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慶應義塾大学数学2012年第2問

以下の文章の空欄に適切な数または式を入れて文章を完成させなさい。
xy平面上で点Px軸上に、点Qy軸上に置かれ、点Px座標と点Qy座標はそれぞれ-2以上2以下の整数であるとする。点PQに対して次の操作を考える。
  • 操作
    • Pの座標が(i,0)、点Qの座標が(0,j)であるとき次の規則に従って2点PQを互いに独立に同時に処理する。
    • (P1) 1i1ならば点P(i+1,0)または(i‐1,0)のどちらかに確率\dfrac{1}{2}ずつで移す。
    • (P2) i=-2ならば点\text{P}を必ず(-1,0)に移す。
    • (P3) i=2ならば点\text{P}をそのままにしておく。
    • (Q1) -1\leqq{j}\leqq1ならば点\text{Q}(0,j+1)または(0,j‐1)のどちらかに確率\dfrac{1}{2}ずつで移す。
    • (Q2) j=-2ならば点\text{Q}を必ず(0, -1)に移す。
    • (Q3) j=2ならば点\text{Q}をそのままにしておく。
さて、2点\text{P}\text{Q}がともに(0,0)に置かれている状態から始め、上の操作を3回繰り返し行う。
  • (1) 3回の操作の後、点\text{P}(1,0)に置かれている確率は\fbox{ア}であり、(-1,0)に置かれている確率は\fbox{イ}である。
  • (2) xy平面上で不等式y\gt{x}の表す領域をA、不等式y\gt{‐x}の表す領域をBとする。各回の操作後に点\text{P}が常にA\cup{B}内に置かれているという事象をUとし、各回の操作後に点\text{Q}が常にA\cup{B}内に置かれているという事象をVとすると、事象U\cup{V}の確率は\fbox{ウ}である。
xy平面上で2点\text{P}\text{Q}を結ぶ線分の長さを\text{PQ}とする。ただし2点\text{P}\text{Q}がともに(0,0)に置かれている場合は\text{PQ}=0とする。
  • (3) 3回の操作を通じてちょうど1回だけ\text{PQ}=\sqrt{2}となる確率は\fbox{エ}である。
  • (4) 3回の操作を通じた\text{PQ}の最大値の期待値は\fbox{オ}である。