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パスカルの三角形と 2 項分布

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Academic year: 2021

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(1)

パスカルの三角形と

2

項分布

確率論

I–

参考資料

2009/01/08, 西岡

1 階乗と 2 項係数

まず

0!1, 1! = 1, 2! = 1×2 = 2, 3!1×2×3 = 6, 4!= 1×2×3×4 = 24, · · ·, k!1×2× · · ·(k1)×k と記し,k!kの階乗という. k!は驚くほど早く大きくなる.

次に,自然数 n, k にたいし,

(1) nCk n!

k! (nk)! = n(n1)· · ·(nk1)

k(k1)· · ·1 , k= 0,1,· · ·n とおき, 2項係数と呼ぶ. このnCk n個のものからk個取り出す方法の数である.

2 パスカルの三角形

問題 1. 次の図形で,S7(0), S7(1),· · ·, S7(7)の各点から出発し, 最短路を通ってX へ到達する. それぞれ の最短路の個数を計算せよ.

X

S7(0) S7(1) S7(2) S7(3) S7(4) S7(5) S7(6) S7(7)

[解答] パスカルの3角形と呼ばれる次の図形から,最短路の個数が計算できる.

Step 1. なぜパスカルの図形から最短路の個数が計算出来るかを説明する.

(i) 下の図形で最短路の個数はそれぞれ1.

(ii) もう一段増やす. S2(1) から出発すると, 必ず S1(0) S1(1)を通るので, それらの最短路の個数の 合計.

(iii) さらにもう一段増やす.

S3(1)は必ず S2(0)S2(1)を通る,

S3(2)は必ず S2(1)S2(2)を通る,

1

(2)

X

S7(0) S7(1) S7(2) S7(3) S7(4) S7(5) S7(6) S7(7) 1

1 1

1 1

1

1 1

1

1 1

1 1 1

2

3 3

4 6 4

5 10 10 5

6 15 20 15 6

7 21 35 35 21 7

X

S1(0) S1(1)

1 1

X

S1(0), 1 S1(1), 1

S2(0) S2(1)  S2(2) 1 + 1 =2

1 1

X

S1(0), 1 S1(1), 1

S2(0), 1

S2(1), 2

S2(2), 1

S3(0)  S3(1),  1+2 =3 

S3(2),  2+1=3 

S3(3)

1 1

を考えると,

これを繰り返すと,パスカルの三角形で最短路の個数が計算できる.

Step 2. 一方, 組み合わせの個数 nCk との関係を考える.例えば,S2(1)から出発したときの最短路の個

数は,

「右前に 2,左前に1 歩 動く」組み合わせの個数. つまり「3 つから1 つを選ぶ方法の個数」=3C1= 3となる.

7段下から出発する場合も同様で,

S7(k)から出発するときの最短路の個数=7Ck

となる.

() パスカルの3角形の計算方法を思い出すと, 次の補題は自明.

2

(3)

補題2. 2項係数は次の性質を持つ.

nC0= 1 =nCn, (2)

nCk =nCnk, (3)

nCk+nCk+1=n+1Ck+1. (4)

練習問題 3. (i) 下図の格子上を通り, AからBに行く最短経路は何通り有るか.

!

"

#

$

(ii) 上図の格子上を通り, AからBに行く最短経路は何通り有るか. ただしCは必ず通るとする.

(iii) 上図の格子上を通り, AからBに行く最短経路は何通り有るか. ただしDは通らないものとする.

[解答] (i) AB ,上に5 ,右に4 . この組み合わせだから,9C4= 126.

(ii) AC は上に1 ,右に3. この組み合わせだから,4C3= 4. さらにCB ,上に4, 右に 1. この組み合わせだから,5C1= 5. 両者を掛けて, 4·5 = 20.

(iii) AD , 上に3 ,右に2 . この組み合わせだから,5C2= 10. さらにD B ,上に2 , 右に2. この組み合わせだから,4C2= 6. つまり,ADB , 10·6 = 60. これを,AB の経路 数から引けばよいので, 12660 = 66. 2

3 2項分布

定義4. 確率変数X(w)

(5) X(w)x1, x2,· · · , xn の値 をとるとする. (5)X(w)にたいしxi の値をとる確率

P[X(w) =xi]f(xi)

x=x1, x2,· · ·, xmの関数とみて,確率変数X(w)の確率分布 distribution とよぶ. 定義5. 成功と失敗の2つの結果しかない試行をベルヌイ試行Bernoulli trialと呼ぶ.

ベルヌイ試行の代表例は

「コイントス: =成功, =失敗」

だが,他の多くの確率現象もベルヌイ試行の組み合わせで表現できる. 問題6. 表がでる確率がpのコイン aがある.

(i) コインa1回投げ,確率変数Z1 Z1

{ 1 表がでたとき 0 裏が出たとき

3

(4)

とする. このときZ1の分布 P[Z1(w) =x] =f1(x)x= 0,1 だけの関数で f1(0) = 1p, f1(1) =p.

(ii) コインa2回投げ,確率変数Z2

Z22 回のコイン投げで, 表が出た回数 とする. このときZ2の分布 f2(x)x= 0,1,2 の関数で

f2(k)P[Z2=k] =

(1p)2 k= 0 2p(1p) k= 1 p2 k= 2 (iii) コインan回投げ, 確率変数Zn

(6) Zn ≡ |w|=n回コインを投げて表が出た回数 とおく. このときZn の分布fn(x)x= 0,1,· · · , nの関数で

(7) fn(k)P[Zn=k] = nCk pk (1p)nk, k= 0,1,· · · , n.

ここで

nCk n!

k! (nk)!

2項係数 (1), その右辺は2項分布binomial distributionと呼ばれ,応用上,特に重要である. [(7)の証明] Zn=kとなるには,

(8) 表がk ,裏がnk

出ればよい. (8)が起こる確率はpk (1p)nk.

また「一列に並んだn個のものからk個選ぶ方法」は,nCk 通り.

n回のコイントスの中で,k回表がで出ると考えて, (8) nCk 通りの異なった方法で起こる. 2

注意7. 大きな n, kにたいし, (7)ϕn(k)の値を計算することは,決して易しくない. n!がとてつもなく

大きな数になるからである.

4

参照