[E] お好みの湯加減

問題文

相異なる正の実数 $a,b,c$ が $ab^2(1-b)=bc^2(1-c)=ca^2(1-a)$ を満たして動くとき、$(1-a)(1-b)(1-c)$ の最大値は

$$\displaystyle \frac{\fbox{アイウ}+\fbox{エオ}\sqrt{\fbox{カ}}}{\fbox{キクケ}}$$

である。

解答形式

ア〜ケには、0から9までの数字、または-（マイナス）が入る。文字列「アイウエオカキクケ」を全て半角で1行目に入力せよ。ただし、それ以上約分できない形で、かつ根号の中身が最小になるように答えよ。

問題文

行列$A$を次で定義する。
$$A= \begin{pmatrix} 6& -3 & -7 & 0 & 0 & 0\\ -1 & 2 & 1 & 0 & 0 & 0\\ 5& -3 & -6 & 0 & 0 & 0\\ 0& 0 & 0 & 1 & 2 & 1\\ 0& 0 & 0 & -1 & 4 & 1\\ 0& 0 & 0 & 2 & -4 & 0\\ \end{pmatrix}$$
このとき次の実線形空間の次元を求めよ。
$$V=\{X\in M_{6}(\mathbb{R})\mid AX=XA\}$$
ただし、$M_{6}(\mathbb{R})$とは6行6列の実正方行列全体の集合である。

解答形式

半角数字で答えよ。

問題文

正の実数に対して定義され正の実数値をとる関数 $f$ が、任意の正の実数 $x,y$ に対して

$$f\left(\frac{x+y+1}{xy}\right)=\frac{f(x)f(y)}{x+y+1}$$

を満たすとき

$$f\left(\frac{11}{21}\right) = \frac{\fbox{アイウエ}}{\fbox{オカキ}}$$

である。

解答形式

ア〜キには、0から9までの数字が入る。
文字列「アイウエオカキ」を半角で1行目に入力せよ。
ただし、それ以上約分できない形で答えよ。

問題文

$a,b$を$a>1,b>1$を満たす実数とする。
$\theta$が$0\leq\theta<2\pi$の範囲を動くとき$f(\theta)=\sqrt{a^2-2a\cos\theta+1}+\sqrt{b^2-2b\sin\theta+1}$の最小値が$\sqrt{a^2+b^2}$となるような$(a,b)$の存在範囲を$ab$平面に図示したとき、その領域の面積を求めよ。

解答形式

整数または既約分数で答えてください。
半角で入力してください。

問題文

$n$ を自然数とする。置換 $\sigma\in \mathfrak{S}_n$ に対して，$\sigma$ の近道度 $m(\sigma)$ を次のように定義する。

• $\sigma$ を 互いに素な（共通元をもたない） 巡回置換の積に表したとき，各巡回置換の長さの積の逆数を $m(\sigma)$ とする。（太字部分は19:42追記）

例えば $\sigma=(1 4 2)(5 6 7)(3)\in \mathfrak{S}_7$ なら，$\sigma$ は長さ $3, 3, 1$ の巡回置換からなるから，$\sigma$ の近道度 $m(\sigma)$ は

$$m(\sigma)=\frac{1}{3\cdot 3\cdot 1}=\frac{1}{9}$$

である。自然数 $n$ に対して，${1,\cdots, n}$ の置換（これは $n!$ 通りある）の近道度の平均を

$$f_n=\frac{1}{n!}\sum_{\sigma\in \mathfrak{S}_n} m(\sigma)$$

とおく。

$$f_1=1, \; f_2=\frac{\fbox{ア}}{\fbox{イ}}, \; f_4=\frac{\fbox{ウエオ}}{\fbox{カキク}}$$

であり，

$$\sum_{n=0}^{\infty} f_n=\fbox{X}$$

である（級数が収束することは証明なしに認めてよい）。ただし $f_0=1$ と約束する。

※ $\mathfrak{S}_n$ は $n$ 次対称群を表す（19:03追記）。

解答形式

$\fbox{ア}$ 〜 $\fbox{ク}$ には 0 - 9 の数字が当てはまります。$\fbox{　X　}$にはある実数が当てはまります。空欄のある分数はすべて既約です。

• 1行目 には $\fbox{ア}$ に当てはまる数を半角で入力してください。
• 2行目 には $\fbox{イ}$ に当てはまる数を半角で入力してください。
• 3行目 には $\fbox{ウエオ}$ に当てはまる数を半角で入力してください。
• 4行目 には $\fbox{カキク}$ に当てはまる数を半角で入力してください。
• 5行目 には $\fbox{　X　}$ に当てはまる数を入力します。答えを $10$ 進小数で表し，小数第2位を四捨五入して小数第1位まで求めてください。例えば，$9.876\cdots$ が答えになる場合は 9.9 と解答してください。

ヒント

• $f_0,\cdots, f_{n-1}$ を使って $f_n$ を表すことができます。
• $f_n$ の母関数を $f(t)=\displaystyle{\sum_{n=0}^{\infty}} f_nt^n$ とおくと，$f(t)$ はとある微分方程式を満たします。

問題文

以下の文がそれぞれ正しくなるように、空欄に $0$ から $9$ までの数字を埋めよ。ただし、同じ文字の空欄には同じ文字が入る。

（１）数列 $\fbox{ア}, \fbox{イ}, \fbox{ウ}, \fbox{エ},\fbox{オ}$ には、
$0$ が $\fbox{ア}$ 回、$1$ が $\fbox{イ}$ 回、$2$ が $\fbox{ウ}$ 回、$3$ が $\fbox{エ}$ 回、$4$ が $\fbox{オ}$ 回、それぞれ現れる。

（２）数列 $\fbox{カ}, \fbox{キ}, \fbox{ク}, \fbox{ケ}, \fbox{コ}, \fbox{サ}, \fbox{シ}, \fbox{ス}, \fbox{セ}, \fbox{ソ}$ には、
$0$ が $\fbox{カ}$ 回、$1$ が $\fbox{キ}$ 回、$2$ が $\fbox{ク}$ 回、$3$ が $\fbox{ケ}$ 回、$4$ が $\fbox{コ}$ 回、
$5$ が $\fbox{サ}$ 回、$6$ が $\fbox{シ}$ 回、$7$ が $\fbox{ス}$ 回、$8$ が $\fbox{セ}$ 回、$9$ が $\fbox{ソ}$ 回、それぞれ現れる。

解答形式

ア〜ソには、0から9までの数字が入る。
（１）の答えとして、文字列「アイウエオ」を半角で1行目に入力せよ。
（２）の答えとして、文字列「カキクケコサシスセソ」を半角で2行目に入力せよ。

問題文

次のようなネットワークを考える．
・情報として「0」または「1」の状態を各ノードは保持することができる．
・各ノードは他のノードに対して一方的に情報を伝達する．
・情報の伝達の際には，ある確率pで正しく状態を伝達するが，1-pの確率で状態が反転して伝達される．ここで，このpは枝によって値が異なることに注意する．
・2つのノードから情報が伝達される場合には，両方の情報を受け取った上で，保持する状態を決定する．このとき，2本のノードから受け取った情報が一致する場合には一致した状態を保持し，異なる情報を受け取った場合には1/2の確率で「0」を保持することにする(1/2の確率で「1」を保持することにする)．
以下の図のネットワークにおいて始点の情報を終点まで伝達することを考え，始点と終点の状態が一致する確率xを求める．
ただし，矢印(枝)はノード間の情報伝達の方向を表し，枝の上に書かれている文字は正しく伝達される確率(上の説明のp)を表すものとする．

① a=2/3,b=3/4の場合のxを計算せよ．
② a=11/111,b=1/2の場合のxを計算せよ．
③ a=2/3,b=3/4の場合を考える．このネットワークはxy平面上の$3\times3$のサイズの格子点において，x軸正方向とy軸正方向に正しく情報が伝達される確率をそれぞれa,b，始点を原点，終点を点(2,2)としたものとみなせる．このとき，$n\times n$のサイズに拡張された(終点を(n,n)とする)ネットワークを考えると，$n\to \infty$とした時に，始点と終点の状態が一致する確率の収束値を求めよ．

解答形式

「分子/分母」(半角英数字)として既約分数を表せ．例)11/92
1行目に①，２行目に②，３行目に③を解答すること．

問題文

すべての複素数に対して定義され、複素数の値をとる関数 $f(z)$ は、すべての複素数 $z,w$ について

$$f(z+w)=f(z)f(w)+zw　...(*)$$

をみたすとする。以下の問いに答えよ。

⑴ すべての複素数 $z$ について $f(2)f(z)+z = f(1)f(z+1)+1$ が成り立つことを示せ。
⑵ $(*)$ をみたすような $f(z)$ をすべて求めよ。

解答形式

⑵を解答したうえで、以下の空欄ア～エに当てはまる0～9の整数を順に並べて4桁の半角数字「アイウエ」を入力せよ。根号の中身が最小になるように解答せよ。

$|f(5+11i)|$ のとりうる値のうち最大のものは$(アイ)$, 最小のものは$(ウ)\sqrt{(エ)}$ である。

問題文

（１）$\displaystyle \tan\theta=\frac{1}{4}$ のとき、$\displaystyle \tan2\theta=\frac{\fbox{ア}}{\fbox{イウ}}$ である。

（２）連立方程式

$$\begin{cases} x_1=x_2(2+x_1x_2) \\ x_2=x_3(2+x_2x_3) \\ x_3=x_4(2+x_3x_4) \\ x_4=x_1(2+x_4x_1) \end{cases}$$

を満たす実数 $(x_1,x_2,x_3,x_4)$ の組は全部で $\fbox{エオ}$ 個あり、そのうち $\tan20^\circ < x_1 < \tan80^\circ$ を満たすような組は $\fbox{カ}$ 個ある。

解答形式

ア〜カには、0から9までの数字が入る。
（１）の答えとして、文字列「アイウ」を半角で1行目に入力せよ。
（２）の答えとして、文字列「エオカ」を半角で2行目に入力せよ。

問題文

$f(x)=-16x^3+24x^2-9x+1$ とおく。以下の問いに答えよ。

⑴ 以下の式が $\theta$ の恒等式になるように空欄を埋めよ。なお、同じ文字の空欄には同じ数が入る。

$$f\left( \frac{\fbox{ア}+\sin\theta}{\fbox{イ}}\right)=\frac{\fbox{ア}+\sin(\fbox{ウ}\theta)}{\fbox{イ}}$$

⑵ 次の定積分を求めよ。
$$\int_ {0.5} ^{0.75} f(f(f(x))) dx = \frac{\fbox{エオカ}}{\fbox{キクケコ}}$$

解答形式

ア〜コには、0から9までの数字が入る。
⑴の答えとして、文字列「アイウ」をすべて半角で1行目に入力せよ。
⑵の答えとして、文字列「エオカキクケコ」をすべて半角で2行目に入力せよ。
ただし、分数はそれ以上約分できない形で答えよ。

問題文

$k$を$0$以上の実数, $e$を自然対数の底とする。数列$a_n$を
$$a_n=\frac{n!e^n}{n^{n+k}}$$
と定める。任意の自然数$n$に対して, $a_{n+1} < a_n$が成り立つような最小の$k$を求めよ。

解答形式

整数または既約分数で答えてください。

問題文

$n=0, 1,\cdots$ に対して

$$\begin{equation} I_n=\int_0^1 \frac{x^n}{\sqrt{1-x^4}}dx \end{equation}$$

と定める。この広義積分は収束することが知られている。

任意の $n=0,1,\cdots$ に対して
$$\begin{equation} I_{n+\fbox{ア}}=\frac{n+\fbox{イ}}{n+\fbox{ウ}}I_n \end{equation}$$ が成り立つ（ただし $\fbox{ア}$ は $0$ でない）。これを利用すると

$$\begin{equation} \prod_{n=1}^{\infty} \left[1-\frac{4}{(4n-1)^2}\right]=\frac{\fbox{エ}\;\pi^{\fbox{オ}}}{\alpha^{\fbox{カ}}} \end{equation}$$ が導かれる。ここで $\alpha$ は

$$\begin{equation} \alpha=\int_0^{\infty} t^{-3/4}e^{-t}dt=\Gamma\left(\frac{1}{4}\right) \end{equation}$$ で定義される定数である（この広義積分は収束することが知られている）。

注意事項

以下の事実は証明なしに用いてよい。

• 実数 $x>0$ に対して，広義積分
  $$\begin{equation} \Gamma(x) := \int_0^{\infty} t^{x-1}e^{-t}\;dt \end{equation}$$ は収束する。
• 実数 $x>0$ に対して
  $$\begin{equation} \Gamma(x+1)=x\Gamma(x) \end{equation}$$ が成り立つ。
• 実数 $x, y>0$ に対して
  $$\begin{equation} \frac{\Gamma(x)\Gamma(y)}{\Gamma(x+y)}=\int_0^1 t^{x-1}(1-t)^{y-1}\;dt \end{equation}$$ が成り立つ。ただし，右辺の広義積分は収束することが知られている。
• 実数 $0<x<1$ に対して
  $$\begin{equation} \Gamma(x)\Gamma(1-x)=\frac{\pi}{\sin\pi x} \end{equation}$$ が成り立つ（相反公式）。

解答形式

$\fbox{ア}$ 〜 $\fbox{カ}$ には，半角数字 0 - 9 のいずれかが当てはまります。$\fbox{ア}$ 〜 $\fbox{カ}$ に当てはまるものを，改行区切りで入力してください。