【解説・採点基準付き】2015年九州大学文系数学の解答・解説
2015年の九州大学・文系数学の、
解答・解説【完全版】です。
方針の立て方・考え方はもちろん
オリジナルの採点基準付き。
このページで過去問演習が完結するので
赤本などは一切不要です。
※本記事の問題は、九州大学の入学試験問題から引用しています。
解答・解説は九大専門塾・竜文会が独自に作成したもので、九州大学が公表したものではありません。
2015年九州大学文系数学
第1問 解答・解説
この記事の配点・採点基準は九州大学が公表しているものではなく、竜文会が独自に作成したものです。
第1問は積分法(数学Ⅱ)・図形と方程式・2次関数の問題です。
テーマは「2つの放物線が異なる2点で交わる条件と、囲まれる部分の面積が9となる条件、そのときの $C_2$ の頂点の軌跡の図示」。
問題


問題文をテキストで読む
座標平面上の2つの放物線
$$C_1:\ y=x^2$$
$$C_2:\ y=-x^2+ax+b$$
を考える。ただし、 $a,b$ は実数とする。
(1) $C_1$ と $C_2$ が異なる2点で交わるための $a,b$ に関する条件を求めよ。
以下、 $a,b$ が(1)の条件を満たすとし、 $C_1$ と $C_2$ で囲まれる部分の面積が9であるとする。
(2) $b$ を $a$ を用いて表せ。
(3) $a$ がすべての実数値をとって変化するとき、放物線 $C_2$ の頂点が描く軌跡を座標平面上に図示せよ。
解答の方針
【(1)の方針】
2つの放物線の交点の $x$ 座標は、式を連立した方程式の実数解。 $y$ を消すと $x^2$ の係数が $2$ の2次方程式になるので、「異なる2点で交わる」は「判別式が正」と言いかえられる。
- $C_1$、 $C_2$ の式を連立して $y$ を消し、 $x$ の2次方程式 $2x^2-ax-b=0$ を作る。
- 2次の係数が $0$ でないことを確かめ、判別式 $D=a^2+8b>0$ を答える。
【(2)の方針】
面積に要るのは交点の $x$ 座標 $\alpha$、 $\beta$ と2次の係数だけ。2つの放物線の差は2次式なので $\dfrac16$ 公式が使え、面積は $(\beta-\alpha)^3$ で決まる。「面積が9」は「 $\beta-\alpha=3$ 」と言いかえられる。


- (1) の2次方程式の2つの解を $\alpha<\beta$ とし、 $C_2$ が上であることを確かめて、面積を $\dfrac16$ 公式で $\dfrac13(\beta-\alpha)^3$ と表す。
- 面積が9なので $\beta-\alpha=3$ 。2次方程式を解の公式で解いて辺々引き、 $\beta-\alpha=\dfrac{\sqrt{a^2+8b}}{2}$ を求める。
- $\dfrac{\sqrt{a^2+8b}}{2}=3$ から $a^2+8b=36$ とし、 $b$ について解く。
【(3)の方針】
頂点は平方完成で $a$ の式に表せる。軌跡は、頂点を $(X,\ Y)$ とおいて $a$ で表し、 $a$ を消去すれば求まる。 $a$ がすべての実数をとるので、 $X$ がとる範囲も確かめる。


- (2) の $b$ を代入した $C_2$ の式を平方完成し、頂点の座標を $a$ で表す。
- 頂点を $(X,\ Y)$ とおき、 $X=\dfrac a2$ 、 $Y=\dfrac{a^2}{8}+\dfrac92$ とする。
- $a$ がすべての実数をとるので $X=\dfrac a2$ もすべての実数をとることを確かめ(このとき (1) の条件 $a^2+8b=36>0$ も満たす)、 $a=2X$ を $Y$ の式に代入して $a$ を消去し、 $Y=\dfrac12X^2+\dfrac92$ を求める。
- 放物線 $y=\dfrac12x^2+\dfrac92$ の全体を、頂点 $\left(0,\ \dfrac92\right)$ と通る点 $(\pm3,\ 9)$ を入れて図示する。
解答


解答をテキストで読む
(1) 配点 10点
$C_1$、 $C_2$ の式から $y$ を消すと、 $x^2=-x^2+ax+b$ より
$$2x^2-ax-b=0\quad\cdots①$$
$C_1$ 上の点は $x$ 座標で決まるので、 $C_1$ と $C_2$ が異なる2点で交わるのは、①が異なる2つの実数解をもつときである。①は2次の係数が $2$ で $0$ でない2次方程式なので、判別式を $D$ とすると
$$D=(-a)^2-4\cdot2\cdot(-b)=a^2+8b>0$$
答 $a^2+8b>0$
(2) 配点 20点
(図は $a=2$、 $b=4$ の例)
①の2つの実数解を $\alpha$、 $\beta$( $\alpha<\beta$ )とする。 $C_2$ の式から $C_1$ の式を引くと
$$(-x^2+ax+b)-x^2=-(2x^2-ax-b)=-2(x-\alpha)(x-\beta)$$
$\alpha\leqq x\leqq\beta$ ではこれが $0$ 以上なので、 $C_2$ が上、 $C_1$ が下にある。囲まれる部分の面積を $S$ とすると
$$\begin{aligned}S&=\int_\alpha^\beta\left\{(-x^2+ax+b)-x^2\right\}dx\\&=\int_\alpha^\beta(-2)(x-\alpha)(x-\beta)\,dx\\&=\dfrac26(\beta-\alpha)^3=\dfrac13(\beta-\alpha)^3\end{aligned}$$
$S=9$ なので $\dfrac13(\beta-\alpha)^3=9$ 、すなわち $(\beta-\alpha)^3=27$ 。 $\beta-\alpha$ は実数なので
$$\beta-\alpha=3$$
一方、①を解の公式で解くと
$$x=\dfrac{a\pm\sqrt{a^2+8b}}{4}$$
なので、辺々引いて
$$\beta-\alpha=\dfrac{2\sqrt{a^2+8b}}{4}=\dfrac{\sqrt{a^2+8b}}{2}$$
よって $\dfrac{\sqrt{a^2+8b}}{2}=3$ より $a^2+8b=36$ 。これは (1) の条件 $a^2+8b>0$ を満たす。 $b$ について解いて
答 $b=-\dfrac{a^2}{8}+\dfrac92$
検算 $a=2$ のとき $b=4$ で、①は $2x^2-2x-4=0$ 、すなわち $2(x+1)(x-2)=0$ 。 $\alpha=-1$、 $\beta=2$ で $\beta-\alpha=3$ 、 $S=\dfrac13\cdot3^3=9$ となり一致する。
別解( $\beta-\alpha$ を解と係数の関係で求める) ①で解と係数の関係より $\alpha+\beta=\dfrac a2$、 $\alpha\beta=-\dfrac b2$ なので
$$(\beta-\alpha)^2=(\alpha+\beta)^2-4\alpha\beta=\dfrac{a^2}{4}+2b=\dfrac{a^2+8b}{4}$$
$\beta-\alpha>0$ より $\beta-\alpha=\dfrac{\sqrt{a^2+8b}}{2}$ で、本解と同じになる。
(3) 配点 20点
(2) より $b=-\dfrac{a^2}{8}+\dfrac92$ なので、 $C_2$ の式を平方完成すると
$$y=-x^2+ax+b=-\left(x-\dfrac a2\right)^2+\dfrac{a^2}{4}+b=-\left(x-\dfrac a2\right)^2+\dfrac{a^2}{8}+\dfrac92$$
$C_2$ の頂点を $(X,\ Y)$ とおくと
$$X=\dfrac a2,\qquad Y=\dfrac{a^2}{8}+\dfrac92$$
$b$ を (2) のように決めると $a^2+8b=36>0$ なので、 $a$ はすべての実数をとれる。このとき $X=\dfrac a2$ もすべての実数をとる。 $a=2X$ を $Y$ の式に代入して
$$Y=\dfrac{(2X)^2}{8}+\dfrac92=\dfrac12X^2+\dfrac92$$
よって、頂点が描く軌跡は放物線 $y=\dfrac12x^2+\dfrac92$ の全体で、下の図の曲線。
答 放物線 $y=\dfrac12x^2+\dfrac92$ の全体(頂点 $\left(0,\ \dfrac92\right)$ 、点 $(\pm3,\ 9)$ を通る。下の図)
検算 $a=2$、 $b=4$ のとき $C_2:y=-x^2+2x+4=-(x-1)^2+5$ で、頂点は $(1,\ 5)$ 。 $\dfrac12\cdot1^2+\dfrac92=5$ で、軌跡の上にある。
出題意図
(1) 2つの放物線の交点を、式を連立した2次方程式の実数解と捉え、判別式で条件を求めることができるか(教科書・チャートの例題レベル)。
(2) 囲まれる部分の面積を $\dfrac16$ 公式で $(\beta-\alpha)^3$ の形に表し、「面積が9」を $a,\ b$ の関係式に言いかえることができるか。
(3) 頂点の座標を $a$ で表し、 $a$ を消去して軌跡を求め、 $a$ の範囲から $x$ の範囲まで確かめて図示できるか。
講評
| 難易度 | やや簡単 |
| 目標得点 | 50点 |
| 目標時間 | 20分 |
いつも通りの問題で、(1) は判別式、(2) は $\dfrac16$ 公式。
(3) は文字を1つ消して、軌跡と領域。
頂点は媒介変数で書けるので、すべての実数をとれるかどうかを確かめるのがポイント。
合格したいなら確実に取りたい問題で、問題を見た瞬間に答えまでの道筋が思い浮かぶべき。
差がつく所・失点しやすい所
- 失点しやすい所:(2) で2次の係数 $2$ や $\beta-\alpha$ の $\dfrac12$ を落とす所と、(3) で $X$ の範囲を確かめず、図に頂点の座標を書かない所。
2015年九州大学文系数学
第2問 解答・解説
第2問は空間ベクトルの問題です。
テーマは「1辺の長さ1の正四面体OABCの辺上の3点P、Q、Rについて、PQ・PRの長さ、内積 $\overrightarrow{\mathrm{PQ}}\cdot\overrightarrow{\mathrm{PR}}$ 、三角形PQRの面積」。
問題


問題文をテキストで読む
1辺の長さが1である正四面体OABCを考える。辺OAの中点をP、辺OBを $2:1$ に内分する点をQ、辺OCを $1:3$ に内分する点をRとする。以下の問いに答えよ。
(1) 線分PQの長さと線分PRの長さを求めよ。
(2) $\overrightarrow{\mathrm{PQ}}$ と $\overrightarrow{\mathrm{PR}}$ の内積 $\overrightarrow{\mathrm{PQ}}\cdot\overrightarrow{\mathrm{PR}}$ を求めよ。
(3) 三角形PQRの面積を求めよ。
解答の方針
【(1)の方針】
正四面体の各面は1辺1の正三角形なので、 $\vec a=\overrightarrow{\mathrm{OA}}$、 $\vec b=\overrightarrow{\mathrm{OB}}$、 $\vec c=\overrightarrow{\mathrm{OC}}$ の大きさはすべて1、どの2本の内積も $\dfrac12$ と最初に分かる。P、Q、Rを $\vec a$、 $\vec b$、 $\vec c$ で表せば、長さは2乗して展開するだけ。


- $\vec a=\overrightarrow{\mathrm{OA}}$、 $\vec b=\overrightarrow{\mathrm{OB}}$、 $\vec c=\overrightarrow{\mathrm{OC}}$ とおき、 $|\vec a|=|\vec b|=|\vec c|=1$、 $\vec a\cdot\vec b=\vec b\cdot\vec c=\vec c\cdot\vec a=\dfrac12$ を最初に書く。
- $\overrightarrow{\mathrm{OP}}=\dfrac12\vec a$、 $\overrightarrow{\mathrm{OQ}}=\dfrac23\vec b$、 $\overrightarrow{\mathrm{OR}}=\dfrac14\vec c$ とし、始点をOにそろえて $\overrightarrow{\mathrm{PQ}}=\dfrac16(4\vec b-3\vec a)$、 $\overrightarrow{\mathrm{PR}}=\dfrac14(\vec c-2\vec a)$ と表す。
- $|4\vec b-3\vec a|^2$ を展開して、PQの長さを求める。
- $|\vec c-2\vec a|^2$ を展開して、PRの長さを求める。
【(2)の方針】
(1) で $\overrightarrow{\mathrm{PQ}}$、 $\overrightarrow{\mathrm{PR}}$ はくくった形で表してあるので、係数 $\dfrac16\cdot\dfrac14$ を前にくくり、括弧の中どうしを展開すればよい。
- $\overrightarrow{\mathrm{PQ}}\cdot\overrightarrow{\mathrm{PR}}=\dfrac1{24}(4\vec b-3\vec a)\cdot(\vec c-2\vec a)$ と係数を前にくくる。
- 展開して、大きさ1と内積 $\dfrac12$ を代入する。
- 係数 $\dfrac1{24}$ をかけて、内積 $\dfrac5{48}$ を求める。
【(3)の方針】
2辺 $\overrightarrow{\mathrm{PQ}}$、 $\overrightarrow{\mathrm{PR}}$ の大きさと内積がそろっているので、三角形の面積の公式 $\dfrac12\sqrt{|\overrightarrow{\mathrm{PQ}}|^2|\overrightarrow{\mathrm{PR}}|^2-(\overrightarrow{\mathrm{PQ}}\cdot\overrightarrow{\mathrm{PR}})^2}$ に代入するだけ。
- 三角形の面積の公式を書く。
- (1) の $|\overrightarrow{\mathrm{PQ}}|^2=\dfrac{13}{36}$、 $|\overrightarrow{\mathrm{PR}}|^2=\dfrac3{16}$ と (2) の内積 $\dfrac5{48}$ を代入し、根号の中を通分して計算する。
- 平方根を整理して、面積を求める。
解答


解答をテキストで読む
(1) 配点 15点
$\vec a=\overrightarrow{\mathrm{OA}}$、 $\vec b=\overrightarrow{\mathrm{OB}}$、 $\vec c=\overrightarrow{\mathrm{OC}}$ とおく。正四面体OABCの1辺の長さは1で、各面は正三角形なので
$$|\vec a|=|\vec b|=|\vec c|=1,\qquad\vec a\cdot\vec b=\vec b\cdot\vec c=\vec c\cdot\vec a=1\cdot1\cdot\cos60^\circ=\frac12$$
PはOAの中点、QはOBを $2:1$ に内分する点、RはOCを $1:3$ に内分する点なので(上の図)
$$\overrightarrow{\mathrm{OP}}=\frac12\vec a,\qquad\overrightarrow{\mathrm{OQ}}=\frac23\vec b,\qquad\overrightarrow{\mathrm{OR}}=\frac14\vec c$$
始点をOにそろえると
$$\overrightarrow{\mathrm{PQ}}=\overrightarrow{\mathrm{OQ}}-\overrightarrow{\mathrm{OP}}=\frac23\vec b-\frac12\vec a=\frac16(4\vec b-3\vec a)$$
$$\overrightarrow{\mathrm{PR}}=\overrightarrow{\mathrm{OR}}-\overrightarrow{\mathrm{OP}}=\frac14\vec c-\frac12\vec a=\frac14(\vec c-2\vec a)$$
長さは2乗して展開する。分数の係数は外にくくってある。
$$|4\vec b-3\vec a|^2=16|\vec b|^2-24\vec a\cdot\vec b+9|\vec a|^2=16-12+9=13$$
より $|\overrightarrow{\mathrm{PQ}}|^2=\dfrac{13}{36}$、 $\mathrm{PQ}=\dfrac{\sqrt{13}}{6}$。
$$|\vec c-2\vec a|^2=|\vec c|^2-4\vec c\cdot\vec a+4|\vec a|^2=1-2+4=3$$
より $|\overrightarrow{\mathrm{PR}}|^2=\dfrac3{16}$、 $\mathrm{PR}=\dfrac{\sqrt3}{4}$。
答 $\mathrm{PQ}=\dfrac{\sqrt{13}}{6}$、 $\mathrm{PR}=\dfrac{\sqrt3}{4}$
別解(余弦定理) PQは面OAB上、PRは面OAC上にあり、どちらの面も正三角形なので $\angle\mathrm{POQ}=\angle\mathrm{POR}=60^\circ$ である。 $\mathrm{OP}=\dfrac12$、 $\mathrm{OQ}=\dfrac23$、 $\mathrm{OR}=\dfrac14$ なので、三角形OPQ、OPRで余弦定理より
$$\mathrm{PQ}^2=\left(\frac12\right)^2+\left(\frac23\right)^2-2\cdot\frac12\cdot\frac23\cos60^\circ=\frac14+\frac49-\frac13=\frac{13}{36}$$
$$\mathrm{PR}^2=\left(\frac12\right)^2+\left(\frac14\right)^2-2\cdot\frac12\cdot\frac14\cos60^\circ=\frac14+\frac1{16}-\frac18=\frac3{16}$$
となり、同じ値になる。
(2) 配点 15点
(1) より、係数を前にくくって
$$\overrightarrow{\mathrm{PQ}}\cdot\overrightarrow{\mathrm{PR}}=\frac16\cdot\frac14(4\vec b-3\vec a)\cdot(\vec c-2\vec a)$$
括弧の中を展開して
$$(4\vec b-3\vec a)\cdot(\vec c-2\vec a)=4\vec b\cdot\vec c-8\vec a\cdot\vec b-3\vec c\cdot\vec a+6|\vec a|^2=2-4-\frac32+6=\frac52$$
よって
$$\overrightarrow{\mathrm{PQ}}\cdot\overrightarrow{\mathrm{PR}}=\frac1{24}\cdot\frac52=\frac5{48}$$
答 $\dfrac5{48}$
(3) 配点 20点
三角形PQRの面積を $S$ とする。2辺 $\overrightarrow{\mathrm{PQ}}$、 $\overrightarrow{\mathrm{PR}}$ の大きさと内積が分かっているので、三角形の面積の公式より
$$S=\frac12\sqrt{|\overrightarrow{\mathrm{PQ}}|^2|\overrightarrow{\mathrm{PR}}|^2-(\overrightarrow{\mathrm{PQ}}\cdot\overrightarrow{\mathrm{PR}})^2}$$
(1)(2) の値を代入して
$$|\overrightarrow{\mathrm{PQ}}|^2|\overrightarrow{\mathrm{PR}}|^2-(\overrightarrow{\mathrm{PQ}}\cdot\overrightarrow{\mathrm{PR}})^2=\frac{13}{36}\cdot\frac3{16}-\left(\frac5{48}\right)^2=\frac{39}{576}-\frac{25}{2304}=\frac{156-25}{2304}=\frac{131}{2304}$$
よって
$$S=\frac12\sqrt{\frac{131}{2304}}=\frac12\cdot\frac{\sqrt{131}}{48}=\frac{\sqrt{131}}{96}$$
答 $\dfrac{\sqrt{131}}{96}$
三角形PQRを取り出すと上の図のようになる( $\theta=\angle\mathrm{QPR}$)。QRの長さは、三角形OQRで余弦定理を使うと $\mathrm{QR}^2=\dfrac49+\dfrac1{16}-2\cdot\dfrac23\cdot\dfrac14\cos60^\circ=\dfrac{49}{144}$ より $\mathrm{QR}=\dfrac7{12}$ で、3辺の長さからヘロンの公式で面積を計算しても $\dfrac{\sqrt{131}}{96}$ になり、答えが正しいことを確かめられる。
別解( $\cos\theta$ から $\sin\theta$ を求める) $\theta=\angle\mathrm{QPR}$ とすると
$$\cos\theta=\frac{\overrightarrow{\mathrm{PQ}}\cdot\overrightarrow{\mathrm{PR}}}{|\overrightarrow{\mathrm{PQ}}||\overrightarrow{\mathrm{PR}}|}=\frac5{48}\cdot\frac{6}{\sqrt{13}}\cdot\frac4{\sqrt3}=\frac{5}{2\sqrt{39}}$$
$0<\theta<\pi$ より $\sin\theta=\sqrt{1-\dfrac{25}{156}}=\dfrac{\sqrt{131}}{2\sqrt{39}}$。よって $S=\dfrac12\cdot\dfrac{\sqrt{13}}{6}\cdot\dfrac{\sqrt3}{4}\cdot\dfrac{\sqrt{131}}{2\sqrt{39}}=\dfrac{\sqrt{131}}{96}$ で、同じ値になる。三角形の面積の公式は、この計算を文字のまま行って作った式である。
出題意図
(1)(2) 正四面体を3本のベクトル $\vec a$、 $\vec b$、 $\vec c$ で表し、長さ・内積を「2乗して展開」で計算できるか(教科書・チャートの例題レベル)。
(3) 三角形の面積を、2辺の長さと内積から面積の公式で求められるか。(1)(2) の結果がそのまま (3) で使われる。
講評
| 難易度 | 簡単 |
| 目標得点 | 50点 |
| 目標時間 | 10分 |
(1)(2)(3) とも簡単で、チャートの例題レベル。
誰でも解けないとまずい問題で、10分で満点を取りたい。
1辺1の正四面体は、内積がすべて $\dfrac12$ と最初に分かるので、あとは長さを2乗して展開し、三角形の面積の公式に代入するだけ。
分数の係数を先にくくって展開する計算と、三角形の面積の公式の証明を、0から自分で書けるまで練習しておこう。
差がつく所・失点しやすい所
- 失点しやすい所:分数の係数をくくらずに展開すると計算が重くなり、ミスが出やすい。
2015年九州大学文系数学
第3問 解答・解説
第3問は確率の問題です。
テーマは「玉の入れかえを4回繰り返したときに、もらう硬貨の総数が1枚・2枚である確率」。
問題


問題文をテキストで読む
袋の中に最初に赤玉2個と青玉1個が入っている。次の操作を考える。
(操作)袋から1個の玉を取り出し、それが赤玉ならば代わりに青玉1個を袋に入れ、青玉ならば代わりに赤玉1個を袋に入れる。袋に入っている3個の玉がすべて青玉になるとき、硬貨を1枚もらう。
この操作を4回繰り返す。もらう硬貨の総数が1枚である確率と、もらう硬貨の総数が2枚である確率をそれぞれ求めよ。
解答の方針
どの時点でも袋には玉が3個入っているので、状態は青玉が何個あるかだけで表せる。しかも1回の操作で青玉は必ず1個ずつ増減し、偶数と奇数が入れかわるので、硬貨をもらえるのは2回目と4回目だけ。2回ずつまとめて見れば、もらう回ごとにかけ算するだけで済む。


- 状況を言葉にして整理する。袋の中身を青玉の個数で表し、青玉が $k$ 個のとき、赤玉を取り出して1個増える確率 $\dfrac{3-k}{3}$、青玉を取り出して1個減る確率 $\dfrac k3$ を推移図にまとめる。
- 青玉の個数の偶奇が1回ごとに入れかわることから、奇数回目の後は0個か2個で、硬貨をもらえるのは2回目と4回目だけだと示す。
- 2回の操作を1組にして、青玉1個から2回後に1個に戻る確率 $\dfrac79$ と3個になる確率 $\dfrac29$ を求める。
- 青玉3個から2回後に1個になる確率 $\dfrac23$ と、3個のままの確率 $\dfrac13$ を求める。
- 総数1枚は「2回目だけでもらう」「4回目だけでもらう」の2つの場合に分け、手順3・4の確率をかけて足す。
- 総数2枚は「2回目と4回目の両方でもらう」場合で、手順3・4の確率をかける。総数0枚の確率も求め、3つの和が1になることを確かめる。
解答


解答をテキストで読む
配点 50点
袋の中の玉は常に3個で、状態は青玉の個数 $k$ ( $k=0,1,2,3$ )だけで決まる。青玉が $k$ 個のとき、赤玉を引く確率は $\dfrac{3-k}{3}$ で、このとき青玉は1個増える。青玉を引く確率は $\dfrac k3$ で、このとき青玉は1個減る。はじめは青玉1個で、青玉が3個そろうと硬貨を1枚もらう。この推移を図にすると次のようになる。
1回の操作で青玉はちょうど1個だけ増減するから、操作のたびに青玉の個数の偶奇が入れかわる。はじめは1個(奇数)なので、奇数回目の操作を終えた時点では青玉は偶数個、つまり0個か2個で、3個には届かない。したがって硬貨をもらえる可能性があるのは2回目と4回目の操作だけで、総数は0枚・1枚・2枚のいずれかになる。なお、2回目を終えた時点では青玉は奇数個、つまり1個か3個になっている。
そこで、2回の操作を1組にして考える。
青玉1個から出発して2回の操作を行うと
・1個 → 2個 → 3個(ここで硬貨をもらう): $\dfrac23\cdot\dfrac13=\dfrac29$
・1個 → 2個 → 1個(硬貨なし): $\dfrac23\cdot\dfrac23=\dfrac49$
・1個 → 0個 → 1個(硬貨なし): $\dfrac13\cdot1=\dfrac13$
以上から、2回後に青玉が1個に戻る(硬貨をもらわない)確率は $\dfrac49+\dfrac13=\dfrac79$ 、3個になる(硬貨をもらう)確率は $\dfrac29$ である。
青玉3個の状態からは、次の操作で必ず赤玉が1個入って2個になり、その次は
・3個 → 2個 → 1個(もらわない): $1\cdot\dfrac23=\dfrac23$
・3個 → 2個 → 3個(もらう): $1\cdot\dfrac13=\dfrac13$
である(下の図)。
2回目と4回目の操作の後の青玉の個数を並べると、もらう硬貨の総数が1枚・2枚になるのは、次の図の3つの場合である。
総数が1枚であるとき 2回目だけでもらう場合と、4回目だけでもらう場合があり、これらは同時には起こらない。
・2回目だけでもらう(1個 → 3個 → 1個): $\dfrac29\cdot\dfrac23=\dfrac{4}{27}$
・4回目だけでもらう(1個 → 1個 → 3個): $\dfrac79\cdot\dfrac29=\dfrac{14}{81}$
よって、求める確率は
$$\dfrac{4}{27}+\dfrac{14}{81}=\dfrac{12}{81}+\dfrac{14}{81}=\dfrac{26}{81}$$
総数が2枚であるとき 2回目と4回目の両方でもらう場合(1個 → 3個 → 3個)で、求める確率は
$$\dfrac29\cdot\dfrac13=\dfrac{2}{27}$$
答 総数が1枚である確率 $\dfrac{26}{81}$、総数が2枚である確率 $\dfrac{2}{27}$
(検算:総数が0枚であるのは2回とも1個に戻る場合で、確率は $\dfrac79\cdot\dfrac79=\dfrac{49}{81}$。 $\dfrac{49}{81}+\dfrac{26}{81}+\dfrac{6}{81}=1$ となり、全部で1になる)
別解(玉を区別して81通りを数える) 袋の3個の玉を区別すると、1回の取り出し方は3通りで、どれも同様に確からしい。4回の取り出し方は全部で $3^4=81$ 通りある。青玉の個数の推移ごとに、各回で取り出せる玉の個数をかけて数える。
・2回目と4回目でもらう(1個 → 2個 → 3個 → 2個 → 3個):1回目は赤玉2個のどちらか、2回目は残る赤玉1個、3回目は青玉3個のどれか、4回目は赤玉1個を取り出すので $2\cdot1\cdot3\cdot1=6$ 通り
・2回目だけでもらう(1個 → 2個 → 3個 → 2個 → 1個): $2\cdot1\cdot3\cdot2=12$ 通り
・4回目だけでもらう:最初の2回で1個に戻るのは1個 → 2個 → 1個の $2\cdot2=4$ 通りと、1個 → 0個 → 1個の $1\cdot3=3$ 通りで計7通り。続く2回で1個 → 2個 → 3個となるのは $2\cdot1=2$ 通りなので、 $7\cdot2=14$ 通り
よって、総数が1枚である確率は $\dfrac{12+14}{81}=\dfrac{26}{81}$、2枚である確率は $\dfrac{6}{81}=\dfrac{2}{27}$ で、本解と一致する。分母が81とそろうので、検算にも使える。
出題意図
- 袋の中身を「青玉の個数」という1つの量で捉え、1回の操作での移り方を推移図にまとめられるか。
- 青玉の個数が1回ごとに1ずつ増減することから、硬貨をもらえるのは2回目と4回目だけだと気づけるか。
- 2回ずつひとまとめにして、もらう回で場合分けし、もらった直後の推移まで正しく確率をかけられるか(理系では小問で段階を踏ませた流れを、誘導なしで自分で組み立てられるか)。
講評
| 難易度 | やや簡単 |
| 目標得点 | 50点 |
| 目標時間 | 20分 |
状態遷移図を書いてから解けば簡単になる。
20分かけて満点を取りたい。
誘導がない分、状況を自分で整理できるかが問われるが、中身はかけ算だけで終わる見かけ倒しの問題。
確率は計算に入る前に、状態を図に書いて数回分を実験する癖をつけること。
差がつく所・失点しやすい所
- 2015年の合否を分けた1問:袋の中身を「青玉の個数」1つで表して状態遷移図に整理し、硬貨をもらえるのは2回目と4回目だけと見抜けたか。間違えたときの減点が大きく、部分点もつきにくい。整理せずに場合を数え始めると、経路の漏れや重複で大きく失点する。
- 1個 → 0個 → 1個の拾い漏れ:4回目だけでもらう場合の「2回後に1個に戻る」に、青玉を取り出して0個になる経路を含め忘れやすい。
- もらった直後の推移:総数1枚の「2回目だけでもらう」では、3個から2回後に1個に戻る $\dfrac23$ をかける。もらった後を $\dfrac79$ としたり、かけ忘れたりすると答えがずれる。
2015年九州大学文系数学
第4問 解答・解説
第4問は整数の問題です。
テーマは「$n$ が偶数のとき $2^n-1$ が3の倍数であることと、 $2^{p-1}-1=p^k$ をみたす素数 $p$ と0以上の整数 $k$ の組」。
問題


問題文をテキストで読む
以下の問いに答えよ。
(1) $n$ が正の偶数のとき、 $2^n-1$ は3の倍数であることを示せ。
(2) $p$ を素数とし、 $k$ を0以上の整数とする。 $2^{p-1}-1=p^k$ を満たす $p,k$ の組をすべて求めよ。
解答の方針
【(1)の方針】
「3の倍数」=「3で割った余りが0」。大きな累乗を割った余りは合同式で扱う。 $n$ が偶数なら $2^n=4^{\frac n2}$ と4の累乗で書け、 $4\equiv1\pmod3$ なので、1は何乗しても1になる。
- $n=2m$ ( $m$ は自然数)とおき、 $2^n=4^m$ と表す。
- $4\equiv1\pmod3$ より $4^m\equiv1\pmod3$ を示し、 $2^n-1\equiv0\pmod3$ と結論する。
【(2)の方針】
素数の問題では、まず素数が2かどうかで分けて考える。2以外の素数は奇数だから、 $p-1$ は正の偶数になり、(1) より左辺は3の倍数。右辺 $p^k$ を割り切る素数は $p$ だけなので、 $p^k$ が3の倍数なら $p=3$ と決まる。
- $p=2$ のとき、左辺 $=1$ なので $2^k=1$ より $k=0$ 。
- $p$ が3以上の素数のとき、 $p$ は奇数なので $p-1$ は正の偶数。(1) より左辺 $2^{p-1}-1$ は3の倍数なので、右辺 $p^k$ も3の倍数。
- $k=0$ なら $p^k=1$ で3の倍数でないので $k\geqq1$ 。 $p^k$ の素因数は $p$ だけなので、3の倍数であることから $p=3$ 。
- $p=3$ を代入して $3=3^k$ から $k=1$ を求める。
- (i)(ii) の場合を合わせて組を答える。
解答


解答をテキストで読む
(1) 配点 15点
$n$ は正の偶数だから、 $n=2m$ ( $m$ は自然数)と書けて、 $2^n=4^m$ となる。
$4\equiv1\pmod3$ より
$$2^n=4^m\equiv1^m=1\pmod3$$
よって $2^n-1\equiv0\pmod3$ となり、 $2^n-1$ は3の倍数である。
(補足) $2\equiv-1\pmod3$ とみなして $2^n-1\equiv(-1)^n-1=0$ と示してもよく、 $4^m=(3+1)^m$ に二項定理を使って3の倍数と1に分ける方法でもよい。どの方法でも中身は同じ。
(2) 配点 35点
素数 $p$ が2かどうかで場合分けする。
(i) $p=2$ のとき 左辺 $=2^{2-1}-1=1$ なので、 $2^k=1$ より $k=0$ 。 $k=0$ は0以上の整数なので条件をみたす。
(ii) $p$ が3以上の素数のとき $p$ は奇数なので、 $p-1$ は正の偶数である。よって (1) より、 $2^{p-1}-1$ は3の倍数であり、 $p^k$ も3の倍数である。
$k=0$ とすると $p^k=1$ となり、3の倍数でないので $k\geqq1$ 。 $p$ は素数なので、 $p^k$ の素因数は $p$ だけである。 $p^k$ が素数3で割り切れることから $p=3$ 。
このとき左辺 $=2^2-1=3$ なので、 $3=3^k$ より $k=1$ 。
(i)(ii) より
答 $(p,k)=(2,\ 0),\ (3,\ 1)$
(確かめ: $2^{2-1}-1=1=2^0$ 、 $2^{3-1}-1=3=3^1$ )
別解(因数分解して、素数の累乗を2つの因数に分ける) (1) を使わずに解くこともできる。 $p$ が3以上の素数のとき、 $p-1=2m$ ( $m$ は自然数)とおくと
$$p^k=2^{2m}-1=(2^m-1)(2^m+1)$$
と積の形になる。 $m\geqq1$ より $2^m+1\geqq3$ なので $k\geqq1$ 。2つの因数はどちらも $p^k$ の正の約数なので、 $p$ の累乗である。 $2^m-1<2^m+1$ より
$$2^m-1=p^a,\quad 2^m+1=p^b\quad(0\leqq a<b,\ a+b=k)$$
とおける。2式を引くと $p^b-p^a=2$ 。 $a\geqq1$ なら左辺は $p$ の倍数で、 $p$ は奇数なので2を割り切れず矛盾する。よって $a=0$ で、 $2^m-1=1$ より $m=1$ 。このとき $p=2m+1=3$ 、 $2^m+1=3=3^b$ より $b=1$ で、 $k=a+b=1$ 。 $p=2$ の場合は本解の (i) と同じ。
(理系の (3) と同じく「積の形にして、素数の累乗を振り分ける」流れ。文系は右辺が $p$ の累乗だけなので、2つの因数の差が2であることだけで決まる)
出題意図
(1) 大きな累乗を割った余りを、合同式で扱うことができるか。「3の倍数」を「3で割った余りが0」と言いかえられるか。
(2) 素数 $p$ を2かどうかで場合分けし、奇数のときは (1) を使って $p$ を決めることができるか。「0以上の整数」の $k=0$ を見落とさずに答えられるか。
講評
| 難易度 | やや簡単 |
| 目標得点 | 50点 |
| 目標時間 | 20分 |
理系と比べると簡単で、素数なので2かどうかで場合分けしてしまえば難しくない、やや簡単な問題。
素数が出てきたら、まず2かどうかで場合を分ける。
2以外の素数は奇数だと偶奇が決まり、それだけで大きなヒントになる。
この基本事項さえ分かっていれば、(2) は (1) をそのまま使って $p=3$ が決まり、あとは $p=2$ のときの $k=0$ を拾うだけ。
差がつく所・失点しやすい所
- 差がつくのは (2):素数の問題で、まず2かどうかで場合を分ける発想に行き着けるか。2以外の素数なら奇数で $p-1$ が偶数になるため、(1) がそのまま使える。
- $p=2$ 、 $k=0$ の書き落とし: $k$ は「0以上の整数」なので、 $2^1-1=1=2^0$ も答えになる。(1) から $p=3$ を求めて満足すると落としやすい。
- $p^k$ が3の倍数 ⇒ $p=3$ の根拠:「 $k\geqq1$ 」と「 $p^k$ の素因数は $p$ だけ」の2点を書かないと減点される。
2015年九州大学・文系数学の
講評とまとめ
4問の難易度と目標得点をまとめると、次のとおりです。
| 大問 | 難易度 | 目標点 |
|---|---|---|
| 第1問 | やや簡単 | 50点 |
| 第2問 | 簡単 | 50点 |
| 第3問 | やや簡単 | 50点 |
| 第4問 | やや簡単 | 50点 |
| 全体 | 簡単 | 170点 |
大問ごとの目標点は、それぞれの大問を単体で解いたときの理想の点です。足すと200点になりますが、全体の目標点は170点です。
全体として簡単な年です。
合否を分けるような問題はありませんが、強いて言えば第3問の確率(状態遷移図)が分かれ目で、間違えたときの減点が大きく、部分点もつきにくい問題でした。
軌跡と領域もしっかり押さえておきましょう。
目標点は170点です。
解く流れ
- 第2問 → 第1問 → 第3問 → 第4問(ベクトルと微積を先に確実に取る)
- 目標時間の合計は70分(第1問20分・第2問10分・第3問20分・第4問20分)。残りの50分は見直しと予備。
2015年九州大学・文系数学に
関するよくある質問
2015年の九州大学・文系数学について、よく聞かれる質問にお答えします。
- 2015年の九州大学・文系数学は難しかった?
-
簡単な年でした。
第1問・第3問・第4問はやや簡単、第2問は簡単です。
微積・ベクトル・確率・整数と、チャートの基本例題の型で解ける問題がそろった標準的な出題で、どの大問も落ち着いて型を組み合わせれば解けました。 - 2015年の九州大学・文系数学は何点取れば合格できる?
-
目標点は170点です(200点満点)。
- 2015年の九州大学・文系数学はどこで差がつく?
-
第1問・第2問は満点を取っておきたいところです。そのうえで、差がつくのは次の2つです。
- 第3問:袋の中身を「青玉の個数」1つで表し、状態遷移図に整理して、硬貨をもらえるのは2回目と4回目だけと見抜けたか。間違えたときの減点が大きく、部分点もつきにくい、2015年の合否を分けた一問です。
- 第4問 (2):素数pが2かどうかで場合分けし、(1) を使ってp=3と決められたか。p=2のときのk=0を書き落とさないことも分かれ目になります。
- 2015年の九州大学・文系数学は何が出題された?
-
大問ごとの単元は、次のとおりです。
- 第1問:積分法(数学Ⅱ)・図形と方程式・2次関数
- 第2問:空間ベクトル
- 第3問:確率
- 第4問:整数


