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“中の人”をシャッフルしなければ…/完全順列

とある地方都市のご当地キャラである、
“□□□レンジャー”

□□□市長の肝煎りで生まれ、市民の間にもかなり浸透している。

一時期注目された“すぐやる課”的な部署の職員達が、市民から寄せられた要望に少しでも対応すべく、“5人のレンジャー”が様々な場所やイベントに出動し市民サービスに努めている。

しかし最近、やや中だるみ的な状況になっていることと、東京で子育てしながらスタートアップ企業で奮闘している“市長の娘さん”から忠告を受けたこともあって、フレッシュアップを図ろうとしている。

今時ね、青だから男、赤だから女、ピンクだからちょっと色っぽく…とか、おかしいのよ
と“意識高め”の娘さんの忠告を、市長が深刻に受け止め、 
まず、“各色の中の人”をシャッフルしよう!
と。

その際、
今の色とは必ず違う色に変え、“各人の固有のキャラ”と“各色がこれまでに形成してきたキャラ”を融合させて新しいキャラをつくること!」
と注文をつけてきた。

そこで、数学に詳しい職員が、
「普通にくじで選び直しても大体( a )%の確率で違う色になりますから、理論的には( b )回くじを引かせれば“色替え”はまず決められますね」
と言ってきた。


【問題】
5人全員が今までとは違う“色”になる」
のは全部で何通り考えられるか?
それを元にして「くじを引いて違う色になる確率」を求め、整数値に四捨五入して(a),(b)の数値を答えよ。

※くじのスタイルとしては
「袋の中に5色の玉を入れ戻さずに5人に引かせる」
等のように、
「同様に確からしい」
状況になっていることとする。


【解説】
今回の問題は、
プレゼント交換問題
として見聞きしたことがあるかもしれませんが、いわゆる
完全順列
に関する問題ですね。

初見の場合、アプローチの仕方としては、
少ない数の場合でまず考えてみる
ことで、その先の見当がつけられるようになります。

2人の場合
お互いに色を入れ替えればいいので「1通り

3人の場合
これも順番に考えていけば「2通り

4人の場合
これも順番に考えていけばわかると思いますが、整理しておきましょう。
A,B,C,Dの4人が、元々
「Aがa色,Bがb色,Cがc色,Dがd色」
であり、それを
(a,b,c,d)
と表すとすると、異なる色になるのは
(b,a,d,c),(b,d,a,c),(b,c,d,a)
(c,d,a,b),(c,a,d,b),(c,d,b,a)
(d,c,b,a),(d,c,a,b),(d,a,b,c)
となり「9通り」あることがわかりますね。
(※この段階で規則性に気づけるようになりましょう!)

5人の場合
上記のように順番に考えていっても数えあげられますが、規則性に気づけると、
∴「4×(2+9)=44通り
と計算のみで求められますね。
(※わからない場合は“完全順列”で調べてみてください。)

ここで、全ての場合の数は「5!=5×4×3×2×1=120通り
なので、確率としては
44/120≒0.366...」(*)
となります。

この人数が∞となると、確率
1/e≒0.367...(←高校課程でのお楽しみ!)」
となるのですが、(*)の結果からでも
「∴a=37,b=3
と導けますね。

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