性と上限 より,
が成り立つ。ここで かつ より, である。したがって,すべての において
は整数であるから,すべての について
すなわち,サイコロの確率比 が取り得る値は の高々 通りに限られる。
面数の上限評価( の証明)サイコロの各目の値 は 個すべて互いに異なる。取り得る値が の 個しかないため,鳩の巣原理より
が成り立つ。
[2] 次に, は成り立たないことを示す。いま, と仮定する。このとき は の並べ替えである。 の中に や が含まれるため,
かつ より, は または に限られる。対称性の条件 を書き下すと,
Ⅰ) のとき
①より 。(両端非ゼロ)より, または 。
ⅰ) のとき
残りは 。 ②より 。これを満たすのは のみだが, に反し不適。
ⅱ) のとき
残りは 。 ②より 。 の中にこれを満たす組は存在せず不適。
Ⅱ) のとき
同様に①より となり, 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, となるサイコロは存在しない。
以上,[1],[2]より, かつ であるから,
である。