資源配分(配分先に区別が無い場合)の練習問題(全4問・解答つき)

数学A「資源配分(配分先に区別が無い場合)」(場合の数)の練習問題を4問まとめました。解答は各問のすぐ下に折りたたんであります。そのまま印刷すれば、解答の見えない問題プリントになります。

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問題1資源配分(配分先に区別が無い場合)の計算練習

次の値を求めよ。

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  1. 求めるのは「区別しない5個のボールを、区別しない1個の箱に最低1個は配る場合の数」であり、これは次の図のような 通りである。

    横長の箱が1つあり、その中に丸いボールが横一列に5個入っている。5個のボールをすべて1つの箱に入れる、ただ1通りの配り方を表している。
  2. 求めるのは「区別しない5個のボールを、区別しない2個の箱に最低1個は配る場合の数」 であり、これは次の図のような 通りである。

    5個のボールを2つの箱に分ける2通りが上下に並んでいる。上段は左の箱に4個・右の箱に1個、下段は左の箱に3個・右の箱に2個のボールが入っている。
  3. 求めるのは「区別しない5個のボールを、区別しない3個の箱に最低1個は配る場合の数」 であり、これは次の図のような 通りである。

    5個のボールを3つの箱に分ける2通りが上下に並んでいる。上段は左から3個・1個・1個、下段は左から2個・2個・1個のボールが箱に入っている。
  4. 求めるのは「区別しない5個のボールを、区別しない4個の箱に最低1個は配る場合の数」 であり、これは次の図のような 通りである。

    箱が横一列に4つ並び、左端の箱にボールが2個、残りの3つの箱に1個ずつ、合わせて5個入っている。4つの箱に分ける、ただ1通りの配り方を表している。
  5. 求めるのは「区別しない5個のボールを、区別しない5個の箱に最低1個は配る場合の数」 であり、これは次の図のような 通りである。

    箱が横一列に5つ並び、それぞれの箱に丸いボールが1個ずつ入っている。5個のボールを5つの箱に1個ずつ分ける、ただ1通りの配り方を表している。

問題2資源配分 (配分先に区別が無い場合)

区別しない9個のボールを、区別しない3つの箱に配る場合について、どの箱にも最低1個はボールを配るとして、その配り方には何通りの方法があるか求めよ。

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まず、ボールを区別せず、箱を区別する(a箱、b箱、c箱と名付ける) 場合について考える。

このとき、9個のボールを3つの箱に分ける方法は、並べた9個のボールの“すきま”8ヶ所に“しきり”を2ヶ所いれ、左から順にa箱、b箱、c箱に入れるボールの数と対応させればよい。 つまり、 通りある。

横一列に並べられた9個の丸いボールと、それらのボールの間にある8箇所のすきまをそれぞれ下から指し示す、8本の上向きの矢印が並んでいる。

a箱、b箱、c箱にはいるボールの数がそれぞれ のとき、 と表す。

  1. 28通りのうち3つの箱とも入るボールの数が等しくなるのは

    の1通り。

  2. a箱、b箱に入るボールの数が等しいのは、3箱とも入るボールの数が同じ場合を除くと

    の3通りある。3つの箱のうち、どの2つの箱に入るボールの数が等しくなるかは 通りあるので、 2つの箱に入るボールの数が等しいのは 通り。

  3. 3つの箱に入るボールの数がばらばらであるのは、 通り。

よって、箱の区別をなくすと

通り

7通りの内訳は次のようになる。

1から7の番号ごとに、3つの箱に入るボールの数が描かれている。その個数は順に、1が1・1・7、2が1・2・6、3が1・3・5、4が1・4・4、5が2・2・5、6が2・3・4、7が3・3・3である。

問題3★資源配分 (配分先に区別が無い場合)

を正の整数とし、 個のボールを3つの箱に分けて入れる問題を考える。ただし、1個のボールも入らない箱があってもよいものとする。

  1. 互いに区別のつかないボールを、A、B、Cと区別された3つの箱に入れる場合、その入れ方は全部で何通りあるか。
  2. が6の倍数 ( は自然数)であるとき、 個の互いに区別のつかないボールを、区別のつかない3つの箱に入れる場合、その入れ方は全部で何通りあるか。 を用いて表せ。
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  1. Aに 個、Bに 個、Cに 個入れるとして

    を満たす0以上の整数の組 が何組あるかと対応する。

    資源配分〜その2〜の例題を参照のこと

    よって

  2. 1. の 通りのうち

    (i) 3箱に入るボールの数がすべて違うものが 通り

    (ii) 3箱に入るボールの数が2箱については同じものが 通り

    (iii) 3箱に入るボールの数がすべて同じものが 通り

    あるとすれば、求める値は、箱の区別を無くすため、それぞれ で割って 通りとなる。

    まず、 は明らかに1である。

    次に、 を求める。どの2つの箱に入るボールの数が等しくなるかで 通りある。 例えば が等しい場合

    なので、 通りあるが、3箱に入るボールの数がすべて同じになる場合である の1通りを引いて、 通りある。よって

    最後に、 は全体から を引くことにより求まり

    以上より

    通り

問題4資源配分(配分先に区別が無い場合)の和

資源配分 (配分先に区別が無い場合)の例題において。 空の箱があってもよいとすると、何通りの配り方があるか求めよ。

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資源配分 (配分先に区別が無い場合)の解答より、

空の箱が1つも無い場合には7通りであった。

2つの箱が空箱になるのは、1通り。 1つの箱が空箱になるのは(数えて)4通り。よって

通り

この例題からわかるように、空の箱があってもよい場合のボール の配り方は、 の和となる。 ボールと箱のモデルでまとめると、次のようになる。