数学とクイズでくつろいで数学の部屋「コマ大数学科」に挑む「コマ大数学科」に挑む・11年11月

「コマ大数学科」に挑む・11年11月

最終更新日2011年12月23日

フジテレビで深夜に放送されている「コマ大数学科」の問題に解く様子をご紹介します。数学をやってきたので簡単に解ける…と思ったものの…その奮闘振りをお楽しみに。なお、福岡での放送は二週間遅い模様です。そこら辺はご勘弁を。

読書の秋スペシャル (11/2)
「時計」(11/9)
「お茶女に挑戦」(11/16)
「英語で数学 Part 4」(11/23)

ご意見がありましたらtfujisaki2006@yahoo.co.jpまでお願いします。


「読書の秋スペシャル (11/2)」

 今回はいつもの内容と異なり、コマ大メンバーのおすすめの理数系の本を紹介すること になった。ゲストでリケジョ対決で出演した菊川怜さんも一緒だった。

 紹介された本は以下の通り。

木村美紀さん:グレゴリー・J・チャイティンの「セクシーな数学−ゲーデルから芸術・科学まで」
 「数学はセクシーである」という考えのもとに数学の内容を紹介している。

「情報理論がもっともセクシーだとリオのカーニバルを見てひらめいた」
「数学の証明は抱く感覚に似ている」

など独特の表現を用いている。

〆サバアタル:ポール・ホフマンの「放浪の天才数学者エルデシュ」
 「3歳で3桁同士の掛け算を計算できた」という伝説を持つ数学者ポール・エルデシュについて書かれた本。

 数学に関しては天才であったが、家や財産もなく放浪生活を続けるなど変人ぶりもまた有名であった。

中村亨先生:Oliver Byrne の「ユークリッド原論」
 紀元前3世紀に書かれたユークリッドの「原論」。

 ハードカバーの装丁や色を使った解説図などが使われている。

菊川怜さん:手塚治虫の「ブラックジャック」
 難しい外科手術に挑む医師ブラックジャックを描いた漫画。
 手塚さんは医学部出身ということで、その知識を生かした作品になっている。
菊川怜さん:菊川怜の「菊川怜の数学生活のススメ」
 数学が生活の中で役に立っていることについて述べた本。

 相手の携帯電話の番号を探り当てる方法なんかも書かれている。

 ちなみにマスは10冊ほど数物系の本を買うが、2,3ページほどで読み捨てる(喫茶店にあげちゃう)ものもあるそうです。

 一通り本の話が出たところで 「コマ大数学科公認副読本 THE PARADOX  ザ・パラドックス」 のご紹介。マス北野・竹内薫・中村亨の3氏の鼎談の内容に加え、論理問題を掲載。今回は問題の中からいくつかご紹介。

問題1:
 ガダルカナル・タカさんは2つの封筒A,Bを持っています。2つの封筒にはお金が入っており、一方の封筒のお金はもう一方の封筒のお金の2倍の金額が入っています(どちらが2倍かは不明)
 いまタカさんがAの封筒を開けたところ1万円が入っていました。ということは封筒Bには「5千円」か「2万円」のいずれかが入っています。

 タカさんはA,Bどちらか一つだけ貰うことができます。一度決めたら変更はできません。また、 封筒Bの金額は手に持っただけでは分からないようになっています。

 タカさんはこのままAのお金を貰ったほうが良いのでしょうか?それともBに変更したほうが良いのでしょうか?

問題2:
 タカさんと無法松がトランプでゲームをしました。

4枚のエースを使い、よくシャッフルし4枚を裏返します。無法松が4枚のうち2枚を選び、
 2枚が同じ色のカードならばタカさんの勝ち。
 2枚が違う色のカードならば無法松の勝ち。
とします。無法松はこのゲームに参加したほうが良いのでしょうか?

問題3:
 コマ大の出演者・スタッフ23人全員がスタジオに閉じ込められました。 以下の事柄をしなければスタジオを出ることができません。

  • 全員は一人ずつ楽屋に入り、お互いの連絡ができない。
  • 一人がスタジオに入り、上の4つのランプの装置のボタンを押し、ランプを移動させる。 そして再び楽屋に戻る。
    (ランプは矢印の間のみ移動できる。「青から緑」という対角線の移動はできない)
  • この操作を繰り返すが、誰がスタジオに呼ばれるかはランダムに決まる。同じ人が繰り返し呼ばれることもありうるが、必ず全員一回は呼ばれる。
  • ある人がメインスイッチをオフにしたとき、一回でもランプを移動させた人のみがスタジオから脱出できる。
 楽屋に別れる前に、一度だけ話し合うことができる。全員が脱出できるためにはどのような方法をとればよいのでしょうか。ただし、最初に4つのランプのうちどこが付いているかは全員分かりません。

(呼ばれた回数とランプの状態から全員がランプを移動させたことが分かればOK、ということみたい。呼ばれた回数ぐらいは教えてもらえると思う。)

 解答を簡単に書くと以下の通り。

問題1:
 Bの封筒の中身が「5千円」「2万円」である確率はそれぞれ1/2。このことから期待値を求めると

5000 × 1/2 + 20000 × 1/2 = 2500 + 10000 = 12500

となり、Aの封筒よりも高くなる。よってBの封筒に替えたほうが良い。
問題2:
 エース4枚から2枚を選ぶ方法は6通り。このうち2枚が同じ色となる組合せは「ハート、ダイヤ」「スペード、クラブ」の2通り。2枚が違う色となる組み合わせは4通り。

 よって、無法松が勝つ確率が高くなるため、参加したほうがよい。

問題3:
 ……皆さんで正解をお考えください。どうしても知りたい方は「ザ・パラドックス」をお買い求めください(私も正解が分からない…)


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「時計 (11/9)」

 コマ大チームに謎の男、大神クヒオが参加。問題はこちら

問題:
 分を表す長針と時間を表す短針が同じ長さの時計があります。ある時刻でこの2本の針の位置から時刻を特定するとき、特定できない時刻があります。
その時刻は正午から12時間の間に何回あるでしょう。

 (2本の針の長針・短針のとり方で2通りありますが、2通りともある時刻を表す場合がいくつあるかということ)

 コマ大は体力勝負。2人が大きな時計の短針と長針になって条件に合う時刻を探し出す。長針役の大神クヒオはぐるぐる走り回った挙句に普通の時計を使って検証をすることに。クヒオ一人で黙々と時刻を探していった…

 マスも東大生チームも黙々と計算を続けた。しかし、2組の結果は大きく分かれた模様。

コマ大チーム132回時計を動かして検証
東大生チーム121回針の角度を使って計算?
マス北野2回正午と12時の2通りしかない。

 東大生チームは計算方法は正しかったようだが、最後でミス。私もマスと同様正午と12時しか ないのでは、と思った。

正解…132回 コマ大チーム正解!

 大喜びのコマ大チーム。嬉しさで走り回る大神。実はマスも私も分単位の計算のみをしていたので答えが出ませんでした。秒単位、さらにそれ以下まで計算すると…

 長針(分針)は1時間に360°進み、短針(時針)は1時間に30°進む。つまり長針は短針の12倍の速さで進む。
 ある時刻の2本の針の位置で2通りの時刻のとり方があるとき、その2つの時刻の正午から進んだ短針の角度をそれぞれ θ、φ とすると

θ≡12φ、φ≡12θ (mod 2π)

この2式から、

θ≡12 × 12θ = 144θ (mod 2π) ⇒ 143θ≡ 0 (mod 2π)

0 ≦θ≦ 2πであるため、θ = (n/143)×2π と表すことができる。ここで n は整数で 1 ≦ n ≦ 143)を満たす。

2π が 360°つまり短針で12時間に対応するため、時間としては12時間の 1/143、およそ5分2秒ごとに 問題の条件を満たす時刻になる。もう一つ読み取れる時刻は正午からの時間の12倍になる。

 例えば

「0時 5分 2秒」は「1時 0分25秒」とも読み取れる。
「0時10分 4秒」は「1時10分29秒」とも読み取れる。
        …………………………
「0時45分19秒」は「9時 3分47秒」とも読み取れる。
        …………………………

 しかし n = 13 のとき「1時5分27秒」となり、これは2本の針が重なるため時刻の読み取り方は1通りしかない。このような場合は n が 13 の倍数のときに起こるため、全部で11回起こる。この時刻は条件から外されるため、2通りに読み取れる時刻は 143 - 11 = 132 通りとなる。
 (例で挙げた時刻は「およそ」の時間です。実際は 「143 分の何」秒という値になります。)

 竹内先生が「ちょっとひっかけがある」と話していたのは2本の針が重なる場合を除くことだと思うが、マスも東大生も意外なところで引っかかってしまった。素直に時計の針を進めたコマ大チームがコマ大フィールズ賞を取った。


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「お茶女に挑戦 (11/16)」

 数々の国立大学の入試問題に挑んだコマ大。今回は「お茶女」こと御茶の水女子大学の大学院の入試問題に挑む。東大生チームには助っ人として御茶の水女子大学卒で先日のスペシャルにも出演したタレントの黒田有彩さんが参加した。

問題:
 あなたは大学からの奨学金を受け取ることができる候補者の一人に選ばれました。 選考は以下の要領で行われます。
  • 候補者全員の額に「緑」か「赤」の印を付ける。
  • 額の印は自分の印は見えないが、ほかの候補者の印は見える。
  • 自分以外の候補者の印を見て「緑の印が2個以上」見えたときのみ手を挙げる ようにする。
  • この後、自分の額の色が分かったら「わかりました」と試験官に答えを述べる。
 候補者はあなたを含めて4人います。あなた以外の3人全員の額には「緑」の印が付けられていました。
 あなたは手を挙げますが、ほかの3人も手を挙げました。しかし、しばらくは誰も「わかりました」といいませんでした。

 以上から、あなたの額の印の色とその推理の理由を述べなさい。

 コマ大チームには前回から大神クヒオ、改め太神グヒオが参加。検証は御茶の水女子大学の構内。ジャージ姿男4人では怪しすぎるので出演している黒田さんが案内人として加わった。黒田さんの友達と大学内の話で盛り上がったところで全員で検証…としたところで、黒田さんは仕事、友達の学生さんたちも講義、ということで結局ジャージ姿男4人で検証。

 マス、東大生チームは早々と解答が終了。前回に続き太神グヒオの新しい名前を考えることに、新しい名前は次回。解答は以下の通り、

コマ大チーム「2人以上」という言葉にちょっと考えるから?
東大生チーム背理法を2回使って考える。
マス北野自分が赤だとすぐにわかる人がいるから

正解…緑、全員正解!

東大生チームは背理法を2回使ったが、1回で十分、とのこと。この問題は「しばらく誰も『わかりました』といいませんでした」というところがポイント。

 私の額の印が「赤」であるとき、全員が手を挙げる場合は「私以外の3人が緑の印」であるときのみ。 このため他の3人は私の額の「赤」の印を見て、すぐに各々の額に「緑」の印があることが分かるはず。

 しかし「しばらく誰も『わかりました』といいませんでした」ということは、上の考え方以外の場合であることを意味する。つまり「4人全員が緑の印」であること。よって私の額の印は「緑」

 シンプルな解説で答えを出したマス北野がコマ大フィールズ賞を貰った。


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「英語で数学 Part 4 (11/23)」

 エミー賞の最終選考に残ったことがあるコマ大(もう4年前か…)そのことで世界に番組が知られ、めでたくコマ大のイギリスBBC版の放送が決まった。今回は問題を英語で出題。

Question:
Glue together 3 cubes, whose edges are 3, 6 and 9 centimeters long, at their faces.
Find the minimum surface area.

 太神グヒオ改め「東京名物大神本舗五百年」が加わったコマ大チーム。今回はイギリスに浸ろうということでビートルズのマッシュルームカットにジャージで登場。とりあえずイギリス雑貨の店で問題の意味を聞き、イギリス紅茶を楽しみながら検証。どうやら答えが出た模様。
 今回の問題は易しかったようで、マスも東大生チームもすぐに答えが出た模様。解答の前に問題の日本語訳を。

問題:
 一辺の長さが3,6,9cmの3個の立方体を面で張り合わせた立体を考えます。
 このような立体で表面積が最も小さくなる時の値を求めなさい。

そして各組の解答は…

コマ大チーム648平方cm実際に立方体を張り合わせて求めた。
東大生チーム648平方cm3個がそれぞれ隣り合う立体を考えた。
マス北野648平方cm3個がそれぞれ隣り合う立体を考えた。

正解…648平方cm、全員正解!

 正直に話すとコマ大チームは立体は作れるだろうが表面積を正確に求められるとは思わなかった。解説では3つの立方体の表面積から張り合わせた部分の面積を引く計算をしていたがここではちょっと別の計算方法をご紹介。

 一辺が3cmの立方体(赤)6cmの立方体(青)9cmの立方体(緑)を上の図のように それぞれを面で張り合わせたような立体が最小の表面積を持つ。

 この立体の正面方向の面積は3個の立方体の面の面積の合計である。
 この立体の右方向の面積は緑と青の立方体の面の面積の合計と等しい。
 この立体の上方向の面積は緑の立方体の面の面積と等しい。

それぞれ反対方向の面積も等しくなるため、この立体の表面積は上の3方向の面積の合計の2倍になる。 この値を計算すると

2×(3^2 + 6^2 + 9^2) + 2×(6^2 + 9^2) + 2×9^2 = 648 cm^2

 コマ大フィールズ賞は一番早く解けた東大生チーム。


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