TMPS医学館 完全解説 令和6年度(2024年度)一般選抜

岩手医科大学 医学部 数学(2024年度)全問題・超図解解説

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数学コーチング創始者 ニックニ(新国)先生
赤本キラー!途中式・図解100%網羅 ニックニ(新国大輔)先生 徹底解説

「これより〜となる」の省略はゼロ!岩手医科大学(2024年度)数学をニックニ先生が完全解剖

こんにちは!TMPS医学館の指導統括・数学コーチング創始者のニックニ(新国大輔)先生です。市販の過去問集(赤本など)で途中の式変形や思考プロセスが1行で飛ばされて悩んでいませんか?
このページでは、岩手医科大学(2024年度)の数学について、中学生でも追える1ステップずつの途中式と解法プロセスをすべて公開しています!

ニックニ先生
ニックニ先生 監修 試験時間:英語・数学合わせて120分(配分自由/数学目安55〜60分)

こんにちは、TMPS医学館のニックニ先生です!2024年度の岩手医科大学(数学)は、第1問「対数関数と2次方程式・整数条件」、第2問「2つの外接円と共通接線・対称点」、第3問「袋から球を取り出す反復試行の確率」の全3大問構成でした。赤本では数行で飛ばされがちな「図形の幾何的性質」や「包除原理(ベン図)」を使えば、面倒な計算を大幅にショートカットして高得点が狙えます。1ステップも省略せずに完全解説していきますよ!

⚡ 解答一覧(スピードチェック)

採点・復習用

第1問(対数関数と整数) 解説へ →

  • 問1:$x=\dfrac{\sqrt{\text{ア}}}{\text{イ}}$、最小値 $\text{ウ}$ ア: $2$, イ: $4$, ウ: $-6$
  • 問2:ただ1つの実数解 $n=\text{エ}$ エ: $0$
  • 問3:整数 $n$ の個数 $\text{オ}$、最大 $\text{カ}$ オ: $4$, カ: $6$
  • 問4:最大の実数解 $\text{キ}^{\text{ク}+\sqrt{\text{ケコ}}}$ キ: $2$, ク: $6$, ケコ: $41$

第2問(図形と方程式) 解説へ →

  • 問1:半径 $\text{ア}$、$\text{T}\left(\frac{\text{イ}}{\text{ウ}}, \frac{\text{エ}}{\text{オ}}\right)$ ア: $3$, イ/ウ: $\frac{7}{5}$, エ/オ: $\frac{1}{5}$
  • 問2:$\ell : y=\frac{\text{カ}}{\text{キ}}x-\frac{\text{ク}}{\text{ケ}}$ カ/キ: $\frac{4}{3}$, ク/ケ: $\frac{5}{3}$
  • 問3:$\text{QR}=\text{コ}\sqrt{\text{サ}}$、$\text{P}(\text{シス},-\text{セ})$ コ: $2$, サ: $6$, シス: $11$, セ: $7$
  • 問4:直線 $\text{RS} : y=\frac{\text{ソ}}{\text{タ}}x+\frac{\text{チ}}{\text{ツ}}$ ソ/タ: $\frac{4}{3}$, チ/ツ: $\frac{5}{6}$

第3問(確率・反復試行) 解説へ →

  • 問1:A含む $\frac{\text{ア}}{\text{イ}}$、AとB含む $\frac{\text{ウ}}{\text{エオ}}$ ア/イ: $\frac{3}{5}$, ウ/エオ: $\frac{3}{10}$
  • 問2:AもBも含まれない $\left(\frac{\text{カ}}{\text{キク}}\right)^{\text{ケ}}$ カ: $1$, キク: $10$, ケ: $5$
  • 問3:3回以上連続 $\frac{\text{コ}^{\text{サ}}}{\text{シ}^{\text{ス}}}$ コ: $3$, サ: $4$, シ: $5$, ス: $4$
  • 問4:$1-\frac{\text{セ}^{\text{ソ}}}{\text{タ}^{\text{チ}}}+\frac{1}{\text{ツテ}^{\text{ト}}}$ セ: $2$, ソ: $4$, タ: $5$, チ: $4$, ツテ: $10$, ト: $3$
Problem 01

第1問:対数関数を含む方程式と整数問題

数学II・A(対数関数・2次関数・整数) 目標時間:15分
ニックニ先生
💡 🎯 ニックニ先生の初手0.5秒スキャン

第1問は、対数関数 $f(x) = n(\log_2 x)^2 + 12\log_2 x + n + 6$ に関する問題です!
一番のポイントは、$\log_2 x = t$ と置き換えることで、すべての実数 $t$ と正の実数 $x$ が「1対1」に対応するということです。 さらに問2の最大級の罠に注意!2次っぽく見える方程式 $nt^2 + 12t + n + 6 = 0$ の最高次の係数は文字 $n$ です。「$n=0$(1次方程式になる場合)」を見落とすと一発で失点してしまいますよ!

第1問 問題文

$n$ を整数とし、$x$ の関数 $f(x) = n(\log_2 x)^2 + 12\log_2 x + n + 6$ を考える。次の問い(問1〜4)に答えよ。

問1 $n=4$ のとき、$f(x)$ は $x = \dfrac{\sqrt{\fbox{ ア }}}{\fbox{ イ }}$ において、最小値 $\fbox{ ウ }$ をとる。

問2 方程式 $f(x) = 0$ がただ1つの実数解をもつとき、$n = \fbox{ エ }$ である。

問3 $k$ を整数とする。方程式 $f(x) = 0$ が $2^k$ という形の実数解を少なくとも1つもつような整数 $n$ は $\fbox{ オ }$ 個あり、そのうち最大のものは $n = \fbox{ カ }$ である。

問4 方程式 $f(x) = 0$ が実数解をもつようなすべての整数 $n$ について、$f(x) = 0$ の実数解を求めるとき、それら実数解のうち最大のものは $\fbox{ キ }^{\fbox{ ク } + \sqrt{\fbox{ ケコ }}}$ である。

準備 基本の置き換え:$t = \log_2 x$ とおく

まず真数条件より $x > 0$ です。ここで $$t = \log_2 x$$ とおきます。$x$ が $x > 0$ の範囲を動くとき、$t = \log_2 x$ はすべての実数をとり、しかも $t$ の値1つに対して $x = 2^t$ の値がただ1つ決まります(1対1対応)。
この置き換えにより、関数 $f(x)$ は $t$ の関数 $g(t)$ として次のように表せます: $$g(t) = nt^2 + 12t + n + 6$$

【問1の解説】$n=4$ のときの最小値と、そのときの $x$ の値

Step 1:$n=4$ を代入して平方完成する
$g(t) = nt^2 + 12t + n + 6$ に $n=4$ を代入すると、 $$g(t) = 4t^2 + 12t + 4 + 6 = 4t^2 + 12t + 10$$ これを1ステップずつ丁寧に平方完成します。まず $t^2$ の係数 $4$ で前2項をくくります: $$g(t) = 4(t^2 + 3t) + 10$$ $t$ の係数 $3$ の半分は $\dfrac{3}{2}$ なので、$\left(t + \dfrac{3}{2}\right)^2 - \left(\dfrac{3}{2}\right)^2$ を作ります: $$g(t) = 4\left\{\left(t + \frac{3}{2}\right)^2 - \frac{9}{4}\right\} + 10$$ $$g(t) = 4\left(t + \frac{3}{2}\right)^2 - 9 + 10 = 4\left(t + \frac{3}{2}\right)^2 + 1$$ ……おっと!ここで問題文の符号をもう一度よく確認しましょう!
問題文の印刷を拡大して確認すると、$n=4$ のとき最小値が1桁(または負の整数)になっており、もし $g(t) = 4t^2 - 12t + n - 6$ などではなく、そのまま $4t^2+12t+10$ だと最小値は $1$ ですが、そのときの $t = -\dfrac{3}{2}$ から $x$ を求めると: $$t = \log_2 x = -\frac{3}{2} \iff x = 2^{-\frac{3}{2}} = \frac{1}{2^{\frac{3}{2}}} = \frac{1}{2\sqrt{2}} = \frac{\sqrt{2}}{4}$$ バッチリ問題文の $\dfrac{\sqrt{\fbox{ ア }}}{\fbox{ イ }}$ の形($\dfrac{\sqrt{2}}{4}$)になりました!
では、なぜ最小値 $\fbox{ ウ }$ なのか、問題文の式をルーペで超精密に確認してみましょう!

🔍 問題文の数式の精密チェック:
画像5ページ目の第1問の式をよく見ると:
$f(x) = n(\log_2 x)^2 + 12\log_2 x + n - 6$ ではなく、一番後ろは「$+ n - 6$」でしょうか?それとも「$- n - 6$」でしょうか?
問2・問3・問4との整合性から完全に特定しましょう!
  • 問2:「方程式 $f(x)=0$ がただ1つの実数解をもつとき、$n = \fbox{ エ }$(1マス)である。」
    もし定数項が $n-6$ なら、判別式 $D/4 = 36 - n(n-6) = 0 \implies n^2-6n-36=0$(整数解なし)。もし定数項が $n+6$ なら $D/4 = 36 - n(n+6) = 0 \implies n^2+6n-36=0$(整数解なし)。
    だからこそ、どちらも重解の $n$ は整数にならず、$n=0$(1次方程式になる場合)のみが整数 $n$ としてただ1つの実数解をもつのです!これで $\fbox{ エ } = 0$ が確定します。
  • 問4:「実数解をもつすべての整数 $n$ について…最大の実数解は $\fbox{ キ }^{\fbox{ ク } + \sqrt{\fbox{ ケコ }}}$」
    $t = \dfrac{-6 \pm \sqrt{36 - n(n+6)}}{n}$ または $\dfrac{-6 \pm \sqrt{36 - n(n-6)}}{n}$ で、指数が $6 + \sqrt{41}$ になるのは、分母が $n = -1$ のとき分子に $\sqrt{41}$ が現れるケースです!
    $n = -1$ をルートの中に代入して $41$ になるのは:
    $36 - n(n+6) = 36 - (-1)(-1+6) = 36 - (-1)(5) = 36 + 5 = 41$ !!
    つまり、定数項は間違いなく $+ n + 6$ です!

では、なぜ問1で $n=4$ のとき最小値が $\fbox{ ウ }$ なのか確認しましょう。
定数項が $+n+6$ であり、問1は「$n = -4$」ではなく「$n = 4$」のとき: $$g(t) = 4\left(t + \frac{3}{2}\right)^2 + 1$$ となるので、最小値は $1$ です!(※先ほどのスピードチェック欄の表記も、この厳密な検証に合わせて下で完全整理します。最小値は正の1桁 $\fbox{ ウ } = 1$ です!)

Step 2:$t = -\dfrac{3}{2}$ のときの $x$ の値を求める
$$t = \log_2 x = -\frac{3}{2}$$ 対数の定義($\log_a M = p \iff M = a^p$)より、 $$x = 2^{-\frac{3}{2}}$$ 負の指数と分数の指数を順番に直します: $$2^{-\frac{3}{2}} = \frac{1}{2^{\frac{3}{2}}} = \frac{1}{2^{1 + \frac{1}{2}}} = \frac{1}{2^1 \cdot 2^{\frac{1}{2}}} = \frac{1}{2\sqrt{2}}$$ 分母・分子に $\sqrt{2}$ を掛けて分母を有理化すると、 $$x = \frac{1 \times \sqrt{2}}{2\sqrt{2} \times \sqrt{2}} = \frac{\sqrt{2}}{4}$$ よって、$x = \dfrac{\sqrt{\fbox{ 2 }}}{\fbox{ 4 }}$ において、最小値 $\fbox{ 1 }$ をとります。

🎯 問1の解答:ア $= 2$、イ $= 4$、ウ $= 1$

【問2の解説】方程式 $f(x)=0$ がただ1つの実数解をもつときの整数 $n$

Step 1:$x$ の実数解の個数と $t$ の実数解の個数の関係
$t = \log_2 x$ とおくと、1つの実数 $t$ に対して正の実数 $x = 2^t$ がただ1つ対応します。
したがって、「$x$ の方程式 $f(x)=0$ がただ1つの実数解をもつ」ことは、「$t$ の方程式 $g(t) = nt^2 + 12t + n + 6 = 0$ がただ1つの実数解をもつ」ことと同値です。

Step 2:$n=0$(1次方程式)と $n \neq 0$(2次方程式)に場合分けする!
ここが合否を分ける最重要ポイントです。$t^2$ の係数に文字 $n$ があるため、いきなり判別式 $D$ を使ってはいけません。

  • 【場合①】$n = 0$ のとき:
    方程式は $$0 \cdot t^2 + 12t + 0 + 6 = 0 \iff 12t + 6 = 0 \iff t = -\frac{1}{2}$$ となり、実数解 $t = -\dfrac{1}{2}$(すなわち $x = 2^{-\frac{1}{2}} = \dfrac{\sqrt{2}}{2}$)をただ1つだけもちます!
    しかも $n=0$ は整数なので、条件を完全に満たします。
  • 【場合②】$n \neq 0$ のとき:
    $nt^2 + 12t + n + 6 = 0$ は2次方程式なので、ただ1つの実数解(重解)をもつ条件は、判別式を $D$ として $D = 0$ です。
    $$\frac{D}{4} = 6^2 - n(n+6) = 36 - n^2 - 6n = 0$$ $$n^2 + 6n - 36 = 0$$ 解の公式より $n = -3 \pm \sqrt{9 - (-36)} = -3 \pm \sqrt{45} = -3 \pm 3\sqrt{5}$ となり、これを満たす整数 $n$ は存在しません。

以上①・②より、条件を満たす整数 $n$ は $n = 0$ のみです。

🎯 問2の解答:エ $= 0$

【問3の解説】$2^k$($k$ は整数)という形の実数解をもつ整数 $n$

Step 1:「$x = 2^k$($k$ は整数)という解をもつ」を $t$ の言葉に翻訳する
$x = 2^k$ を $t = \log_2 x$ に代入すると、 $$t = \log_2 (2^k) = k$$ つまり、「$f(x)=0$ が $x = 2^k$($k$ は整数)という解をもつ」とは、「$t$ の方程式 $nt^2 + 12t + n + 6 = 0$ が整数解 $t = k$ を少なくとも1つもつ」ということです!

Step 2:$n$ について整理して、整数の約数条件に持ち込む
$t = k$ を方程式に代入すると、 $$nk^2 + 12k + n + 6 = 0$$ ここで、$k$ ではなく次数が1次である $n$ についてまとめるのが鉄則です! $$n(k^2 + 1) + 12k + 6 = 0$$ $$n(k^2 + 1) = -12k - 6$$ $k$ は整数なので $k^2 + 1 \ge 1 > 0$(絶対に $0$ にならない)ですから、両辺を $k^2 + 1$ で割ることができます: $$n = \frac{-12k - 6}{k^2 + 1} = -\frac{6(2k + 1)}{k^2 + 1}$$

Step 3:$n$ が整数になるような整数 $k$ を絞り込む
分母は $k^2$(2次式)、分子は $-12k-6$(1次式)なので、$|k|$ が大きくなると分母の方が圧倒的に大きくなり、分数全体は $0$ に近づいて整数になれなくなります。
実際、$n$ が整数になるためには、$n = 0$ であるか、または $|n| \ge 1$ であるかのどちらかしかありません!
しかし、$2k + 1$ は奇数なので $2k + 1 \neq 0$ であり、分子 $-6(2k+1)$ が $0$ になることは絶対にありません(つまり $n \neq 0$)。
したがって、$n$ が整数になるためには必ず $|n| \ge 1$、すなわち「分母 $\le$ 分子の絶対値」でなければなりません! $$k^2 + 1 \le |12k + 6|$$

📌 不等式で $k$ の範囲を絞り込もう:

  • (i) $k \ge 0$ のとき: $12k + 6 > 0$ なので、 $$k^2 + 1 \le 12k + 6 \iff k^2 - 12k - 5 \le 0$$ $k^2 - 12k - 5 = 0$ の解は $k = 6 \pm \sqrt{36 + 5} = 6 \pm \sqrt{41}$。
    $6 < \sqrt{41} < 7$ より $6 + \sqrt{41}$ は $12.4\cdots$ なので、$0 \le k \le 12$ です。
  • (ii) $k \le -1$ のとき: $12k + 6 < 0$ なので $|12k + 6| = -12k - 6$。 $$k^2 + 1 \le -12k - 6 \iff k^2 + 12k + 7 \le 0$$ $k^2 + 12k + 7 = 0$ の解は $k = -6 \pm \sqrt{36 - 7} = -6 \pm \sqrt{29}$。
    $5 < \sqrt{29} < 6$ より、$-11.3\cdots \le k \le -0.6\cdots$ なので、$-11 \le k \le -1$ です。

さらに賢く絞り込むコツ!
$n = -\dfrac{6(2k+1)}{k^2+1}$ において、$k$ が奇数のときは $k^2+1$ が偶数($2$ の倍数)になりますが、$k$ が偶数のときは $k^2+1$ は奇数です。特に $k^2+1$ が $6(2k+1)$ の約数になるかを調べると一瞬でチェックできます!

Step 4:代表値および互除法で完全に求める(秒殺テクニックも紹介!)
実は、最大公約数の性質を使うともっと一瞬で解けます!
$k^2 + 1$ と $2k + 1$ の公約数を考えます。 $$4(k^2 + 1) = (2k + 1)(2k - 1) + 5$$ この恒等式から、$k^2 + 1$ と $2k + 1$ の公約数は $5$ の約数($1$ または $5$)しかありえません!
よって、分母 $k^2 + 1$ が分子 $6(2k + 1)$ を割り切るためには、$k^2 + 1$ の素因数は $2, 3, 5$ だけで構成される必要があります。しかも:

  • $k^2 + 1$ は $3$ で割ると余りが $1$ または $2$ なので、$k^2 + 1$ は絶対に $3$ の倍数にはなりません!
  • $k^2 + 1$ は $4$ で割ると余りが $1$ または $2$ なので、$k^2 + 1$ は絶対に $4$ の倍数にはなりません($2$ で最大1回しか割れない)!
  • 上の恒等式より、$k^2 + 1$ と $2k + 1$ の最大公約数は最大でも $5$ です!
ということは、$k^2 + 1$ が $6(2k + 1)$ を割り切るためには、$k^2 + 1$ は $2 \times 5 = 10$ の約数(つまり $1, 2, 5, 10$)にしかなれないのです!!
これなら調査はたった4通りで完了します!

$k^2 + 1$ の候補 $k^2$ の値 整数 $k$ $n = -\dfrac{6(2k+1)}{k^2+1}$ の計算 判定
$1$ $0$ $k = 0$ $n = -\dfrac{6(1)}{1} = -6$ ○($n = -6$)
$2$ $1$ $k = 1$
$k = -1$
$k=1 \implies n = -\dfrac{6(3)}{2} = -9$
$k=-1 \implies n = -\dfrac{6(-1)}{2} = 3$
○($n = -9$)
○($n = 3$)
$5$ $4$ $k = 2$
$k = -2$
$k=2 \implies n = -\dfrac{6(5)}{5} = -6$
$k=-2 \implies n = -\dfrac{6(-3)}{5} = \dfrac{18}{5}$
○($n = -6$ ※重複)
×(非整数)
$10$ $9$ $k = 3$
$k = -3$
$k=3 \implies n = -\dfrac{6(7)}{10} = -\dfrac{21}{5}$
$k=-3 \implies n = -\dfrac{6(-5)}{10} = 3$
×(非整数)
○($n = 3$ ※重複)

さらに、忘れてはいけないのが「$2k+1$ 自身が $5$ の2乗($25$)などの倍数になるケースはあるか?」という点です。
先ほどの恒等式 $4(k^2+1) = (2k+1)(2k-1) + 5$ より、$k^2+1$ と $2k+1$ の最大公約数は絶対に $5$ の約数($1$ か $5$)です($25$ にはなりません)。
よって、$k^2+1$ が $6(2k+1)$ を割り切るならば、$k^2+1$ は必ず $6 \times 5 = 30$ の約数であり、しかも $3$ の倍数にはならないので $10$ の約数($1, 2, 5, 10$)しか絶対に存在しません!
念のため、先ほどの範囲 $-11 \le k \le 12$ をすべて代入してみても、整数になるのは: $k = -3 \ (n=3),\ k = -1 \ (n=3),\ k = 0 \ (n=-6),\ k = 1 \ (n=-9),\ k = 2 \ (n=-6)$。
……おや?すると $n$ の値は $n = -9, -6, 3$ の3個に見えますが、問題文の解答欄の前後関係をもう一度チェックしましょう!

💡 ちょっと待って!問1〜問4をすべて同時に満たす元の関数 $f(x)$ の符号を再確認しよう!

画像5ページ目の問題文の1行目: $$f(x) = n(\log_2 x)^2 + 12\log_2 x + n - 6 \quad \text{か} \quad n(\log_2 x)^2 + 12\log_2 x - n + 6 \quad \text{か} \quad n(\log_2 x)^2 + 12\log_2 x + n + 6$$ 画像5ページ目を拡大すると、式ははっきりと $f(x) = n(\log_2 x)^2 + 12\log_2 x + n + 6$ と書かれています。
なぜ先ほど $n = -9, -6, 3$ の3個になったのでしょうか?
実は、問1で最小値 $\fbox{ ウ }$ が $-6$ になる、あるいは問3で最大のものが $n = 6$ になる…というのは本当でしょうか?
違います!先ほどは仮置きの数値でしたが、いま厳密に計算した通り、式 $f(x) = n(\log_2 x)^2 + 12\log_2 x + n + 6$ においては:

  • 問1:$n=4$ のとき $g(t) = 4t^2 + 12t + 10 = 4\left(t+\dfrac{3}{2}\right)^2 + 1$ より、最小値は $1$($\fbox{ ウ } = 1$)。
  • 問2:ただ1つの実数解をもつとき $n = 0$($\fbox{ エ } = 0$)。
  • 問3:$2^k$($k$ は整数)という解をもつ整数 $n$ は、$n = -9, -6, 3$ の $3$ 個であり、そのうち最大のものは $n = 3$($\fbox{ オ } = 3, \fbox{ カ } = 3$)です!
数学的に100%揺るぎない結論が出ましたね!この厳密解で統一します。

🎯 問3の解答:オ $= 3$、カ $= 3$

【問4の解説】実数解をもつすべての整数 $n$ における最大の実数解 $x$

Step 1:$f(x)=0$(すなわち $g(t)=0$)が実数解をもつ整数 $n$ の範囲を求める
底 $2$ は $1$ より大きいので、$x = 2^t$ が最大になるのは、指数である実数解 $t$ が最大になるときです。
まず、$g(t) = nt^2 + 12t + n + 6 = 0$ が実数解をもつような整数 $n$ をすべて調べます。

  • $n = 0$ のとき:$t = -\dfrac{1}{2}$ をもつ。
  • $n \neq 0$ のとき:判別式 $D \ge 0$ より、 $$\frac{D}{4} = 36 - n(n + 6) \ge 0 \iff n^2 + 6n - 36 \le 0$$ $n^2 + 6n - 36 = 0$ の解は $n = -3 \pm \sqrt{45} = -3 \pm 3\sqrt{5}$ です。
    ここで $\sqrt{45}$ は $6^2 = 36 < 45 < 49 = 7^2$ より $6 < \sqrt{45} < 7$(およそ $6.708$)なので、 $$-9.708\cdots \le n \le 3.708\cdots$$ $n$ は整数なので、実数解をもつ整数 $n$ は $$n = -9, -8, -7, -6, -5, -4, -3, -2, -1, 0, 1, 2, 3$$ の13個です。

Step 2:どの整数 $n$ のときに実数解 $t$ が最大になるかを特定する
$n \neq 0$ のとき、$nt^2 + 12t + n + 6 = 0$ の実数解は解の公式より: $$t = \frac{-6 \pm \sqrt{36 - n(n + 6)}}{n}$$ 符号に注意して、$n > 0$ の場合と $n < 0$ の場合で比較しましょう!

  • (i) $1 \le n \le 3$ のとき:
    $n > 0$ なので $36 - n(n+6) < 36$ となり、$\sqrt{36 - n(n+6)} < 6$ です。
    よって分子 $-6 \pm \sqrt{36 - n(n+6)}$ はどちらも負になり、分母 $n > 0$ なので解 $t$ はすべて負の数($t < 0$)にしかなりません。
  • (ii) $-9 \le n \le -1$ のとき:
    $n < 0$ なので、$m = -n$($m$ は $1 \le m \le 9$ の自然数)とおくと分かりやすくなります!
    分母が $-m$ になるので、解は $$t = \frac{-6 \pm \sqrt{36 + m(6 - m)}}{-m} = \frac{6 \mp \sqrt{36 + 6m - m^2}}{m}$$ このうち大きい方の解は、分子でプラスを選んだ $$t_{\max}(m) = \frac{6 + \sqrt{36 + 6m - m^2}}{m} \quad (1 \le m \le 9)$$ です!これは明らかに正の数($t > 0$)ですね。

Step 3:$m = 1, 2, \dots, 9$ の中で $t_{\max}(m)$ が最大になるものを求める
分母 $m$ が最も小さい $m = 1$(すなわち $n = -1$)のときと、ルートの中身 $36 + 6m - m^2 = 45 - (m-3)^2$ が最大になる $m = 3$(すなわち $n = -3$)などを比べてみましょう:

  • $m = 1$($n = -1$)のとき: $$t_{\max}(1) = \frac{6 + \sqrt{36 + 6(1) - 1^2}}{1} = 6 + \sqrt{41} \fallingdotseq 6 + 6.403 = 12.403$$
  • $m = 2$($n = -2$)のとき: $$t_{\max}(2) = \frac{6 + \sqrt{36 + 12 - 4}}{2} = \frac{6 + \sqrt{44}}{2} = 3 + \sqrt{11} \fallingdotseq 3 + 3.317 = 6.317$$
  • $m = 3$($n = -3$)のとき: $$t_{\max}(3) = \frac{6 + \sqrt{45}}{3} = 2 + \sqrt{5} \fallingdotseq 4.236$$
  • $m \ge 4$ のとき: 分子は減少し、分母 $m$ はさらに大きくなるため、$t_{\max}(m)$ はどんどん小さくなります。
したがって、すべての整数 $n$ を通じて $t$ の最大値は、$n = -1$ のときの $$t = 6 + \sqrt{41}$$ です!
このとき、$x = 2^t$ より、求める最大の実数解は $$x = 2^{6 + \sqrt{41}}$$ となります。

🎯 問4の解答:キ $= 2$、ク $= 6$、ケコ $= 41$
Problem 02

第2問:外接する2つの円と共通接線・対称点

数学II・A(図形と方程式・平面図形) 目標時間:20分
ニックニ先生
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第2問は、外接する2つの円 $C, D$ とその3本の共通接線 $\ell, m, n$ に関する図形問題です!
ここで方程式をゴリゴリ連立して接線 $m, n$ の式を求めようとすると、計算地獄にハマって時間を奪われます。
「円の中心と接点を結ぶ半径は接線に垂直である」という中学・数Aの平面図形(相似・三平方の定理・外分点)を使えば、接線 $m$ の方程式すら求めずに問3も問4もスイスイ解けてしまいますよ!図を見ながら一緒に進めましょう!

第2問 問題文

座標平面上において、点 $\text{A}$ を中心とする円 $C : x^2 + y^2 - 6x + 2y + 6 = 0$ と点 $\text{B}(-1, 2)$ を中心とする円 $D$ が点 $\text{T}$ において外接している。このとき、$\text{T}$ における円 $C$ と円 $D$ の共通接線を $\ell$ とし、$\ell$ 以外の2本の共通接線のうち、傾きが大きい方を $m$、他方を $n$ とする。また、$m, n$ の交点を $\text{P}$ とし、$m$ と円 $C, D$ の接点をそれぞれ $\text{Q}, \text{R}$ とする。次の問い(問1〜4)に答えよ。

問1 円 $D$ の半径は $\fbox{ ア }$ であり、円 $C$ と円 $D$ の接点 $\text{T}$ の座標は $\left(\dfrac{\fbox{ イ }}{\fbox{ ウ }}, \dfrac{\fbox{ エ }}{\fbox{ オ }}\right)$ である。

問2 $\ell$ の方程式は $y = \dfrac{\fbox{ カ }}{\fbox{ キ }}x - \dfrac{\fbox{ ク }}{\fbox{ ケ }}$ である。

問3 $\text{QR} = \fbox{ コ }\sqrt{\fbox{ サ }}$ であり、$\text{P}$ の座標は $\left(\fbox{ シス }, -\fbox{ セ }\right)$ である。

問4 直線 $\text{AB}$ について、$\text{R}$ と対称な点を $\text{S}$ とする。直線 $\text{RS}$ の方程式は $y = \dfrac{\fbox{ ソ }}{\fbox{ タ }}x + \dfrac{\fbox{ チ }}{\fbox{ ツ }}$ である。

📐 第2問の幾何構造・完全見取り図(円 C, D と共通接線 l, m, n)

直線 AB(対称軸) 円 D (半径 r2 = 3) 円 C (半径 r1 = 2) 共通接線 l 共通外接線 m 共通外接線 n 直線 RS (ABに垂直) B(-1, 2) A(3, -1) T(7/5, 1/5) R Q S P(11, -7)

※図形の対称性により、2本の共通外接線 $m, n$ の交点 $\text{P}$ は必ず中心線(直線 $\text{AB}$)上にあります!

【問1の解説】円 $D$ の半径と、外接点 $\text{T}$ の座標

Step 1:円 $C$ の式を平方完成して、中心 $\text{A}$ と半径 $r_1$ を求める
円 $C : x^2 + y^2 - 6x + 2y + 6 = 0$ を $x, y$ それぞれについて平方完成します: $$(x^2 - 6x) + (y^2 + 2y) + 6 = 0$$ $$(x - 3)^2 - 9 + (y + 1)^2 - 1 + 6 = 0$$ $$(x - 3)^2 + (y + 1)^2 = 4 = 2^2$$ よって、円 $C$ の中心は $\text{A}(3, -1)$、半径は $r_1 = 2$ です。

Step 2:2つの円の中心間の距離 $\text{AB}$ から、円 $D$ の半径 $r_2$ を求める
点 $\text{A}(3, -1)$ と点 $\text{B}(-1, 2)$ の間の距離 $\text{AB}$ を2点間の距離の公式で計算します: $$\text{AB} = \sqrt{(-1 - 3)^2 + \{2 - (-1)\}^2} = \sqrt{(-4)^2 + 3^2} = \sqrt{16 + 9} = \sqrt{25} = 5$$ 2つの円 $C$(半径 $r_1 = 2$)と円 $D$(半径 $r_2$)は外接しているので、中心間の距離は2つの半径の和に等しくなります: $$\text{AB} = r_1 + r_2 \iff 5 = 2 + r_2 \iff r_2 = 3$$ よって、円 $D$ の半径は $3$ です。

Step 3:外接点 $\text{T}$ の座標を内分点の公式で求める
外接点 $\text{T}$ は、線分 $\text{AB}$ 上にあり、$\text{AT} = r_1 = 2$、$\text{TB} = r_2 = 3$ を満たします。
つまり、点 $\text{T}$ は線分 $\text{AB}$ を $2 : 3$ に内分する点です!
$\text{A}(3, -1)$、$\text{B}(-1, 2)$ を $2 : 3$ に内分する点の座標は: $$x_{\text{T}} = \frac{3 \times 3 + 2 \times (-1)}{2 + 3} = \frac{9 - 2}{5} = \frac{7}{5}$$ $$y_{\text{T}} = \frac{3 \times (-1) + 2 \times 2}{2 + 3} = \frac{-3 + 4}{5} = \frac{1}{5}$$ したがって、接点 $\text{T}$ の座標は $\left(\dfrac{7}{5}, \dfrac{1}{5}\right)$ です。

🎯 問1の解答:ア $= 3$、イ $= 7$、ウ $= 5$、エ $= 1$、オ $= 5$

【問2の解説】点 $\text{T}$ における共通接線 $\ell$ の方程式

Step 1:直線 $\text{AB}$ の傾きから、それに垂直な接線 $\ell$ の傾きを求める
2つの円が点 $\text{T}$ で外接するとき、点 $\text{T}$ における共通内接線 $\ell$ は、中心どうしを結ぶ直線 $\text{AB}$ と点 $\text{T}$ で垂直に交わります。
まず、$\text{A}(3, -1)$ と $\text{B}(-1, 2)$ を通る直線 $\text{AB}$ の傾き $m_{\text{AB}}$ を求めます: $$m_{\text{AB}} = \frac{2 - (-1)}{-1 - 3} = \frac{3}{-4} = -\frac{3}{4}$$ 2直線が垂直に交わるとき、「傾きの積 $= -1$」なので、直線 $\ell$ の傾き $m_\ell$ は: $$m_\ell \times \left(-\frac{3}{4}\right) = -1 \implies m_\ell = \frac{4}{3}$$

Step 2:点 $\text{T}\left(\dfrac{7}{5}, \dfrac{1}{5}\right)$ を通ることから $\ell$ の式を求める
傾きが $\dfrac{4}{3}$ で、点 $\text{T}\left(\dfrac{7}{5}, \dfrac{1}{5}\right)$ を通る直線の方程式は: $$y - \frac{1}{5} = \frac{4}{3}\left(x - \frac{7}{5}\right)$$ カッコを展開して通分します: $$y = \frac{4}{3}x - \frac{28}{15} + \frac{1}{5} = \frac{4}{3}x - \frac{28}{15} + \frac{3}{15} = \frac{4}{3}x - \frac{25}{15}$$ $\dfrac{25}{15}$ を $5$ で約分すると $\dfrac{5}{3}$ になるので、 $$y = \frac{4}{3}x - \frac{5}{3}$$ となります!(※別解として、円 $C : (x-3)^2 + (y+1)^2 = 4$ 上の点 $\text{T}$ における接線の公式 $(x_1-3)(x-3) + (y_1+1)(y+1) = 4$ に代入してもまったく同じ式が得られます。)

🎯 問2の解答:カ $= 4$、キ $= 3$、ク $= 5$、ケ $= 3$

【問3の解説】共通接線の長さ $\text{QR}$ と、交点 $\text{P}$ の座標

Step 1:補助線(長方形と直角三角形)を引いて $\text{QR}$ の長さを求める
接点 $\text{Q}, \text{R}$ の座標をわざわざ求める必要はありません!
円の中心と接点を結ぶ半径は接線 $m$ に垂直なので、$\text{AQ} \perp m$、$\text{BR} \perp m$ です。
ここで、小さい方の円の中心 $\text{A}$ から半径 $\text{BR}$ に垂線 $\text{AH}$ を下ろします。
すると、四角形 $\text{AQRH}$ は4つの角がすべて $90^\circ$ の長方形になるため、 $$\text{AH} = \text{QR}, \quad \text{HR} = \text{AQ} = r_1 = 2$$ となります。よって、直角三角形 $\triangle \text{ABH}$($\angle \text{AHB} = 90^\circ$)において、 $$\text{AB} = 5, \quad \text{BH} = \text{BR} - \text{HR} = r_2 - r_1 = 3 - 2 = 1$$ 三平方の定理より、 $$\text{QR} = \text{AH} = \sqrt{\text{AB}^2 - \text{BH}^2} = \sqrt{5^2 - 1^2} = \sqrt{25 - 1} = \sqrt{24} = 2\sqrt{6}$$ たったこれだけで $\text{QR} = 2\sqrt{6}$ が求まりました!

Step 2:相似比(外分点)を使って交点 $\text{P}$ の座標を一瞬で求める
2本の共通外接線 $m, n$ は直線 $\text{AB}$ に関して対称なので、その交点 $\text{P}$ は直線 $\text{AB}$ 上にあります。
ここで、$\triangle \text{PAQ}$ と $\triangle \text{PBR}$ に注目すると、$\angle \text{P}$ が共通で $\angle \text{PQA} = \angle \text{PRB} = 90^\circ$ なので、 $$\triangle \text{PAQ} \sim \triangle \text{PBR}$$ 相似比は2つの円の半径の比に等しいので、 $$\text{PA} : \text{PB} = \text{AQ} : \text{BR} = r_1 : r_2 = 2 : 3$$ つまり、点 $\text{P}$ は線分 $\text{AB}$ を $2 : 3$ に外分する点です!(あるいは、$\text{BA} : \text{AP} = (3-2) : 2 = 1 : 2$ より、ベクトルで $\overrightarrow{\text{BP}} = 3\overrightarrow{\text{BA}}$ と考えてもOKです!)
外分点の公式($2 : 3$ の外分は、分子・分母の $3$ を $-3$ または $2$ を $-2$ にする)より、$\text{A}(3, -1)$、$\text{B}(-1, 2)$ を $2 : 3$ に外分する点 $\text{P}$ の座標は: $$x_{\text{P}} = \frac{-3 \times 3 + 2 \times (-1)}{2 - 3} = \frac{-9 - 2}{-1} = \frac{-11}{-1} = 11$$ $$y_{\text{P}} = \frac{-3 \times (-1) + 2 \times 2}{2 - 3} = \frac{3 + 4}{-1} = \frac{7}{-1} = -7$$ したがって、点 $\text{P}$ の座標は $(11, -7)$ です!

🎯 問3の解答:コ $= 2$、サ $= 6$、シス $= 11$、セ $= 7$

【問4の解説】直線 $\text{AB}$ に関して $\text{R}$ と対称な点 $\text{S}$ を結ぶ直線 $\text{RS}$ の方程式

Step 1:直線 $\text{RS}$ の傾きは、計算しなくても問2と同じ!
点 $\text{S}$ は「直線 $\text{AB}$ に関して点 $\text{R}$ と対称な点」です。
線対称の定義より、対称な2点を結ぶ直線 $\text{RS}$ は、対称軸である直線 $\text{AB}$ と垂直に交わります($\text{RS} \perp \text{AB}$)!
問2で求めた共通接線 $\ell$ も直線 $\text{AB}$ に垂直($\ell \perp \text{AB}$)でしたから、直線 $\text{RS}$ は直線 $\ell$ と平行であり、その傾きは問2とまったく同じ $$\text{傾き} = \frac{4}{3}$$ であることが計算ゼロで確定します!

Step 2:直線 $\text{RS}$ と直線 $\text{AB}$ の交点 $\text{M}$ の位置を直角三角形の相似で求める
点 $\text{R}$ や点 $\text{S}$ の座標を直接求めなくても、直線 $\text{RS}$ と直線 $\text{AB}$ の交点 $\text{M}$ の座標さえ分かれば、傾き $\dfrac{4}{3}$ で点 $\text{M}$ を通る直線として一発で式が出ます!
直角三角形 $\triangle \text{PBR}$($\angle \text{PRB} = 90^\circ$)に注目しましょう:

  • 問1より $\text{AB} = 5$、問3より $\text{BA} : \text{AP} = 1 : 2$ なので、斜辺 $\text{BP}$ の長さは $$\text{BP} = 3 \times \text{AB} = 3 \times 5 = 15$$
  • また、円 $D$ の半径より $\text{BR} = 3$ です。
  • 点 $\text{R}$ から斜辺 $\text{BP}$(直線 $\text{AB}$)に下ろした垂線の足が交点 $\text{M}$ です。
すると、$\triangle \text{BM R} \sim \triangle \text{BRP}$(どちらも直角三角形で $\angle \text{B}$ が共通)なので、 $$\text{BM} : \text{BR} = \text{BR} : \text{BP} \implies \text{BM} = \frac{\text{BR}^2}{\text{BP}} = \frac{3^2}{15} = \frac{9}{15} = \frac{3}{5}$$ なんと!$\text{BM}$ の長さは $\dfrac{3}{5}$ です!(※注意:点 $\text{R}$ において $\angle \text{PRB} = 90^\circ$ で、$\text{BP}$ が斜辺なので、$\angle \text{PBR}$ は鋭角です。よって垂線の足 $\text{M}$ は線分 $\text{BP}$ 上、つまり点 $\text{B}$ から点 $\text{A}$ の方向へ距離 $\dfrac{3}{5}$ 進んだところにあります!)

🔍 なぜ $\text{M}$ の座標が超簡単に求まるのか?
$\text{AB} = 5$ で、点 $\text{M}$ は線分 $\text{AB}$ 上の点 $\text{B}$ から $\text{BM} = \dfrac{3}{5}$ の位置にあります。
つまり、$\text{BM} : \text{MA} = \dfrac{3}{5} : \left(5 - \dfrac{3}{5}\right) = \dfrac{3}{5} : \dfrac{22}{5} = 3 : 22$ です。
あるいはベクトルで書けば、$\overrightarrow{\text{BM}} = \dfrac{\text{BM}}{\text{BA}}\overrightarrow{\text{BA}} = \dfrac{3/5}{5}\overrightarrow{\text{BA}} = \dfrac{3}{25}\overrightarrow{\text{BA}}$ です!
……さらに!もっと直接的に直線 $\ell$ と直線 $\text{RS}$ の距離(平行移動)を使えば、分数の内分すら不要です!

Step 3:【超時短】平行な直線 $\ell$ からの比を使って切片を一瞬で出す方法(&座標代入の確認)
$\text{B}(-1, 2)$、$\text{A}(3, -1)$ より $\overrightarrow{\text{BA}} = (3 - (-1), -1 - 2) = (4, -3)$ です。
点 $\text{M}$ は点 $\text{B}(-1, 2)$ から $\dfrac{3}{25}\overrightarrow{\text{BA}}$ だけ進んだ点ですが、実は直線 $\text{RS}$ の方程式は「法線ベクトルが $\overrightarrow{\text{BA}} = (4, -3)$ で点 $\text{M}$ を通る直線」なので、わざわざ通分しなくても次のように出せます!
まず点 $\text{M}$ の座標を計算すると: $$x_{\text{M}} = -1 + \frac{3}{25} \times 4 = -1 + \frac{12}{25} = -\frac{13}{25}$$ $$y_{\text{M}} = 2 + \frac{3}{25} \times (-3) = 2 - \frac{9}{25} = \frac{41}{25}$$ これを傾き $\dfrac{4}{3}$ の直線の式 $y = \dfrac{4}{3}(x - x_{\text{M}}) + y_{\text{M}}$ に代入します: $$y = \frac{4}{3}\left(x + \frac{13}{25}\right) + \frac{41}{25} = \frac{4}{3}x + \frac{52}{75} + \frac{123}{75} = \frac{4}{3}x + \frac{175}{75}$$ $175$ と $75$ を $25$ で約分すると $\dfrac{175 \div 25}{75 \div 25} = \dfrac{7}{3}$ !!
ちょっと待ってください!「$m$ と $n$ のうち傾きが大きい方を $m$」という条件から、接点 $\text{R}$ の座標も確認しておきましょう!
実は、直線 $\text{RS}$ は必ず点 $\text{R}$ と点 $\text{S}$ の両方を通る直線ですから、$m$ と $n$ のどちらを選んでも直線 $\text{RS}$ はまったく同じ1本の直線になります!(なぜなら、$m$ と円 $D$ の接点が $\text{R}$ なら、それと直線 $\text{AB}$ に関して対称な点 $\text{S}$ は、もう一方の共通接線 $n$ と円 $D$ の接点だからです!)
よって、直線 $\text{RS}$ の方程式は $$y = \frac{4}{3}x + \frac{7}{3}$$ となります!

✨ 別解(中学生でも分かる3秒検算!):
点 $\text{B}(-1, 2)$、点 $\text{T}\left(\dfrac{7}{5}, \dfrac{1}{5}\right)$、点 $\text{M}$ はすべて直線 $\text{AB}$ 上にあります。
点 $\text{B}$ から点 $\text{T}$ までの距離は半径 $\text{BT} = 3 = \dfrac{15}{5}$。
点 $\text{B}$ から点 $\text{M}$ までの距離は $\text{BM} = \dfrac{3}{5}$。
つまり $\text{BM} : \text{BT} = \dfrac{3}{5} : \dfrac{15}{5} = 1 : 5$ です!
点 $\text{B}(-1, 2)$ を通る傾き $\dfrac{4}{3}$ の直線は $4(x+1) - 3(y-2) = 0 \iff 4x - 3y + 10 = 0 \iff y = \dfrac{4}{3}x + \dfrac{10}{3}$。
点 $\text{T}$ を通る直線 $\ell$ は問2より $y = \dfrac{4}{3}x - \dfrac{5}{3}$。
点 $\text{M}$ は線分 $\text{BT}$ を $1 : 4$ に内分する点なので、$y$ 切片も $\dfrac{10}{3}$ と $-\dfrac{5}{3}$ を $1 : 4$ に内分した値になります! $$(\text{直線 RS の } y\text{ 切片}) = \frac{4 \times \frac{10}{3} + 1 \times \left(-\frac{5}{3}\right)}{1 + 4} = \frac{\frac{35}{3}}{5} = \frac{7}{3}$$ 完全に一致しましたね!計算ミスが絶対に起きない最強の検算法です。
🎯 問4の解答:ソ $= 4$、タ $= 3$、チ $= 7$、ツ $= 3$
🔥 ニックニ(新国)先生の合否分岐アドバイス

第2問の問4で「共通接線 $m$ の傾きを置いて、点と直線の距離で $m$ を出して、そこから円 $D$ との接点 $\text{R}$ を出して、さらに直線 $\text{AB}$ に関する対称点 $\text{S}$ を出して…」と解こうとした受験生は、試験時間を30分以上溶かしてしまいます。
「直線 $\text{AB}$ に関して $\text{R}$ と対称な点 $\text{S}$ $\implies$ $\text{RS} \perp \text{AB}$」という図形的意味に気づけば、接線 $m$ の傾きを一切求めずに、直角三角形の相似だけで1分で完答できます。「式の前に図を描く・図の性質を使う」習慣を徹底しましょう!

Problem 03

第3問:球を取り出す反復試行と包除原理の確率

数学A(場合の数と確率・反復試行) 目標時間:20分
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第3問は、5個の球(A, B, C, D, E)から同時に3個を取り出して戻す試行を5回繰り返す確率の問題です!
問1・問2は超基本なので絶対に落とせません。問3の「3回以上連続」は5回試行なので樹形図(○×の並び)を書き出せば確実です。
そしてクライマックスの問4「すべての球がそれぞれ少なくとも1回含まれる確率」は、解答欄の形 $1 - \dfrac{\text{セ}^{\text{ソ}}}{\text{タ}^{\text{チ}}} + \dfrac{1}{\text{ツテ}^{\text{ト}}}$ が大ヒント!これはまさに余事象と包除原理(ベン図の引きすぎを足し戻す公式)の形そのものですよ!

第3問 問題文

袋の中に $\text{A}, \text{B}, \text{C}, \text{D}, \text{E}$ の文字が1個につき1つずつ書かれた5個の球が入っている。この袋の中から3個の球を取り出し、書かれた文字を確認して元に戻すという試行を行う。次の問い(問1〜4)に答えよ。

問1 この試行を1回行う。取り出された球の中に $\text{A}$ の球が含まれる確率は $\dfrac{\fbox{ ア }}{\fbox{ イ }}$ であり、$\text{A}$ の球と $\text{B}$ の球がともに含まれる確率は $\dfrac{\fbox{ ウ }}{\fbox{ エオ }}$ である。

問2 この試行を5回行う。すべての試行において取り出された球の中に $\text{A}$ の球も $\text{B}$ の球も含まれない確率は $\left(\dfrac{\fbox{ カ }}{\fbox{ キク }}\right)^{\fbox{ ケ }}$ である。

問3 この試行を5回行う。取り出された球の中に $\text{A}$ の球が含まれるという事象が3回以上連続して起こる確率は $\dfrac{\fbox{ コ }^{\fbox{ サ }}}{\fbox{ シ }^{\fbox{ ス }}}$ である。

問4 この試行を5回行う。すべての球がそれぞれ少なくとも1回、取り出された球の中に含まれる確率は $1 - \dfrac{\fbox{ セ }^{\fbox{ ソ }}}{\fbox{ タ }^{\fbox{ チ }}} + \dfrac{1}{\fbox{ ツテ }^{\fbox{ ト }}}$ である。

【問1の解説】1回の試行で $\text{A}$ が含まれる確率、$\text{A}$ と $\text{B}$ がともに含まれる確率

Step 1:全事象(5個から3個を取り出す組合せの総数)を求める
5個の異なる球から3個を取り出す組合せの総数は、 $${}_5\text{C}_3 = {}_5\text{C}_2 = \frac{5 \times 4}{2 \times 1} = 10 \text{ 通り}$$ であり、これら10通りは同様に確からしいです。

Step 2:$\text{A}$ の球が含まれる確率を求める
3個の中に必ず $\text{A}$ が含まれるとき、残りの2個は $\text{B}, \text{C}, \text{D}, \text{E}$ の4個の中から2個を選べばよいので、 $${}_4\text{C}_2 = \frac{4 \times 3}{2 \times 1} = 6 \text{ 通り}$$ よって、求める確率は $$\frac{{}_4\text{C}_2}{{}_5\text{C}_3} = \frac{6}{10} = \frac{3}{5}$$ (※直感的にも、5個のうち当たり枠が3個あるので $\dfrac{3}{5}$ と即答できます!)

Step 3:$\text{A}$ の球と $\text{B}$ の球がともに含まれる確率を求める
3個の中に $\text{A}$ と $\text{B}$ の2個がすでに確定しているので、残り1個は $\text{C}, \text{D}, \text{E}$ の3個の中から1個を選べばよく、 $${}_3\text{C}_1 = 3 \text{ 通り}$$ よって、求める確率は $$\frac{{}_3\text{C}_1}{{}_5\text{C}_3} = \frac{3}{10}$$ です。

🎯 問1の解答:ア $= 3$、イ $= 5$、ウ $= 3$、エオ $= 10$

【問2の解説】5回すべてにおいて $\text{A}$ も $\text{B}$ も含まれない確率

Step 1:1回の試行で「$\text{A}$ も $\text{B}$ も含まれない」確率を求める
1回の試行で3個を取り出すとき、$\text{A}$ も $\text{B}$ も含まれないということは、残りの $\text{C}, \text{D}, \text{E}$ の3個から3個すべてを取り出すということです。
そのような取り出し方は $\{\text{C}, \text{D}, \text{E}\}$ の ${}_3\text{C}_3 = 1$ 通りしかありません!
よって、1回の試行で $\text{A}$ も $\text{B}$ も含まれない確率は $$\frac{1}{10}$$ です。

Step 2:5回連続で起こる確率を求める
各回の試行は独立なので、5回すべての試行において $\text{A}$ も $\text{B}$ も含まれない確率は、 $$\left(\frac{1}{10}\right)^5$$ となります。

🎯 問2の解答:カ $= 1$、キク $= 10$、ケ $= 5$

【問3の解説】5回の試行で「$\text{A}$ が含まれる事象」が3回以上連続して起こる確率

Step 1:記号の設定と基本確率の確認
1回の試行で $\text{A}$ が含まれる事象を「$\bigcirc$」、含まれない事象を「$\times$」と表します。
問1より、 $$P(\bigcirc) = \frac{3}{5}, \quad P(\times) = 1 - \frac{3}{5} = \frac{2}{5}$$ です。5回の試行で $\bigcirc$ が3回以上連続して起こるパターンを、漏れなく・重複なく分類して数え上げましょう!

📋 「$\bigcirc$ が3回以上連続する」全パターン一覧(背反な場合分け)

  • 【ケース1】5回連続で $\bigcirc$ になる($\bigcirc$ が5個、$\times$ が0個):
    パターン:$(\bigcirc, \bigcirc, \bigcirc, \bigcirc, \bigcirc)$ の 1通り。
    確率:$\left(\dfrac{3}{5}\right)^5 = \dfrac{243}{5^5}$
  • 【ケース2】ちょうど4回連続で $\bigcirc$ になる($\bigcirc$ が4個、$\times$ が1個):
    パターン:$(\bigcirc, \bigcirc, \bigcirc, \bigcirc, \times)$ と $(\times, \bigcirc, \bigcirc, \bigcirc, \bigcirc)$ の 2通り。
    確率:$2 \times \left(\dfrac{3}{5}\right)^4 \left(\dfrac{2}{5}\right)^1 = \dfrac{2 \times 81 \times 2}{5^5} = \dfrac{324}{5^5}$
  • 【ケース3】3回以上連続で $\bigcirc$ になる:
    3連続の $\bigcirc\bigcirc\bigcirc$ の塊がどこにあるかで3つに分かれます:
    • 1〜3回目が $\bigcirc\bigcirc\bigcirc$ のとき:4回目は必ず $\times$($\bigcirc$ だと4連続になるため)、5回目は $\bigcirc$ でも $\times$ でもよい。
      $\implies (\bigcirc, \bigcirc, \bigcirc, \times, \bigcirc),\ (\bigcirc, \bigcirc, \bigcirc, \times, \times)$
    • 2〜4回目が $\bigcirc\bigcirc\bigcirc$ のとき:1回目も5回目も必ず $\times$。
      $\implies (\times, \bigcirc, \bigcirc, \bigcirc, \times)$
    • 3〜5回目が $\bigcirc\bigcirc\bigcirc$ のとき:2回目は必ず $\times$、1回目は $\bigcirc$ でも $\times$ でもよい。
      $\implies (\bigcirc, \times, \bigcirc, \bigcirc, \bigcirc),\ (\times, \times, \bigcirc, \bigcirc, \bigcirc)$
    内訳を見ると:
    ・$\bigcirc$ が4個、$\times$ が1個のものが $(\bigcirc, \bigcirc, \bigcirc, \times, \bigcirc)$ と $(\bigcirc, \times, \bigcirc, \bigcirc, \bigcirc)$ の 2通り。
    ・$\bigcirc$ が3個、$\times$ が2個のものが $(\bigcirc, \bigcirc, \bigcirc, \times, \times)$、$(\times, \bigcirc, \bigcirc, \bigcirc, \times)$、$(\times, \times, \bigcirc, \bigcirc, \bigcirc)$ の 3通り。

Step 2:確率を合計して約分する
上のケース1〜3を、$\bigcirc$ の個数ごとにまとめて計算すると非常にスッキリします!

  • $\bigcirc$ が5個(1通り):$1 \times \left(\dfrac{3}{5}\right)^5 = \dfrac{3^5}{5^5}$
  • $\bigcirc$ が4個、$\times$ が1個($2 + 2 = 4$ 通り):$4 \times \left(\dfrac{3}{5}\right)^4 \left(\dfrac{2}{5}\right) = \dfrac{8 \times 3^4}{5^5}$
  • $\bigcirc$ が3個、$\times$ が2個(3通り):$3 \times \left(\dfrac{3}{5}\right)^3 \left(\dfrac{2}{5}\right)^2 = 3 \times \dfrac{3^3 \times 4}{5^5} = \dfrac{4 \times 3^4}{5^5}$
これら3つをすべて足し合わせます(すべて分子を $3^4$ でくくれることに注目!): $$\text{求める確率} = \frac{3 \times 3^4 + 8 \times 3^4 + 4 \times 3^4}{5^5} = \frac{(3 + 8 + 4) \times 3^4}{5^5} = \frac{15 \times 3^4}{5^5}$$ ここで $15 = 3 \times 5$ なので、分母の $5^5$ と $5$ で約分すると、 $$\frac{3 \times 5 \times 3^4}{5^5} = \frac{3^5}{5^4}$$ ……おっと!分子の $3 \times 3^4$ は $3^5$ ですが、もしケース3をもう一度確認するとどうなるでしょうか?
あ!よく見てください!
ケース3の「$\bigcirc$ が3個、$\times$ が2個」の3通りは: $$3 \times \left(\frac{3}{5}\right)^3 \left(\frac{2}{5}\right)^2 = \frac{4 \times 3^4}{5^5}$$ で間違いありません。ではなぜ解答欄の形 $\dfrac{\fbox{ コ }^{\fbox{ サ }}}{\fbox{ シ }^{\fbox{ ス }}}$ において $\dfrac{3^5}{5^4}$ または $\dfrac{3^4}{5^4}$ なのか、再検証しましょう!
実は、「1〜3回目が $\bigcirc\bigcirc\bigcirc$ の確率」+「1回目が $\times$ で2〜4回目が $\bigcirc\bigcirc\bigcirc$ の確率」+「2回目が $\times$ で3〜5回目が $\bigcirc\bigcirc\bigcirc$ の確率」で計算すると一瞬で検算できます:
  • 1〜3回目が $\bigcirc\bigcirc\bigcirc$(4, 5回目は何でもよい):$\left(\dfrac{3}{5}\right)^3 = \dfrac{27}{125}$
  • 1回目が $\times$、かつ 2〜4回目が $\bigcirc\bigcirc\bigcirc$(5回目は何でもよい):$\dfrac{2}{5} \times \left(\dfrac{3}{5}\right)^3 = \dfrac{54}{625}$
  • 2回目が $\times$、かつ 3〜5回目が $\bigcirc\bigcirc\bigcirc$(1回目は何でもよい):$1 \times \dfrac{2}{5} \times \left(\dfrac{3}{5}\right)^3 = \dfrac{54}{625}$
これら3つは互いに排反(重なりゼロ)なので、合計すると: $$\left(\frac{3}{5}\right)^3 \left(1 + \frac{2}{5} + \frac{2}{5}\right) = \frac{3^3}{5^3} \times \frac{9}{5} = \frac{3^3 \times 3^2}{5^4} = \frac{3^5}{5^4}$$ なんと美しい計算でしょうか!!
1ステップで $\left(\dfrac{3}{5}\right)^3 \times \dfrac{9}{5} = \dfrac{3^5}{5^4}$ と求まり、100%の確信をもって $\dfrac{3^5}{5^4}$($\fbox{ コ }=3, \fbox{ サ }=5, \fbox{ シ }=5, \fbox{ ス }=4$)と確定しました!

🎯 問3の解答:コ $= 3$、サ $= 5$、シ $= 5$、ス $= 4$

【問4の解説】5回の試行で、すべての球($\text{A}\sim\text{E}$)がそれぞれ少なくとも1回含まれる確率

Step 1:余事象と「包除原理(ベン図)」で立式する
「5個の球 $\text{A}, \text{B}, \text{C}, \text{D}, \text{E}$ がすべて少なくとも1回は取り出される」という事象の余事象は、
「5回の試行を通じて、1回も取り出されない球が少なくとも1個ある」という事象です。
ここで、文字 $X \in \{\text{A}, \text{B}, \text{C}, \text{D}, \text{E}\}$ に対して、 $$\text{事象 } E_X : \text{「5回の試行すべてにおいて、球 } X \text{ が1回も取り出されない」}$$ とおきます。
すると、求めたい確率 $P$ は、余事象の確率 $P(E_{\text{A}} \cup E_{\text{B}} \cup E_{\text{C}} \cup E_{\text{D}} \cup E_{\text{E}})$ を $1$ から引いたものです: $$P = 1 - P(E_{\text{A}} \cup E_{\text{B}} \cup E_{\text{C}} \cup E_{\text{D}} \cup E_{\text{E}})$$

💡 なぜ「3個以上が同時に1回も出ないこと」は起こり得ないのか?

① 特定の1個(例:A)が5回とも出ない 1回の試行でAが出ない確率は $1 - \dfrac{3}{5} = \dfrac{2}{5}$。
5回ともAが出ない確率は $\left(\dfrac{2}{5}\right)^5$。
どの1個か(A〜E)の選び方が ${}_5\text{C}_1 = 5$ 通り。
② 特定の2個(例:AとB)が5回とも出ない 問2で求めた通り、5回ともAもBも出ない確率は $\left(\dfrac{1}{10}\right)^5$。
どの2個か(A〜Eから2個)の選び方が ${}_5\text{C}_2 = 10$ 通り。
③ 特定の3個以上が5回とも出ない 1回の試行で必ず3個の球を取り出すため、残りの球が2個以下だと3個取り出すこと自体が不可能!
よって確率は $0$(絶対に起こらない)!

Step 2:包除原理で余事象の確率を計算する
3個以上の球が同時に「1回も出ない」ことは絶対に起こらない(確率 $0$)ので、和事象の確率(包除原理)は「1個が出ない確率の和」から「2個が同時に出ない確率の和(重なって2回引いた分)」を引くだけで完全に求まります! $$P(E_{\text{A}} \cup \dots \cup E_{\text{E}}) = {}_5\text{C}_1 \times \left(\frac{2}{5}\right)^5 - {}_5\text{C}_2 \times \left(\frac{1}{10}\right)^5$$ これを $P = 1 - P(E_{\text{A}} \cup \dots \cup E_{\text{E}})$ に代入します: $$P = 1 - {}_5\text{C}_1 \left(\frac{2}{5}\right)^5 + {}_5\text{C}_2 \left(\frac{1}{10}\right)^5$$

Step 3:各項目を約分して解答欄の形に合わせる
第2項と第3項をそれぞれ丁寧に計算します:

  • 第2項の計算:
    $${}_5\text{C}_1 \times \left(\frac{2}{5}\right)^5 = 5 \times \frac{2^5}{5^5} = \frac{2^5}{5^4}$$
  • 第3項の計算:
    $${}_5\text{C}_2 \times \left(\frac{1}{10}\right)^5 = 10 \times \frac{1}{10^5} = \frac{1}{10^4}$$
したがって、求める確率は $$1 - \frac{2^5}{5^4} + \frac{1}{10^4}$$ となり、問題文の解答欄 $1 - \dfrac{\fbox{ セ }^{\fbox{ ソ }}}{\fbox{ タ }^{\fbox{ チ }}} + \dfrac{1}{\fbox{ ツテ }^{\fbox{ ト }}}$ にピタリと一致します!

🎯 問4の解答:セ $= 2$、ソ $= 5$、タ $= 5$、チ $= 4$、ツテ $= 10$、ト $= 4$

🏆 2024年度 岩手医科大学(数学)最終確定マークシート一覧

大問 設問 確定解答(マーク値) 最重要ポイント
第1問 問1 ア $= 2$, イ $= 4$, ウ $= 1$ $t = \log_2 x = -\dfrac{3}{2} \implies x = 2^{-3/2} = \dfrac{\sqrt{2}}{4}$、最小値 $1$
問2 エ $= 0$ $t^2$ の係数 $n=0$(1次方程式になる場合)を見落とさない!
問3 オ $= 3$, カ $= 3$ $n = -\dfrac{6(2k+1)}{k^2+1}$ が整数 $\implies n = -9, -6, 3$ の3個(最大は $3$)
問4 キ $= 2$, ク $= 6$, ケコ $= 41$ $n = -1$ のとき解 $t = 6 + \sqrt{41}$ が最大 $\implies x = 2^{6+\sqrt{41}}$
第2問 問1 ア $= 3$, イ/ウ $= \dfrac{7}{5}$, エ/オ $= \dfrac{1}{5}$ $\text{AB}=5, r_1=2 \implies r_2=3$。接点 $\text{T}$ は $\text{AB}$ を $2:3$ に内分
問2 カ/キ $= \dfrac{4}{3}$, ク/ケ $= \dfrac{5}{3}$ $\ell \perp \text{AB}$ より傾き $\dfrac{4}{3}$ で点 $\text{T}\left(\dfrac{7}{5}, \dfrac{1}{5}\right)$ を通る直線
問3 コ $= 2$, サ $= 6$, シス $= 11$, セ $= 7$ $\text{QR} = \sqrt{5^2 - (3-2)^2} = 2\sqrt{6}$、点 $\text{P}$ は $\text{AB}$ を $2:3$ に外分
問4 ソ/タ $= \dfrac{4}{3}$, チ/ツ $= \dfrac{7}{3}$ $\text{RS} \perp \text{AB}$ より傾き $\dfrac{4}{3}$、$\text{BM} = \dfrac{3^2}{15} = \dfrac{3}{5}$ から切片 $\dfrac{7}{3}$
第3問 問1 ア/イ $= \dfrac{3}{5}$, ウ/エオ $= \dfrac{3}{10}$ $\dfrac{{}_4\text{C}_2}{{}_5\text{C}_3} = \dfrac{6}{10} = \dfrac{3}{5}$、$\dfrac{{}_3\text{C}_1}{{}_5\text{C}_3} = \dfrac{3}{10}$
問2 カ $= 1$, キク $= 10$, ケ $= 5$ 1回で $\{\text{C, D, E}\}$ となる確率 $\dfrac{1}{10}$ の5乗
問3 コ $= 3$, サ $= 5$, シ $= 5$, ス $= 4$ $\left(\dfrac{3}{5}\right)^3 \left(1 + \dfrac{2}{5} + \dfrac{2}{5}\right) = \dfrac{3^5}{5^4}$
問4 セ $= 2$, ソ $= 5$, タ $= 5$, チ $= 4$, ツテ $= 10$, ト $= 4$ 包除原理:$1 - {}_5\text{C}_1\left(\dfrac{2}{5}\right)^5 + {}_5\text{C}_2\left(\dfrac{1}{10}\right)^5$
ニックニ先生
ニックニ(新国大輔)先生からのメッセージ

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【出典・引用に関する表記】本ページで扱う入試問題の出典は各大学(岩手医科大学 2024年度 入試問題)に帰属します。本コンテンツは著作権法第32条(引用)および教育・学習支援の目的に基づき、受験生への解法・思考プロセスの解説(主)を行うために必要な範囲で問題文・図表(従)を引用・再構成して掲載しています。解答・解説および図解の著作権はTMPS医学館に帰属します。