大学入学共通テスト 2021年(令和3年) 本試 数学ⅠA 第4問 解説

(1)

以下の解説中では、
時計回りに移動させることを「進む」と書き、移動量を正の値で 反時計回りに移動することを「戻る」と書き、移動量を負の値で 表すことにする。


直感的に、2回進んで3回戻れば、
5×23×3=1
より、P0からP1に移動すると思いつく。

解答ア:2, イ:3

共通テスト本番ではこれでいいんだけど、「直感的に思いつく」なんて数学じゃないし、思いつかないときもあるから、もうちょっと考えておこう。


5回移動するので、石は
最も進んだときは
5×5=25
最も戻ったときは
3×5=15
移動する。

この範囲でP0からP1に移動する方法は、図Aのように3パターンある。
以下の図では、P0を緑の点で表すことにする。

図A
大学入学共通テスト2021年本試 数学ⅠA第4問 解説図A

ここからは、
解法1 連立方程式を使った方法 解法2 頭を使わずに手を使う方法おすすめ の、2つの解法を説明する。

解法1

進む回数をx,戻る回数をy,石の移動量をnとすると、連立方程式

x+y=5式A
5x3y=n式B

ができる。

式Aより
y=5x
これを式Bに代入すると
5x3(5x)=n
より
8x=n+15
とかける。


この式に図Aの3つのパターンを当てはめると、
パターンA
n=16なので、
8x=16+15
8x=31
パターンB
n=1なので、
8x=1+15
8x=16
x=2
パターンC
n=14なので、
8x=14+15
8x=1
となる。

パターンA,パターンCは、xが整数にならないので不適。
答えは、パターンBの
x=2
である。

また、このときのyは、式Aにx=2を代入して、
y=3
となる。

以上より、5回の移動でP0からP1に動くのは、
偶数が2回、奇数が3回 出た場合だけである。

解答ア:2, イ:3

アドバイス

以上、真っ正直に解いてみた。

けれど、問題文の先を読むと
「不定方程式5x3y=1の整数解になっている」
とある。

なので、を解く前にこれを読んでいれば、図AのパターンBだけ考えればよいことが分かる。

解法2

この問題は頭を使うよりも手を使った方が早く解ける。つまり、全部書く。

5回全て奇数の目が出た場合、5回戻るので、移動量は
5×(3)=15
だ。

5回中1回偶数のときは、5回全て奇数のときと比べて、
戻るのが1回減るので、
3が1回分なくなる
進むのが1回増えるので、
+5が1回分増える
から、移動量は8増える。
なので、5回全て奇数のときの移動量に8をたして、
15+8=7
移動する。

同様に、5回のうち2回偶数のときには、78をたして、
7+8=1
移動する。

こうして、全て偶数の場合の
5×5=25
になるまで8をたし続けると、表Bができる。

表B
偶数の回数0 1 2 3 4 5
移動量15 71 9 17 25

表Bで、図Aの3つのパターンの
n=16,1,14
を探すと、当てはまるのは赤い部分のひとつだけ。

以上より、5回の移動でP0からP1に動くのは、
偶数が2回、奇数が3回 出た場合だけである。

解答ア:2, イ:3

より、
+5を2回 3を3回 の移動で1動くので、
5×23×3=1式C
とかける。

なので、は、一次不定方程式
5x3y=1
の整数解のひとつである。

(2)

不定方程式を解くときは、まず解を一組見つける。
けれど、この問題では、すでに(1)で
5x3y=1
の解のひとつが分かっているので、これを使おう。

式Cより
5×23×3=1式C
だけど、この両辺を8倍すると
5×283×38=8式C'
となるので、①の解のひとつは

x=28
y=38

だ。

あとはいつも通りの作業をする。

①から式C'を辺々引くと、

5x3y=8
)5×283×38=8
5(x28)3(y38)=0

となるから、
5(x28)=3(y38)式D
とかける。

ここで、53は互いに素なので、式Dが成り立つためには、kを整数として

x28=3k
y38=5k

でなければならない。

以上より、①の解は、

x=28+3kkは整数)式E
y=38+5k

と表せる。

解答ウ:3, エ:5


この解のうち、
0y<5
を満たすものを探す。

まず、このyの範囲をkの範囲に変えよう。

yの範囲に式Eを代入すると、
038+5k<5
より
245k<19
245k<195
とかける。

いま、kは整数なので、これを満たすk
k=4
のひとつだけ。

これを式Eに代入して、求める解は
x=28+3(4)
x=4
y=38+5(4)
y=4
である。

解答オ:4, カ:4

このとき、さいころを投げる回数は
4+4=8
回になる。

解答キ:8

(3)

はじめに、問題文の
(*) 石を反時計回りまたは時計回りに15個先の点に移動させると元の点に戻る。 について考えておこう。

偶数が3回以上出た場合、そのうちの3回は出発点に戻るのに使われているから、
偶数x+3p回の移動は、偶数x回の移動と同じ だといえる。性質A

同様に、奇数が5回以上出た場合、そのうちの5回は出発点に戻るのに使われているから、
奇数y+5q回の移動は、奇数y回の移動と同じ だといえる。性質B

(ただし、pqは整数とする)

性質A,Bが分かったところで問題を解くんだけれど、ここでは
解法1 (2)の結果を使った方法おすすめ 解法2 頭を使わずに手を使う方法 の、2つの解法を説明する。
その他、一次不定方程式や連立方程式を使った方法も考えられるけど、遠回りなので省略する。

解法1

(2)より、
偶数が4回、奇数が4式F の移動でP8に到達できる。

性質Aより、
偶数4回の移動は、偶数43回の移動と同じ なので、式Fの移動は
偶数が1回、奇数が4 の移動と同じだ。

よって、さいころの目が
偶数が1回、奇数が4回、合計5 のとき、8回より少ない回数でP8に移動できる。

解答ク:1, ケ:4, コ:5

解法2

移動回数が1回~7回の場合を、(1)の解法2の方法で全部書くと、表Cができる。

表C
偶数の回数
01234567
移動回数135
26210
391715
412441220
5157191725
6181026142230
721135311192735

かなりの作業量に見えるかも知れないけれど、8をたし続けるだけなので、表をつくるのに1分もかからない。

15以上と15以下はムダに1周以上回っているので、最小移動回数を考えるときは無視していい。
表Cの考えなくていい数を消すと、表Dになる。

表D
偶数の回数
01234567
移動回数135
26210
3917
4124412
5719
6102614
7135311

ここまできたら、ついでに表中の負の数に15をたして、点の番号にしてしまおう。
その方が見やすいし。

表E
偶数の回数
01234
移動回数1125
29210
36147
4311412
5819
6513614
7210311

いま考えているのは、P8への移動だった。
なので、表Eで8を探すと、当てはまるのは赤い部分だ。

このとき、表Eより、
移動回数が5 偶数の回数が1 なので、
奇数の回数は4 である。

解答ク:1, ケ:4, コ:5

(4)

図F
大学入学共通テスト2021年本試 数学ⅠA第4問 解説図F

最後は、選択肢の
P10P14(図F中の赤い点)
のうち、最小回数が最も大きいものを探す問題だ。

(4)では、次の3種類の解法を説明する。
解法1 一次不定方程式を使った方法 解法2 頭を使わずに手を使う方法おすすめ 解法3 推論で解く方法

解法1

まず、最初に作った
5x3y=n式B
の解を一組見つける。

式Cの両辺をn倍すると、
5×2n3×3n=n
なので、式Bの解のひとつは

x=2n式G
y=3n

である。


式Gを使ってP10P14の最小回数を求めるんだけど、その前にもうちょっと整理しておこう。

例えばP7に移動する場合を考えると、
式Gにn=7を代入して、
偶数が14回,奇数が21 出ればよいことが分かる。

この回数を性質A,Bを使って減らすと、
偶数の回数の14から、14以下で最大の3の倍数である12を引いて、
1412=2
より、
偶数2
奇数の回数の21から、21以下で最大の5の倍数である20を引いて、
2120=1
より、
偶数1
で移動できることが分かる。

この作業は、考えてみれば
偶数の回数を3で割った余り 奇数の回数を5で割った余り を求めているのと同じだ。

以上より、式Gでxyを求めて、
x3で割った余りが、偶数の回数 y5で割った余りが、奇数の回数 であることが分かる。性質C

性質Cを使って、P10P14の最小回数を求めよう。


まず、xyから。
P10P14への移動n

P10P11P12P13P14
n1011121314

なので、これを式Gに代入すると、xyは表Gのようになる。

表G
P10P11P12P13P14
x2022242628
y3033363942

性質Cより、表Gの x3で割った余り(偶数の回数) y5で割った余り(奇数の回数) を求めて、偶数と奇数の和、つまり最小回数を計算すると、表Hができる。

表H
P10P11P12P13P14
偶数の回数21021
奇数の回数03142
最小回数24163

表Hより、最小回数が最も大きいのは
P13
で、そのときの移動回数は、
6
である。

解答サ:3, シ:6

解法1の別解

あんまりお勧めじゃないけれど、P10P14の最小回数を求めずに解くこともできる。


整数を
3で割った余りは2以下 5で割った余りは4以下 だ。

このことと 性質Cより、最小回数の
偶数の回数は2以下 奇数の回数は4以下 なので、すべての点の最小回数は
6以下 であることが分かる。

よって、いま求めている点の最小回数
6
となる。

また、(3)で求めたように、P8の最小回数が5だった。
いま問われている点の最小回数はP8より大きいはずだから、
5<
である。

以上より、
5<6
なので、
=6
であることが分かる。

解答シ:6


ということで、最小回数が6になる点を探す。

最小回数が6になるのは、性質Cより、式Gの

x3で割った余りが2
y5で割った余りが4

のとき。

これに式Gを代入すると、

2n3で割った余りが2
3n5で割った余りが4

とかける。
これを満たすnを探す。


2n3で割った余りが2
より、pを整数として、
2n=3p+2式H
両辺を3倍して、
6n=9p+6式H'
とかける。

3n5で割った余りが4
より、qを整数として、
3n=5q+4
両辺を2倍して、
6n=10q+8式I
とかける。

式H'=式Iとすると、
9p+6=10q+8
より、一次不定方程式
9p10q=2式J
ができる。


p=q=1のとき、
91101=1
だけど、この両辺を2倍すると、
9(2)10(2)=2
なので、

p=2式K
q=2

は式Jの解のひとつだ。

この式Kを式Hに代入すると、
2n=3(2)+2
2n=4
n=2
となるので、求める点は、P0から
2 移動した点、つまり
P13 である。

解答サ:3

解法2

(4)は、全部書く方式の方が恐らく圧倒的に早い。


表E
偶数の回数
01234
移動回数1125
29210
36147
4311412
5819
6513614
7210311

(3)の表Eをもう一回載せておいた。
表Eにある同じ数字のうち一番上が最小回数なので、印をつける。
例えば、12は1行目(緑の部分)と4行目(青い部分)にあるけど、上にある緑の方がP12の最小回数なので、緑の方に印をつける。
すると、表Iができる。

表I
偶数の回数
01234
移動回数1125
29210
36147
4311412
5819
6513614
7210311

印をつけた(表Iでは赤くした)数は14あるので、P1P14がすべて含まれている。
このうち、一番下にあるのは13だ。

よって、最小回数が最も大きいのは
P13
で、そのときの移動回数は、
6
である。

解答サ:3, シ:6

解法3

最後に、あんまり数学的じゃない方法を載せておく。推理小説が好きな人とかには合った考え方かも知れない。
だけど、この方法が良いかどうかは別問題だ。
なので、興味がなければ読まなくても問題ない。


図J
大学入学共通テスト2021年本試 数学ⅠA第4問 解説図J

図Fの5個の点のうち、P10P12については、図Jのように
偶数2回でP10 奇数1回でP12 到達できる。

図K
大学入学共通テスト2021年本試 数学ⅠA第4問 解説図K

また、偶数1回と奇数1回で
53=2
移動するから、2回で2進める。
なので、
P12に移動した後、2回で2進んだ と考えると、P14には3回の移動で到達できる。(図K)(☆)

図L
大学入学共通テスト2021年本試 数学ⅠA第4問 解説図L

3回でP0P14に移動できるので、
3回で1戻れる。(☆☆)
なので、
P12に移動した後、3回で1戻った と考えると、P11には4回の移動で到達できる。(図L)

以上より、選択肢のうちP13以外は、4回以下の移動で到達できる。

(3)でP8の最小回数は5回と分かっているから、5回より少ないものは答えじゃない。
なので、P13以外は答えじゃない。

以上より、消去法で、最小回数が最も大きいのは
P13
である。

解答サ:3


P13の最小回数は、
P8の最小回数の5回より多くなるはず (☆)(☆☆)より、6回でP13に移動できるので、多くても6 だ。

つまり、P13の最小回数は、5より大きく6以下の整数なので、
6
であることが分かる。

解答シ:6