Weekend Mathematics/問題/問題66
66.おはじきの並べ方
赤、白、青のおはじきがそれぞれにたくさんあって、左から順に1列に並べていきます。 ただし、赤の次は必ず白、白の次は必ず青を並べるものとします。
- 4個並べる並べ方は何通りありますか?
- 9個並べたとき、左はしも右はしも赤になる並べ方は何通りありますか?
ピーター先生と中学入試の算数に挑戦!
ピーター・フランクル
新潮社
神戸女学院中等部2001年度入試
(ペンネ−ム:やなせ)
問い1の答えは17通りです。
組み合わせは
赤白青青、赤白青白、赤白青赤、白青青青、白青青白、白青青赤、白青赤白、白青白青
青青青青、青青青白、青青青赤、青青白青、青青赤白、青白青青、青白青白、青白青赤
青赤白青、でした・・はぁはぁ〜つかれたびぃ〜〜
(ペンネ−ム:スチューデント)
赤を置いた場合、次は白、その次は青となるので、(赤→白→青)…@となる。
白を置いた場合、次は青となるので、(白→青)…Aとなる。
青の場合、制限はないので(青)…B
@〜Bの並べ方が何通りか調べればよいので、@〜Bで、個数が3,2,1と違うこ
とに注目して、問題を解く。
2,9個並べて、両端が赤。
まず、赤→白→青→・・・・・・→赤は確定。
よって間にある5つの並べ方を考えればよい。
5=1+1+1+1+1
5=1+1+1+2
5=1+1+3
5=1+2+2
5=2+3
よって
1+4!/3!1!+3!/2!1!+3!/1!2!+2! | |
= | 1+4+3+3+2 |
= | 13 |
(ペンネ−ム:勝浦捨てる造)
問い(1)
赤が左端の場合 題意より 赤白青となって右端は赤白青どれでもOKで 3種類
白が左端だと次は青で確定して 白青の次が赤だと次は白だけで 1種類
白青の次が白だと次は必ず青で 1種類
白青の次が青だと次はどれでもOKで 3種類
青が左端だと左から2番目には赤白青どれもOK
そこでまず赤だと必ず白青となって青赤白青の1種類
左端が青で次に白を置くと3番目は必ず青で青白青となって右端には赤白青どれでもOKで 3種類
次に左から青青と並べたとき3番目に赤を置くと次は白だけで 1種類
3番目が白だと次は必ず青で1種類
次に左から青青青と並べたら右端は赤白青どれもOKで3種類
で、全部足して 17種類です。
問い(2)
(@)赤(2)白(B)青 (9)赤 は確定
ところで(9)が赤なら(8)は必ず青になるので 残り(4)から(7)を決める
(4)が赤なら(4)(5)(6)は赤白青で(7)には白か青で2種類
(4)白なら(4)(5)は白青で(6)(7)には 白青、青青、青白、赤白の4種類
次に(4)青の場合の(5)(6)(7)には 赤白青、白青白、白青青、青青青、青白青、青赤白、青青白の7種類となって
合計して13種類です。
(ペンネ−ム:モルモット大臣)
1) 4個並べる方法
赤→白 →青 →赤、白、青----- | 3通り |
白→青 →赤 →白------------- | 1通り |
白→青 →白 →青------------- | 1通り |
白→青 →青 →赤、白、青----- | 3通り |
青→赤 →白 →青------------- | 1通り |
青→白 →青 →赤、白、青----- | 3通り |
青→青 →赤 →白------------- | 1通り |
青→青 →白 →青------------- | 1通り |
青→青 →青 →赤、白、青----- | 3通り |
2) 左端と右端に赤を並べ、全体で9個並べる方法
最初の左端から3個は赤→白 →青で最後の右端の赤の1個前は必ず青でありさらにそ
の青の前は青か白であることに着目すると4個の並べ方を考えればよい。
赤→白 →青 →白、青--------- | 2通り |
白→青 →赤 →白------------- | 1通り |
白→青 →白 →青------------- | 1通り |
白→青 →青 →白、青--------- | 2通り |
青→赤 →白 →青------------- | 1通り |
青→白 →青 →白、青--------- | 2通り |
青→青 →赤 →白------------- | 1通り |
青→青 →白 →青------------- | 1通り |
青→青 →青 →白、青--------- | 2通り |
答 (1) 17通り、(2) 13通り
今後ともよろしくお願いいたします。
(ペンネ−ム:ドラ)
(“○つ目”という表現はすべて左端から数えたものとする)
1,
(@)左端が赤の時 赤,白,青,○
4つ目には、赤または白または青のどの色でも入れるので、3通り。
(A)左端が白の時 白,青,○,○
3つ目に、赤または白が入ると、4つ目も決定し、2通り。
3つ目に、青が入ると、4つ目には、赤または白または青のどの色でも入れるので、3通り。
合わせて5通り。
(B)左端が青の時 青,○,○,○
2つ目に赤が入ると、3つ目・4つ目も決まり、1通り。
2つ目に白が入ると、3つ目は青になり、
4つ目には、赤または白または青のどの色でも入れるので、3通り。
2つ目に青が入り、
3つ目に、赤または白が入ると、4つ目も決定し、2通り。
3つ目に、青が入ると、4つ目には、
赤・白・青のどの色でも入れるので、3通り。
合わせて9通り。
(@)(A)(B)より、17通り。
2,
問題より、左端と右端は赤に決定。
赤,○,○,○,○,○,○,○,赤
次に、左端が赤であることより、3つ目までは決定する。
赤,白,青,○,○,○,○,○,赤
9つ目が赤であることより、8つ目は青である必要がある。
赤,白,青,○,○,○,○,青,赤
ここまでは問題より決定される。
8つ目が青であることより、7つ目は白または青でなくてはならない。
4つ目、5つ目、6つ目に関しては、現時点で特に制限は無い。
よって、この問題の答えは
“4個並べた時、右端が白または青になる並び方は何通りありますか?”
という問題の答えと一致する。
だから、“4個並べた時、右端が白または青になる並び方は何通りありますか?”
という問題の答えを考えることにする。
(@)左端が赤の時 赤,白,青,○
4つ目には、白または青が入るので、2通り。
(A)左端が白の時 白,青,○,○
3つ目に、赤または白が入ると、4つ目も決定し、2通り。
3つ目に、青が入ると、4つ目には、白または青が入るので、2通り。
合わせて4通り。
(B)左端が青の時 青,○,○,○
2つ目に赤が入ると、3つ目・4つ目も決まり、1通り。
2つ目に白が入ると、3つ目は青になり、
4つ目には、白または青が入るので、2通り。
2つ目に青が入り、
3つ目に、赤または白が入ると、4つ目も決定し、2通り。
3つ目に、青が入ると、4つ目には、白または青が入るので、2通り。
合わせて7通り。
(@)(A)(B)より、13通り。
(ペンネ−ム:スモークマン)
1、11)最初、赤なら、最後の4個目が、3通り。:3
12)白なら、3個目が、赤の時。:1
白の時。:1
123)青の時、4個目が3通り。:3
計:5
13)青の時、2個目が赤の時。:1
白の時、4個目が3通り。:3
青の時、12)通り。:5
計:9
以上から、3+5+9=17通り。
2、最初が赤で、最後も赤ということは、
最後から2番目は青だから、4〜7個目までの色を考えればよい。
4個目が赤なら、7個目は、青でも白でも良い。:2
白なら、6-7個目は、赤-白、白-青、青-白、青-青のいずれでもよい。:4
青なら、5個目は、赤で、:1
白で、7個目が白でも青でも良いので、:2
青で、6個目は、赤で、:1
白で、:1
青で、7個目は白でも青でも良いので、:2
合計:2+4+1+2+1+1+2=13通り。
(ペンネ−ム:浜田 明巳)
いつものように,EXCELのマクロで解きました.データ処理は,やはりEXCELです.
赤,白,青をそれぞれ0,1,2とし,0の次は1,1の次は2とします.
問題1では4個のおはじきの並び方,問題2では9個のおはじきの並び方の総数を求めます.
ただし,問題2では,最初と最後は0とします.
このマクロにより,答は,
問題1 17通り
問題2 13通り
となります.
この問題を一般化したり,数学的に見て,裏側にどんな理論が潜んでいるか,
と考えるのは,苦手なので,このくらいにしておきます.
17
赤 白 青 赤 |
赤 白 青 白 |
赤 白 青 青 |
白 青 赤 白 |
白 青 白 青 |
白 青 青 赤 |
白 青 青 白 |
白 青 青 青 |
青 赤 白 青 |
青 白 青 赤 |
青 白 青 白 |
青 白 青 青 |
青 青 赤 白 |
青 青 白 青 |
青 青 青 赤 |
青 青 青 白 |
青 青 青 青 |
13
赤 白 青 赤 白 青 白 青 赤 |
赤 白 青 赤 白 青 青 青 赤 |
赤 白 青 白 青 赤 白 青 赤 |
赤 白 青 白 青 白 青 青 赤 |
赤 白 青 白 青 青 白 青 赤 |
赤 白 青 白 青 青 青 青 赤 |
赤 白 青 青 赤 白 青 青 赤 |
赤 白 青 青 白 青 白 青 赤 |
赤 白 青 青 白 青 青 青 赤 |
赤 白 青 青 青 赤 白 青 赤 |
赤 白 青 青 青 白 青 青 赤 |
赤 白 青 青 青 青 白 青 赤 |
赤 白 青 青 青 青 青 青 赤 |
Option Explicit Sub Macro1() Sheets("Sheet1").Select Dim a(4) As Integer Cells(1, 1).Value = 0 Range("A1").Select Call check1(1, a()) End Sub Sub check1(ByVal n As Integer, ByRef a() As Integer) Dim a_max As Integer Dim j As Integer If n > 1 And a(n - 1) < 2 Then a(n) = a(n - 1) + 1 a_max = a(n - 1) + 1 Else a(n) = 0 a_max = 2 End If While a(n) <= a_max If n < 4 Then Call check1(n + 1, a()) Else Cells(1, 1).Value = Cells(1, 1).Value + 1 For j = 1 To 4 Cells(Cells(1, 1).Value, j + 1).Value = ohajiki(a(j)) Next j End If a(n) = a(n) + 1 Wend End Sub Private Function ohajiki(ByVal n As Integer) As String Select Case n Case 0 ohajiki = "赤" Case 1 ohajiki = "白" Case Else ohajiki = "青" End Select End Function Sub Macro2() Sheets("Sheet2").Select Dim a(9) As Integer Cells(1, 1).Value = 0 Range("A1").Select a(1) = 0 a(9) = 0 Call check2(2, a()) End Sub Sub check2(ByVal n As Integer, ByRef a() As Integer) Dim a_max As Integer Dim j As Integer If a(n - 1) < 2 Then a(n) = a(n - 1) + 1 a_max = a(n - 1) + 1 Else a(n) = 0 a_max = 2 End If While a(n) <= a_max If n < 8 Then Call check2(n + 1, a()) ElseIf a(8) = 2 Then Cells(1, 1).Value = Cells(1, 1).Value + 1 For j = 1 To 9 Cells(Cells(1, 1).Value, j + 1).Value = ohajiki(a(j)) Next j End If a(n) = a(n) + 1 Wend End Sub
(ペンネ−ム:柿本 浩)
問題1:4個の並べ方
●左端が赤の場合(図1)
赤→白→青で3個目まで確定。
4個目は自由に選べる ・・・ 3通り
●左端が白の場合(図2)
白→青で2個目まで確定。
3個目に赤・白を選ぶと4個目も一意に確定。
3個目に青を選ぶと、4個目も自由に選べる。 ・・・ 5通り
●左端が青の場合(図3)
2個目が自由に選べ、2個目に赤を選ぶと4個目まで確定。
2個目に白を選ぶと3個目の青が確定し、4個目は自由に選べる。
2個目に青を選ぶと3個目も自由に選べ、3個目に赤・白を選ぶと4個目も一意に
確定。
3個目に青を選ぶと4個目も自由に選べる。 ・・・ 9通り
よって合計で17通りとなる。
問題2:両端が赤になる9個の並べ方
1つ前(左側)にある色のパターンを考えてみると
(○:並べられる ×:並べられない)
・赤→赤:× 白→赤:× 青→赤:○ → 赤の前は必ず青
・赤→白:○ 白→白:× 青→白:○ → 白の前は赤か青
・赤→青:× 白→青:○ 青→青:○ → 青の前は白か青
左端が赤 → 1〜3個目は赤→白→青の1通りしかない。(4個目は自由に選べ
る)
右端が赤 → 赤の前は必ず青なので、8・9個目は青→赤の1通りしかない。
よってこの問題は
「5個(4〜8個目)の並べ方で、右端(8個目)が青になる並べ方が何通りある
か」
という形に置き換えられる。
上記に示した「前の色のパターン」を使って右端から考えていくと
図4が得られ、全部で13通りだと分かる。
(ペンネ−ム:サザンマニア)
1、まず、一番左に何色を置くか考える。
(1)、赤をおいたとき。
順に、白、青と続く。一番右端には、赤、青、白が並べられる。よって、3通り。
(2)、白をおいたとき。
順に、青と続く。3番目には、赤、青、白が並べられる。3番目が赤、白のとき、
問題文から、赤の場合は順に白。白の場合は、順に青と並べられる。(2通り)
次に、青の場合、赤、青、白を並べられる。(3通り) よって、あわせて5通り。
(3)、青をおいたとき。
2番目に並べられるのは、赤、白、青。
まず、赤を並べたとき、白、青と続く。(1通り)
次に、白を並べた場合、青と続く。一番右には、赤、青、白を並べられる。(3通り)
最後に、青を並べた場合、3番目に、赤、青、白が並べられる。
3番目に、赤、白を並べた場合、順に、赤の場合は白、白の場合は青と続く。(2通り)
3番目に、青を並べた場合、一番右端に、青、赤、白を並べられる。(3通り)
だらだらと続いたが、9通り。
(1)、(2)、(3)より、あわせて17通り。
2、まず、一番左端に赤を置く。すると、順に、白、青と続く。あと、おくことがで
きるおはじきはあと6つである。
そこで、1番の問題の、4個並べる並べ方に注目する。ここで、最後に赤が置けない
場合を考えると、7番目に置くおはじきの色が赤ではない。(8番目白、9番目青と
続くから)つまり、1番の問題で右端に置くおはじきの色が赤以外の並べ方を選べば
よい。
1番の問題より、考えられるのは、
(赤、白、青、白)(赤、白、青、青)(白、青、赤、白)(白、青、白、青)
(白、青、青、白)(白、青、青、青)(青、赤、白、青)(青、白、青、白)
(青、白、青、青)(青、青、白、青)(青、青、赤、白)(青、青、青、白)
(青、青、青、青) の13通り。
7番目が白、青のとき、8番目、青、右端に赤を置けばよい。
よって、答えは13通り。
(ペンネ−ム:AK)
1.4つ並べる。
左端が赤のとき。
赤-白-青-O。 3通り。
左端が白のとき。
白-青-O-●。 Oが青以外では●も決定する。
Oが青だと●は3通り。 よって5通り。
左端が青のとき。
青-O-●-◎。 Oが赤では●・◎が決定する。
Oが白だと●が決定し、◎は3通り。
Oが青の場合、白が左端の時と同意なので5通り。
よって9通り。
以上より足して17通り。
2.9つ並べる。両端が赤。
条件より
赤-白-青-○-●-◎-☆-青-赤まで決定する。
中の○-●-◎-☆は上の4つ並べる時と似ているが、☆が赤だといけないので
☆が赤になる時は◎が青の時。
問題1から考えて☆が赤になるのは4通り。
17-4=13通り.
(ペンネ−ム:kiyo)
赤 1 白 2 青 3 とする。
1.
2.123○○○○31 の形にならなければならない。
したがって、問題1に還元される。
そのなかで、最後が「1」*は不適となるので、
13通り。
(ペンネ−ム:夜ふかしのつらいおじさん)
1.次の7通りが正解だと思います。
赤白青青 白青白青 白青青青 青赤白青 青白青青 青青白青 青青青青
しかし、2番の問題のように右はしが赤のことがあるということを認めるのなら次の17種類です。
(この中で右はしが赤や白のものはその右に白や青がきていません。
これは、「ただし、赤の次は必ず白、白の次は必ず青を並べるものとします」
のルールに反していると思うのですが。)
●赤白青赤 ○赤白青白 ○赤白青青
○白青赤白 ○白青白青 ●白青青赤 ○白青青白 ○白青青青
○青赤白青 ●青白青赤 ○青白青白 ○青白青青
○青青赤白 ○青青白青 ●青青青赤 ○青青青白 ○青青青青
これは次の1から4までの並び(3種類)、2から5までの並び(5種類)、
3から6までの並び(9種類)です。
1→2→3→4→5→6 赤→白→青┬赤→白→青 ├白→青┬赤 │ ├白 │ └青 └青┬赤→白 ├白→青 └青┬赤 ├白 └青
2.答えは13種類です。
赤で始まると次の白、その次の青とはじめの3色が決まってしまいます。
また、右はしの赤の前は青でなければなりません。
なぜなら赤や白なら次に赤がこられないからです。
おわりの2色も決まってしまいます。つまり次のような並びになります。
123456789 赤白青・・・・青赤
(ペンネ−ム:けんたん)
(1の解答)
4個の並べ方は、下記の通りである。
赤→白→青→赤 | 青→赤→白→青 |
赤→白→青→白 | 青→白→青→赤 |
赤→白→青→青 | 青→白→青→白 |
白→青→赤→白 | 青→白→青→青 |
白→青→白→青 | 青→青→赤→白 |
白→青→青→赤 | 青→青→白→青 |
白→青→青→白 | 青→青→青→赤 |
白→青→青→青 | 青→青→青→白 |
青→青→青→青 |
(2の解答)
題意の9個の並べ方を下のように表した。
順 番 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
おはじきの色 | 赤 | 白 | 青 | 青 | 赤 |
(ペンネ−ム:teki)
答え 1 17通り 2 13通り
<解法>
1は、赤を先頭にした場合3通り、白を先頭にした場合5通り、青を先頭にした
場合9通りの計17通りです。
2は、最初と最後が赤であることから、3個目までは、赤白青が確定します。
また、8個目も青でなければなりません。
4個目から7個目の4つの並べ方は、1より17通りですが、7個目には赤がこ
ないので、17通りから最後が赤になる4通りを引いて13通りとなります。
なお、この条件でのn個のおはじきの並べ方の数をA(n)とすると、以下の漸
化式が成立します。
A(n)=A(n-1)+A(n-2)+A(n-3) (但し、n≦3の時、A(n)
=2n+1)
すなわち、前の3つを足したものが次の数になるということです。
こういう数列をトリボナッチ数列というらしいですが、初耳でした。(フィボナ
ッチ数列なら聞いたことがあります。イタリアの数学者の名前をとった数列で、木の枝別
れの数列等、自然界には結構あるようです。)
(ペンネ−ム:kirkland)
1番の解答
4個目まで書けば確実なのでしょうが、面倒なので3個目まで。
(赤の条件があるので、3個目までは書かないとダメ)
1個並べるときは3通り、2個並べるときは5通り、3個並べるときは9通り(下の表より)。
1個目 | 2個目 | 3個目 |
---|---|---|
青 | 青 | 青 |
白 | ||
赤 | ||
白 | 青 | |
赤 | 白 | |
白 | 青 | 青 |
白 | ||
赤 | ||
赤 | 白 | 青 |
2番の解答
左端(1個目)が赤ということは、2個目は白、3個目は青で、4個目から自由になります。
右端(9個目)が赤ということは、8個目は青、7個目は青か白(赤ではない)。
というわけで、4個目から7個目までの4個だけを考えます。
4個並べる17通りのうち、4個目が赤(3個目が青)になってしまうものが4通りあるので、
これを除くと13通り。
小学生の坊ちゃん・お嬢ちゃん、実際の試験場では、4個目まで調べましょう。
その方が確実ですよ!
(ペンネ−ム:高橋 道広)
1
n個並べる並べ方をF(n)とします。
F(1):赤 白 青の3通り F(1)=3
F(2):赤白 白青 青の後はF(1)とおり よってF(2)=5
F(3):赤白青 白青のあとはF(1)とおり 青の後はF(2)とおり
よってF(3)=1+3+5=9
F(4):赤白青の後はF(1)とおり 白青の後はF(2)とおり 青の後はF(3)とおり
よってF(4)=F(1)+F(2)+F(3)=3+5+9=17通り
一般にn>3では F(n)=F(n-1)+F(n-2)+F(n-3)が成り立ちますね。
やはり予想通りトリボナッチ数列になります。
2
n個並べて最後が赤になる並べ方をG(n)とおりとします。
G(1):赤 しかない G(1)=1
G(2):赤白はだめ 白青はだめ 青の後はG(1)とおり G(2)=1
G(3):赤白青はだめ 白青のあとはG(1)とおり 青の後はG(2)とおり
G(3)=G(1)+G(2)=2
G(4):赤白青の後はG(1)とおり 白青の後はG(2)とおり 青の後はG(3)とおり
G(4)=G(1)+G(2)+G(3)=1+1+2=4
G(5):赤白青の後はG(2)とおり 白青の後はG(3)とおり 青の後はG(4)とおり
G(4)=G(2)+G(3)+G(4)=1+2+4=7
G(6):赤白青の後はG(3)とおり 白青の後はG(4)とおり 青の後はG(5)とおり
G(4)=G(3)+G(4)+G(5)=2+4+7=13
これもトリボナッチ数列ですね。
さて問題は「9個並べたとき、左はしも右はしも赤になる」のですが
左から赤白青と並ぶのでのこり6個の並べ方はG(6)とおり つまり13通りが解答です
kiyo | やなせ | スチューデント |
ドラ | 勝浦捨てる造 | 浜田 明巳 |
teki | 柿本 浩 | スモークマン |
高橋 道広 | 夜ふかしのつらいおじさん | モルモット大臣 |
サザンマニア | AK | kirkland |
けんたん |
まず問題の解釈のついて、謝罪をしなければなりません。
問題文「赤の次は必ず白、白の次は必ず青を並べるものとします」というところですが、 正確には「赤の次におくとしたらそれは必ず白、白の次におくとしたらそれは必ず青」という表現をすべきだった と思います。混乱を招いて申し訳ありませんでした。
問題の1番ですが、 tekiさん、kirklandさん、高橋 道広さんからご指摘いただいたように トリボナッチ数列になります。つまり、n>3について、
F(n)=F(n-1)+F(n-2)+F(n-3)
が成り立ちます。なぜなら、n個のおはじきの並べ方F(n)は、
1.先頭が青のとき、2番目以降は何でもいいので、F(n-1)通り。
2.先頭が白のとき、2番目は青、3番目以降は何でもいいので、F(n-2)通り。
3.先頭が赤のとき、2番目は白、3番目は青、4番目以降は何でもいいので、F(n-3)通り。
従って、F(n)=F(n-1)+F(n-2)+F(n-3)
問題の2番については、多くの方が指摘されているように、4番目〜7番目の4つを決めればいいのですが、 7番目に赤を置くことができません。従って、 1番の答え17通りの中から末尾が赤になるもの4通りを除けばいいわけですね。
高橋 道広さんによれば、 末尾が赤になる並べ方、というとらえをするとこれもまたトリボナッチ数列になるということですね。 そこまでは思い到りませんでした。脱帽。
おはじきの色は赤、白、青、緑の4色。先の条件に、青のおはじきの次におくとしたらそれは必ず緑という条件を加えると これは、何数列というのでしょう?