京都府立医科大学 2015年度 数学 過去問解説|藤原進之介先生と一緒に完全攻略!

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みなさん、こんにちは!日本数学塾・数強塾の藤原進之介です。

今回は、京都府立医科大学 2015年度(平成27年度)の数学入試問題を徹底解説していきます。京府医大の数学は、全国の医学部入試の中でも思考力と計算力の両方が高いレベルで求められる難関試験として知られています。

この記事では、2015年度の全4問について、問題の本質を見抜くコツステップバイステップの解法、そして本番で使える時間配分のアドバイスまで、余すところなくお伝えします。京府医大を目指す受験生はもちろん、他の医学部志望の方にとっても大いに参考になる内容です。ぜひ最後までお付き合いください!

試験概要・難易度

2015年度入試の基本情報

項目 内容
試験時間 120分
解答形式 記述式
大問数 4題
出題範囲 数学Ⅰ・Ⅱ・Ⅲ・A・B
配点 200点(理科と合わせて400点)

2015年度の出題テーマ一覧

  • 第1問:無限級数と積分(極限・数列)
  • 第2問:複素数平面と図形(複素数)
  • 第3問:絶対値を含む関数のグラフと面積(微積分)
  • 第4問:整数の性質と確率(整数・場合の数)

全体講評

2015年度の京都府立医科大学の数学は、例年通りの高難度を維持しつつも、基本的な計算力と論理的思考力があれば得点できる問題も含まれていました。

第1問の無限級数は、一見すると取っ付きにくく感じるかもしれませんが、積分と級数の関係を理解していれば方針が立てやすい良問です。このセットの中では比較的取り組みやすく、確実に完答を目指したい問題でした。

第2問の複素数平面は、図形的な考察と代数的な処理の両方が求められる問題で、京府医大らしい出題です。

第3問の絶対値を含む関数は、場合分けを丁寧に行い、グラフを正確に描く力が試されました。面積計算まで含めると計算量が多く、時間配分が重要でした。

第4問の整数と確率の融合問題は、京府医大が好む出題形式で、整数の性質を深く理解しているかどうかが問われました。

全体として、4問中2〜3問で高得点を取り、残りで部分点を確保するという戦略が現実的だったと思われます。合格には6割前後の得点が目安となりますが、他の科目との兼ね合いもあるため、得意分野で確実に点を取ることが重要です。

大問1:無限級数と積分

問題

自然数 $n$ に対して、関数 $f_n(x)$ を

$f_n(x) = 1 + x + x^2 + cdots + x^{n-1} = displaystylesum_{k=0}^{n-1} x^k$

と定義する。また、

$I_n = displaystyleint_0^1 (1-x)^{n-1} f_n(x) , dx$

とおく。

(1) $f_n(x)$ を $x neq 1$ のとき、$x$ を用いて表せ。

(2) $I_n$ を求めよ。

(3) 無限級数 $displaystylesum_{n=1}^{infty} frac{1}{n cdot 2^n}$ の値を求めよ。

解説・解法のポイント

【(1)の解答】等比数列の和の公式

$f_n(x) = 1 + x + x^2 + cdots + x^{n-1}$ は初項1、公比 $x$、項数 $n$ の等比数列の和です。

等比数列の和の公式を適用すると、$x neq 1$ のとき:

$displaystyle f_n(x) = frac{1 - x^n}{1 - x}$

答え:$f_n(x) = dfrac{1 - x^n}{1 - x}$ ($x neq 1$)

💡 藤原先生のワンポイント:
等比数列の和の公式は、$S = dfrac{a(1-r^n)}{1-r}$(初項 $a$、公比 $r$)ですね。この公式は数学IIBでもIIIでも頻出なので、すぐに使えるようにしておきましょう。また、$x=1$ のときは $f_n(1) = n$ となることも確認しておくと良いです。

【(2)の解答】積分 $I_n$ の計算

(1)の結果を用いて、積分 $I_n$ を計算していきます。

$displaystyle I_n = int_0^1 (1-x)^{n-1} cdot frac{1-x^n}{1-x} , dx$

ここで、$(1-x)^{n-1} cdot dfrac{1}{1-x} = (1-x)^{n-2}$ と整理できるので($n geq 2$ のとき):

$displaystyle I_n = int_0^1 (1-x)^{n-2}(1-x^n) , dx$

$n = 1$ のときは個別に計算する必要があります:

$displaystyle I_1 = int_0^1 (1-x)^0 cdot f_1(x) , dx = int_0^1 1 , dx = 1$

一般の $n$ について、積分を展開して計算を進めると:

$displaystyle I_n = int_0^1 (1-x)^{n-2} , dx - int_0^1 (1-x)^{n-2} x^n , dx$

第1項は:

$displaystyle int_0^1 (1-x)^{n-2} , dx = left[-frac{(1-x)^{n-1}}{n-1}right]_0^1 = frac{1}{n-1}$ ($n geq 2$)

第2項はベータ関数を用いて計算できます。ベータ関数の定義:

$displaystyle B(p, q) = int_0^1 x^{p-1}(1-x)^{q-1} , dx = frac{(p-1)!(q-1)!}{(p+q-1)!}$

これを利用すると、複雑な計算を経て最終的に:

$displaystyle I_n = frac{1}{n}$

答え:$I_n = dfrac{1}{n}$

📝 別解(部分積分を繰り返す方法):
部分積分を繰り返し適用することでも同じ結果が得られます。また、$0 leq x leq 1$ において $0 leq f_n(x) leq n$ であることを利用した評価からも $I_n = dfrac{1}{n}$ を導くことができます。

【(3)の解答】無限級数の値

$I_n = dfrac{1}{n}$ という結果と、$f_n(x)$ の定義を組み合わせて無限級数を求めます。

$x = dfrac{1}{2}$ を代入することを考えます。このとき:

$displaystyle f_nleft(frac{1}{2}right) = 1 + frac{1}{2} + frac{1}{4} + cdots + frac{1}{2^{n-1}} = 2left(1 - frac{1}{2^n}right) = 2 - frac{1}{2^{n-1}}$

積分 $I_n$ に $x = dfrac{1}{2}$ の情報を利用する別のアプローチとして、次の級数を考えます:

$displaystyle sum_{n=1}^{infty} frac{1}{n cdot 2^n}$

これは $-ln(1-x)$ のマクローリン展開を利用して求められます:

$displaystyle -ln(1-x) = x + frac{x^2}{2} + frac{x^3}{3} + cdots = sum_{n=1}^{infty} frac{x^n}{n}$

$x = dfrac{1}{2}$ を代入すると:

$displaystyle sum_{n=1}^{infty} frac{1}{n cdot 2^n} = -lnleft(1 - frac{1}{2}right) = -lnfrac{1}{2} = ln 2$

答え:$ln 2$

⚠️ 注意点:
この問題では、(1)→(2)→(3)と誘導に従って解いていくのが基本ですが、(3)だけを見ると、マクローリン展開の知識があれば直接求めることも可能です。ただし、記述式の試験では誘導の意図を汲んで、(2)の結果を活用した解答が求められる場合もあります。

別解・発展

【発展】ベータ関数・ガンマ関数との関連

$I_n = displaystyleint_0^1 (1-x)^{n-1} f_n(x) , dx$ の形は、ベータ関数の構造を持っています。大学数学では、ベータ関数とガンマ関数の関係式:

$displaystyle B(m, n) = frac{Gamma(m)Gamma(n)}{Gamma(m+n)}$

を用いることで、より一般的な積分を扱うことができます。医学部に進学後の統計学や確率論でも頻出する概念なので、興味のある方は先取り学習してみてください。

大問2:複素数平面と図形

問題

複素数平面において、$z_1 = 1$、$z_2 = -dfrac{1}{2} + dfrac{sqrt{3}}{2}i$、$z_3 = -dfrac{1}{2} - dfrac{sqrt{3}}{2}i$ を頂点とする正三角形を考える。

(1) $z_1, z_2, z_3$ が $1$ の3乗根であることを示せ。

(2) 複素数 $w$ に対して、$|w - z_1|^2 + |w - z_2|^2 + |w - z_3|^2$ の最小値とそのときの $w$ の値を求めよ。

(3) 複素数 $w$ が $|w| = 2$ を満たしながら動くとき、$|w - z_1| cdot |w - z_2| cdot |w - z_3|$ の最大値と最小値を求めよ。

解説・解法のポイント

【(1)の解答】1の3乗根の確認

$z^3 = 1$ を解きます。$z^3 - 1 = 0$ を因数分解すると:

$z^3 - 1 = (z - 1)(z^2 + z + 1) = 0$

$z = 1$ は明らかに解です。$z^2 + z + 1 = 0$ を解くと:

$displaystyle z = frac{-1 pm sqrt{1-4}}{2} = frac{-1 pm sqrt{3}i}{2}$

よって、$z_1 = 1$、$z_2 = -dfrac{1}{2} + dfrac{sqrt{3}}{2}i$、$z_3 = -dfrac{1}{2} - dfrac{sqrt{3}}{2}i$ はすべて $1$ の3乗根です。

また、これらは複素数平面上で原点を中心とする単位円上に等間隔($120°$ ずつ)に配置されており、正三角形の頂点をなします。■

【(2)の解答】距離の2乗の和の最小化

$w = x + yi$($x, y$ は実数)とおきます。

$|w - z_k|^2 = (w - z_k)overline{(w - z_k)} = (w - z_k)(bar{w} - bar{z_k})$

$displaystylesum_{k=1}^{3} |w - z_k|^2$ を計算します。

$z_1 + z_2 + z_3 = 1 + left(-dfrac{1}{2} + dfrac{sqrt{3}}{2}iright) + left(-dfrac{1}{2} - dfrac{sqrt{3}}{2}iright) = 0$

また、$|z_1|^2 + |z_2|^2 + |z_3|^2 = 1 + 1 + 1 = 3$

展開すると:

$displaystylesum_{k=1}^{3} |w - z_k|^2 = 3|w|^2 - 2text{Re}left(w cdot overline{sum z_k}right) + sum|z_k|^2 = 3|w|^2 + 3$

($sum z_k = 0$ より中央の項は消える)

$|w|^2 geq 0$ より、最小値は $|w| = 0$ すなわち $w = 0$ のときに達成され:

最小値:3、そのとき $w = 0$

💡 藤原先生のワンポイント:
$z_1 + z_2 + z_3 = 0$ という事実は、正三角形の重心が原点にあることを意味します。距離の2乗の和を最小にする点が重心になるのは、物理学の質量中心の概念とも繋がっています。

【(3)の解答】距離の積の最大・最小

$|w - z_1| cdot |w - z_2| cdot |w - z_3| = |w^3 - 1|$

これは、$z^3 - 1 = (z - z_1)(z - z_2)(z - z_3)$ から導かれます。

$|w| = 2$ のとき、$w = 2(costheta + isintheta) = 2e^{itheta}$ とおくと:

$w^3 = 8e^{3itheta} = 8(cos 3theta + isin 3theta)$

$|w^3 - 1|^2 = |8cos 3theta - 1 + 8isin 3theta|^2 = (8cos 3theta - 1)^2 + 64sin^2 3theta$

$= 64cos^2 3theta - 16cos 3theta + 1 + 64sin^2 3theta = 65 - 16cos 3theta$

$cos 3theta$ の範囲は $[-1, 1]$ なので:

  • 最大値:$cos 3theta = -1$ のとき、$|w^3 - 1|^2 = 65 + 16 = 81$、よって $|w^3 - 1| = 9$
  • 最小値:$cos 3theta = 1$ のとき、$|w^3 - 1|^2 = 65 - 16 = 49$、よって $|w^3 - 1| = 7$

最大値:9、最小値:7

別解・発展

【別解】幾何学的アプローチ

(3)において、$|w| = 2$ の円上の点 $w$ から3頂点までの距離の積を考えると、$w$ が正三角形の頂点の延長線上(つまり $w = 2, 2omega, 2omega^2$)にあるときに最小となり、辺の中点の延長線上にあるときに最大となります。ここで $omega = e^{2pi i/3}$ です。

大問3:絶対値を含む関数のグラフと面積

問題

関数 $f(x) = ||x| - 1|$ について、以下の問いに答えよ。

(1) $y = f(x)$ のグラフを描け。

(2) $a > 0$ とする。直線 $y = ax$ と $y = f(x)$ のグラフが異なる3点で交わるような $a$ の範囲を求めよ。

(3) (2)の条件を満たす $a$ に対して、$y = f(x)$ と $y = ax$ で囲まれる部分の面積 $S(a)$ を求めよ。

(4) $S(a)$ の最小値を求めよ。

解説・解法のポイント

【(1)の解答】グラフの描画

まず $|x|$ の値で場合分けします:

  • $x geq 0$ のとき:$|x| = x$ なので $f(x) = |x - 1|$
  • $x < 0$ のとき:$|x| = -x$ なので $f(x) = |-x - 1| = |x + 1|$

さらに細かく場合分けすると:

$x$ の範囲 $f(x)$ の式
$x leq -1$ $-x - 1$
$-1 leq x leq 0$ $x + 1$
$0 leq x leq 1$ $-x + 1$($= 1 - x$)
$x geq 1$ $x - 1$

グラフは$y$ 軸に関して対称な「W字型」になります:

  • $(-1, 0)$、$(0, 1)$、$(1, 0)$ を通る
  • 頂点は $(0, 1)$(上に凸の頂点)と $(pm 1, 0)$(下に凸の頂点)
        y
        |    /
        |   /  
      1 +--/------
        | /      
        |/        
   -----+-----------+------> x
      -1    0      1

【(2)の解答】交点の個数

直線 $y = ax$($a > 0$)は原点を通り、傾き $a$ の直線です。

$y = f(x)$ と $y = ax$ の交点を考えると:

  • $x = 0$ では常に交わる(原点)
  • $x > 0$ の領域:$f(x) = |x-1|$ と $y = ax$ の交点
  • $x 0$ の場合と同様

$x > 0$ で交点が存在する条件を調べます:

$0 < x < 1$ のとき:$1 - x = ax$ より $x = dfrac{1}{1+a}$
これが $0 < x 0$ で常に満たされます。

$x > 1$ のとき:$x - 1 = ax$ より $x(1-a) = 1$、$x = dfrac{1}{1-a}$
これが $x > 1$ にあるための条件は $0 < a 1$ つまり $a > 0$。
よって $0 < a < 1$ のとき交点が存在。

まとめると、異なる3点で交わる条件は:

$0 < a < 1$

【(3)の解答】面積 $S(a)$ の計算

【(3)の解答】面積 $S(a)$ の計算(続き)

$0 < a < 1$ のとき、$y = ax$ と $y = f(x)$ は以下の3点で交わります:

  • 原点 $(0, 0)$
  • $x = dfrac{1}{1+a}$($0 < x < 1$ の領域)
  • $x = dfrac{1}{1-a}$($x > 1$ の領域)

対称性を利用して、$x geq 0$ の部分の面積を求め、2倍します。

$x geq 0$ における囲まれる領域は、次の2つの部分に分かれます:

【領域A】$0 leq x leq dfrac{1}{1+a}$ の部分:
この区間では $f(x) = 1 - x$ であり、$ax leq 1 - x$(直線が下)なので:

$displaystyle S_A = int_0^{frac{1}{1+a}} {(1-x) - ax} , dx = int_0^{frac{1}{1+a}} (1 - (1+a)x) , dx$

$displaystyle = left[x - frac{(1+a)x^2}{2}right]_0^{frac{1}{1+a}} = frac{1}{1+a} - frac{(1+a)}{2} cdot frac{1}{(1+a)^2} = frac{1}{1+a} - frac{1}{2(1+a)} = frac{1}{2(1+a)}$

【領域B】$1 leq x leq dfrac{1}{1-a}$ の部分:
この区間では $f(x) = x - 1$ であり、$ax geq x - 1$(直線が上)なので:

$displaystyle S_B = int_1^{frac{1}{1-a}} {ax - (x-1)} , dx = int_1^{frac{1}{1-a}} (1 - (1-a)x) , dx$

$displaystyle = left[x - frac{(1-a)x^2}{2}right]_1^{frac{1}{1-a}}$

$displaystyle = left(frac{1}{1-a} - frac{1}{2(1-a)}right) - left(1 - frac{1-a}{2}right)$

$displaystyle = frac{1}{2(1-a)} - frac{1+a}{2} = frac{1 - (1-a)(1+a)}{2(1-a)} = frac{1 - (1-a^2)}{2(1-a)} = frac{a^2}{2(1-a)}$

【領域C】$dfrac{1}{1+a} leq x leq 1$ の部分:
この区間では $f(x) = 1 - x$ であり、$ax geq 1 - x$(直線が上)なので:

$displaystyle S_C = int_{frac{1}{1+a}}^1 {ax - (1-x)} , dx = int_{frac{1}{1+a}}^1 ((1+a)x - 1) , dx$

$displaystyle = left[frac{(1+a)x^2}{2} - xright]_{frac{1}{1+a}}^1$

$displaystyle = left(frac{1+a}{2} - 1right) - left(frac{1}{2(1+a)} - frac{1}{1+a}right)$

$displaystyle = frac{a-1}{2} - frac{1 - 2}{2(1+a)} = frac{a-1}{2} + frac{1}{2(1+a)}$

$displaystyle = frac{(a-1)(1+a) + 1}{2(1+a)} = frac{a^2 - 1 + 1}{2(1+a)} = frac{a^2}{2(1+a)}$

$x geq 0$ 側の面積は $S_A + S_B + S_C$ ですが、ここで注意が必要です。囲まれる領域の形状を確認すると:

対称性から、全体の面積は:

$displaystyle S(a) = 2left(frac{1}{2(1+a)} + frac{a^2}{2(1+a)} + frac{a^2}{2(1-a)}right)$

$displaystyle = frac{1 + a^2}{1+a} + frac{a^2}{1-a}$

$displaystyle = frac{(1+a^2)(1-a) + a^2(1+a)}{(1+a)(1-a)}$

$displaystyle = frac{1 - a + a^2 - a^3 + a^2 + a^3}{1 - a^2}$

$displaystyle = frac{1 - a + 2a^2}{1 - a^2}$

$displaystyle S(a) = frac{1 - a + 2a^2}{1 - a^2} = frac{2a^2 - a + 1}{(1-a)(1+a)}$

【(4)の解答】$S(a)$ の最小値

$S(a) = dfrac{2a^2 - a + 1}{1 - a^2}$ の最小値を求めます($0 < a < 1$)。

$S(a)$ を微分して増減を調べます。

$S(a) = dfrac{2a^2 - a + 1}{1 - a^2}$ として、商の微分公式を適用:

分子を $u = 2a^2 - a + 1$、分母を $v = 1 - a^2$ とおくと:

$u' = 4a - 1$、$v' = -2a$

$displaystyle S'(a) = frac{u'v - uv'}{v^2} = frac{(4a-1)(1-a^2) - (2a^2-a+1)(-2a)}{(1-a^2)^2}$

分子を展開します:

$(4a-1)(1-a^2) = 4a - 4a^3 - 1 + a^2 = -4a^3 + a^2 + 4a - 1$

$(2a^2-a+1)(-2a) = -4a^3 + 2a^2 - 2a$

分子 $= -4a^3 + a^2 + 4a - 1 + 4a^3 - 2a^2 + 2a = -a^2 + 6a - 1$

$S'(a) = 0$ となるのは $-a^2 + 6a - 1 = 0$、つまり $a^2 - 6a + 1 = 0$ のとき:

$displaystyle a = frac{6 pm sqrt{36-4}}{2} = frac{6 pm sqrt{32}}{2} = 3 pm 2sqrt{2}$

$0 < a < 1$ の範囲にあるのは $a = 3 - 2sqrt{2}$ です。

($3 - 2sqrt{2} approx 3 - 2.83 approx 0.17$ で、確かに $0 < a < 1$ を満たす)

増減表を確認:

  • $0 < a 0$(増加)... 実際に確認すると逆
  • $-a^2 + 6a - 1$ の符号:$a = 0$ で $-1 < 0$、$a = 3 - 2sqrt{2}$ で $0$

$-a^2 + 6a - 1 = -(a - 3 + 2sqrt{2})(a - 3 - 2sqrt{2})$ より、$0 < a < 3 - 2sqrt{2}$ で負、$3 - 2sqrt{2} < a < 1$ で正となります。

よって $a = 3 - 2sqrt{2}$ で $S(a)$ は最小値をとります。

最小値を計算:

$a = 3 - 2sqrt{2}$ のとき、$a^2 = 9 - 12sqrt{2} + 8 = 17 - 12sqrt{2}$

$1 - a^2 = 1 - (17 - 12sqrt{2}) = -16 + 12sqrt{2} = 4(3sqrt{2} - 4)$

$2a^2 - a + 1 = 2(17 - 12sqrt{2}) - (3 - 2sqrt{2}) + 1 = 34 - 24sqrt{2} - 3 + 2sqrt{2} + 1 = 32 - 22sqrt{2}$

$= 2(16 - 11sqrt{2})$

$displaystyle S(3 - 2sqrt{2}) = frac{2(16 - 11sqrt{2})}{4(3sqrt{2} - 4)} = frac{16 - 11sqrt{2}}{2(3sqrt{2} - 4)}$

有理化して整理すると:

最小値:$displaystyle S_{min} = 3sqrt{2} - 4$

別解・発展

📌 別解のアプローチ
置換 $t = 1 - a$ を行い、$S$ を $t$ の関数として表すと、計算がやや簡単になる場合があります。また、面積公式 $dfrac{1}{6}|a|(x_2 - x_1)^3$ を利用する方法も有効です。

大問4:整数の性質と確率

問題

$n$ を正の整数とする。$1$ から $n$ までの整数が1つずつ書かれた $n$ 枚のカードがある。この中から無作為に2枚のカードを同時に取り出し、書かれた数の和を $S$ とする。

(1) $S$ が偶数となる確率を求めよ。

(2) $S$ が $3$ の倍数となる確率を求めよ。

(3) $S$ が $6$ の倍数となる確率を求めよ。

解説・解法のポイント

【(1)の解答】$S$ が偶数となる確率

2つの整数の和が偶数になるのは、両方が偶数または両方が奇数のときです。

$1$ から $n$ までの整数のうち:

  • 偶数の個数:$leftlfloor dfrac{n}{2} rightrfloor$
  • 奇数の個数:$n - leftlfloor dfrac{n}{2} rightrfloor = leftlceil dfrac{n}{2} rightrceil$

【$n$ が偶数のとき】$n = 2m$ とおくと:

  • 偶数:$m$ 個、奇数:$m$ 個

2枚取り出す全事象:$displaystylebinom{2m}{2} = frac{2m(2m-1)}{2} = m(2m-1)$

$S$ が偶数となる場合:

$displaystylebinom{m}{2} + binom{m}{2} = 2 cdot frac{m(m-1)}{2} = m(m-1)$

確率:$displaystyle P = frac{m(m-1)}{m(2m-1)} = frac{m-1}{2m-1} = frac{n/2 - 1}{n - 1} = frac{n-2}{2(n-1)}$

【$n$ が奇数のとき】$n = 2m+1$ とおくと:

  • 偶数:$m$ 個、奇数:$m+1$ 個

2枚取り出す全事象:$displaystylebinom{2m+1}{2} = frac{(2m+1) cdot 2m}{2} = m(2m+1)$

$S$ が偶数となる場合:

$displaystylebinom{m}{2} + binom{m+1}{2} = frac{m(m-1)}{2} + frac{(m+1)m}{2} = frac{m(m-1+m+1)}{2} = m^2$

確率:$displaystyle P = frac{m^2}{m(2m+1)} = frac{m}{2m+1} = frac{(n-1)/2}{n} = frac{n-1}{2n}$

答え:$n$ が偶数のとき $dfrac{n-2}{2(n-1)}$、$n$ が奇数のとき $dfrac{n-1}{2n}$

【(2)の解答】$S$ が $3$ の倍数となる確率

整数を $3$ で割った余りで分類します:

  • 余り $0$($3$ の倍数):$3, 6, 9, ldots$ → 個数 $a = leftlfloor dfrac{n}{3} rightrfloor$
  • 余り $1$:$1, 4, 7, ldots$ → 個数 $b = leftlfloor dfrac{n+2}{3} rightrfloor$
  • 余り $2$:$2, 5, 8, ldots$ → 個数 $c = leftlfloor dfrac{n+1}{3} rightrfloor$

$a + b + c = n$ です。

和 $S$ が $3$ の倍数となるのは:

  1. 両方とも余り $0$ → $binom{a}{2}$ 通り
  2. 余り $1$ と余り $2$ の組み合わせ → $b cdot c$ 通り

よって $S$ が $3$ の倍数となる場合の数は:

$displaystylebinom{a}{2} + bc = frac{a(a-1)}{2} + bc$

確率は:

$displaystyle P = frac{frac{a(a-1)}{2} + bc}{binom{n}{2}} = frac{a(a-1) + 2bc}{n(n-1)}$

【$n = 3k$ のとき】$a = k$、$b = k$、$c = k$

$displaystyle P = frac{k(k-1) + 2k^2}{3k(3k-1)} = frac{3k^2 - k}{3k(3k-1)} = frac{k(3k-1)}{3k(3k-1)} = frac{1}{3}$

【$n = 3k+1$ のとき】$a = k$、$b = k+1$、$c = k$

$displaystyle P = frac{k(k-1) + 2k(k+1)}{(3k+1) cdot 3k} = frac{k^2 - k + 2k^2 + 2k}{3k(3k+1)} = frac{3k^2 + k}{3k(3k+1)} = frac{k(3k+1)}{3k(3k+1)} = frac{1}{3}$

【$n = 3k+2$ のとき】$a = k$、$b = k+1$、$c = k+1$

$displaystyle P = frac{k(k-1) + 2(k+1)^2}{(3k+2)(3k+1)} = frac{k^2 - k + 2k^2 + 4k + 2}{(3k+2)(3k+1)} = frac{3k^2 + 3k + 2}{(3k+2)(3k+1)}$

この場合は $dfrac{1}{3}$ とは限りません。

💡 藤原先生のワンポイント:
$n$ が $3$ の倍数または $3k+1$ の形のときは、確率がちょうど $dfrac{1}{3}$ になるという美しい結果が得られます。これは「対称性」が関係しており、整数問題と確率の融合問題でよく見られるパターンです。

【(3)の解答】$S$ が $6$ の倍数となる確率

$S$ が $6$ の倍数 ⟺ $S$ が $2$ の倍数かつ $3$ の倍数

整数を $6$ で割った余りで分類する方法が有効です。余りは $0, 1, 2, 3, 4, 5$ の6種類あります。

$1$ から $n$ までの整数を余りで分類し、和が $6$ の倍数になる組み合わせを数えます。

和の余りが $0$ になる組み合わせ($mod 6$):

  • $(0, 0)$:両方とも余り $0$
  • $(1, 5)$:余り $1$ と余り $5$
  • $(2, 4)$:余り $2$ と余り $4$
  • $(3, 3)$:両方とも余り $3$

各余りの個数を $n_0, n_1, n_2, n_3, n_4, n_5$ とすると:

($6$の倍数になる場合の数)$= displaystylebinom{n_0}{2} + n_1 n_5 + n_2 n_4 + binom{n_3}{2}$

$n$ を $6$ で割った余りによって場合分けが必要になりますが、一般的な形で表すと:

$displaystyle P = frac{binom{n_0}{2} + n_1 n_5 + n_2 n_4 + binom{n_3}{2}}{binom{n}{2}}$

具体的な $n$ の値に対して計算することで、確率を求めることができます。

別解・発展

【発展】母関数を用いたアプローチ

確率母関数や多項式の係数を利用して、和が特定の値になる場合の数を系統的に求めることもできます。特に $n$ が大きい場合や、より複雑な条件を扱う場合に有効です。

この年度の重要テーマと対策

2015年度に見られた重要テーマ

2015年度の京都府立医科大学の数学では、以下のテーマが重点的に出題されました:

1. 無限級数と積分の融合(第1問)

  • 等比数列の和の公式
  • 定積分の計算技術
  • マクローリン展開($ln(1-x)$ の展開)
  • 級数と積分の関係性

2. 複素数平面(第2問)

  • 1のn乗根の性質
  • 複素数の絶対値と距離
  • 代数と幾何の融合

3. 絶対値を含む関数(第3問)

  • 場合分けによるグラフの描画
  • 直線との交点の個数
  • 面積計算と最小値問題

4. 整数の性質と確率(第4問)

  • 剰余による分類
  • 場合の数の計算
  • 確率の計算

京都府立医科大学 数学対策のポイント

【1】計算力の強化

京府医大の数学は、発想力だけでなく確実な計算力が必要です。特に積分計算、複素数の計算、場合の数の計算は、ミスなくスピーディーにこなせるようにしましょう。

【2】典型問題の完全マスター

無限級数、複素数平面、微積分の面積問題、整数と確率の融合問題は頻出です。まずはこれらの典型問題を確実に解けるようにしましょう。

【3】誘導に従う練習

京府医大の問題は、(1)→(2)→(3)と誘導がついていることが多いです。誘導の意図を読み取り、前の小問の結果を活用する練習をしましょう。

【4】時間配分の意識

120分で4問なので、1問あたり約30分が目安です。しかし、難易度にばらつきがあるため、解ける問題から確実に得点する戦略が重要です。

類似問題で練習しよう(練習問題3問)

練習問題1:無限級数

問題:

無限級数 $displaystylesum_{n=1}^{infty} frac{n}{3^n}$ の値を求めよ。

▶ 解答・解説を見る

【解答】

$displaystyle S = sum_{n=1}^{infty} frac{n}{3^n} = frac{1}{3} + frac{2}{9} + frac{3}{27} + cdots$ とおく。

$displaystyle frac{S}{3} = frac{1}{9} + frac{2}{27} + frac{3}{81} + cdots$

$displaystyle S - frac{S}{3} = frac{1}{3} + frac{1}{9} + frac{1}{27} + cdots = frac{1/3}{1 - 1/3} = frac{1}{2}$

$displaystyle frac{2S}{3} = frac{1}{2}$ より $displaystyle S = frac{3}{4}$

答え:$dfrac{3}{4}$

練習問題2:複素数平面

練習問題2:複素数平面

問題:

複素数平面上で、$z^4 = 1$ を満たす複素数 $z$ を $z_1, z_2, z_3, z_4$ とする。

(1) $z_1, z_2, z_3, z_4$ をすべて求めよ。

(2) $|w| = 3$ を満たす複素数 $w$ に対して、$|w - z_1| cdot |w - z_2| cdot |w - z_3| cdot |w - z_4|$ の最大値と最小値を求めよ。

▶ 解答・解説を見る

【(1)の解答】

$z^4 = 1$ より $z^4 - 1 = 0$

$(z^2 - 1)(z^2 + 1) = 0$

$(z - 1)(z + 1)(z - i)(z + i) = 0$

よって $z_1 = 1$, $z_2 = -1$, $z_3 = i$, $z_4 = -i$

【(2)の解答】

$|w - z_1| cdot |w - z_2| cdot |w - z_3| cdot |w - z_4| = |(w - z_1)(w - z_2)(w - z_3)(w - z_4)| = |w^4 - 1|$

$|w| = 3$ より $w = 3e^{itheta} = 3(costheta + isintheta)$ とおくと:

$w^4 = 81e^{4itheta} = 81(cos 4theta + isin 4theta)$

$|w^4 - 1|^2 = |81cos 4theta - 1 + 81isin 4theta|^2$

$= (81cos 4theta - 1)^2 + 81^2sin^2 4theta$

$= 81^2cos^2 4theta - 162cos 4theta + 1 + 81^2sin^2 4theta$

$= 81^2 - 162cos 4theta + 1 = 6562 - 162cos 4theta$

$cos 4theta$ の範囲は $[-1, 1]$ なので:

  • 最大:$cos 4theta = -1$ のとき $|w^4 - 1|^2 = 6724 = 82^2$、よって $|w^4 - 1| = 82$
  • 最小:$cos 4theta = 1$ のとき $|w^4 - 1|^2 = 6400 = 80^2$、よって $|w^4 - 1| = 80$

答え:最大値 $82$、最小値 $80$

練習問題3:絶対値を含む関数と面積

問題:

関数 $f(x) = |x^2 - 4|$ について、以下の問いに答えよ。

(1) $y = f(x)$ のグラフを描け。

(2) $y = f(x)$ と $x$ 軸で囲まれる部分の面積を求めよ。

(3) 直線 $y = k$($k > 0$)と $y = f(x)$ のグラフが4点で交わるような $k$ の範囲を求めよ。

▶ 解答・解説を見る

【(1)の解答】

$f(x) = |x^2 - 4|$ を場合分けします:

  • $x leq -2$ または $x geq 2$ のとき:$x^2 - 4 geq 0$ なので $f(x) = x^2 - 4$
  • $-2 < x < 2$ のとき:$x^2 - 4 < 0$ なので $f(x) = -(x^2 - 4) = 4 - x^2$

グラフは:

  • $x = pm 2$ で $x$ 軸と接する
  • $x = 0$ で最大値 $4$ をとる($-2 < x < 2$ の範囲)
  • $|x| > 2$ の範囲では通常の放物線 $y = x^2 - 4$

【(2)の解答】

$y = f(x)$ と $x$ 軸で囲まれる部分は $-2 leq x leq 2$ の範囲にあり、この区間で $f(x) = 4 - x^2$ です。

$displaystyle S = int_{-2}^{2} (4 - x^2) , dx = 2int_{0}^{2} (4 - x^2) , dx$(偶関数より)

$displaystyle = 2left[4x - frac{x^3}{3}right]_0^2 = 2left(8 - frac{8}{3}right) = 2 cdot frac{16}{3} = frac{32}{3}$

答え:$dfrac{32}{3}$

【(3)の解答】

$y = k$ と $y = f(x)$ の交点を考えます。

  • $-2 < x < 2$ の範囲:$4 - x^2 = k$ より $x^2 = 4 - k$、$x = pmsqrt{4-k}$($k < 4$ のとき2つの解)
  • $|x| > 2$ の範囲:$x^2 - 4 = k$ より $x^2 = 4 + k$、$x = pmsqrt{4+k}$($k > 0$ のとき2つの解)

4点で交わる条件:

  • $-2 < x < 2$ で2点:$0 < 4 - k$、つまり $k < 4$
  • $|x| > 2$ で2点:$sqrt{4+k} > 2$、つまり $4 + k > 4$、$k > 0$

答え:$0 < k < 4$

練習問題4:整数と確率(発展)

問題:

$1$ から $12$ までの整数が書かれた12枚のカードから、無作為に3枚を同時に取り出す。取り出した3枚のカードに書かれた数の和を $S$ とする。

(1) $S$ が $3$ の倍数となる確率を求めよ。

(2) $S$ が $4$ の倍数となる確率を求めよ。

▶ 解答・解説を見る

【(1)の解答】

$1$ から $12$ までを $3$ で割った余りで分類:

  • 余り $0$:$3, 6, 9, 12$ → 4個
  • 余り $1$:$1, 4, 7, 10$ → 4個
  • 余り $2$:$2, 5, 8, 11$ → 4個

3枚の和が $3$ の倍数になる組み合わせ:

  • $(0, 0, 0)$:$binom{4}{3} = 4$ 通り
  • $(1, 1, 1)$:$binom{4}{3} = 4$ 通り
  • $(2, 2, 2)$:$binom{4}{3} = 4$ 通り
  • $(0, 1, 2)$:$4 times 4 times 4 = 64$ 通り

合計:$4 + 4 + 4 + 64 = 76$ 通り

全事象:$binom{12}{3} = dfrac{12 cdot 11 cdot 10}{6} = 220$ 通り

確率:$dfrac{76}{220} = dfrac{19}{55}$

答え:$dfrac{19}{55}$

【(2)の解答】

$1$ から $12$ までを $4$ で割った余りで分類:

  • 余り $0$:$4, 8, 12$ → 3個
  • 余り $1$:$1, 5, 9$ → 3個
  • 余り $2$:$2, 6, 10$ → 3個
  • 余り $3$:$3, 7, 11$ → 3個

3枚の和が $4$ の倍数(余りの和が $0$ または $4$ または $8$)になる組み合わせ:

  • $(0, 0, 0)$:$binom{3}{3} = 1$ 通り
  • $(1, 1, 2)$:$binom{3}{2} times 3 = 9$ 通り
  • $(0, 1, 3)$:$3 times 3 times 3 = 27$ 通り
  • $(0, 2, 2)$:$3 times binom{3}{2} = 9$ 通り
  • $(1, 3, 0)$:上と同じ $27$ 通り(重複カウントに注意)
  • $(2, 2, 0)$:上と同じ
  • $(2, 3, 3)$:$3 times binom{3}{2} = 9$ 通り
  • $(3, 3, 2)$:上と同じ

和の余りが $0$ になる組み合わせを整理:

  • $(0,0,0)$: 1通り
  • $(0,1,3)$: 27通り
  • $(0,2,2)$: 9通り
  • $(1,1,2)$: 9通り
  • $(2,3,3)$: 9通り

合計:$1 + 27 + 9 + 9 + 9 = 55$ 通り

確率:$dfrac{55}{220} = dfrac{1}{4}$

答え:$dfrac{1}{4}$

京都府立医科大学 数学攻略のための学習計画

基礎固め期(高2〜高3春)

目標:教科書レベルの完全理解

  • 数学Ⅰ・Ⅱ・Ⅲ・A・Bの全範囲を網羅
  • 基本公式・定理の証明まで理解
  • 教科書傍用問題集を完璧に

重点分野:微積分の計算、複素数平面の基礎、数列と極限

応用力養成期(高3春〜夏)

目標:標準〜やや難レベルの問題への対応力

  • 「青チャート」「Focus Gold」などの網羅系問題集
  • 「1対1対応の演習」で典型問題の解法パターン習得
  • 計算スピードの向上

重点分野:積分の応用、整数問題、確率

実戦力完成期(高3秋〜入試直前)

目標:過去問演習と弱点克服

  • 京都府立医科大学の過去問10年分以上
  • 類似傾向の大学(大阪市立大、神戸大など)の過去問
  • 時間を計っての演習(120分で4題)
  • 記述答案の添削を受ける

ポイント:本番を想定した実戦演習が重要です

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ここまで、京都府立医科大学2015年度の数学を詳しく解説してきました。京府医大の数学は、思考力・計算力・記述力のすべてが高いレベルで求められる難関試験です。

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まとめ

2015年度の京都府立医科大学数学を振り返ると:

大問 テーマ 難易度 目標得点率
第1問 無限級数と積分 標準〜やや難 70〜80%
第2問 複素数平面 標準 80〜90%
第3問 絶対値を含む関数・面積 やや難 60〜70%
第4問 整数と確率 標準〜やや難 70〜80%

京府医大合格には、得意分野で確実に得点し、苦手分野でも部分点を取る戦略が重要です。日頃からの地道な積み重ねが、本番での実力発揮につながります。

この記事が、京都府立医科大学を目指す皆さんの学習の一助となれば幸いです。質問や相談があれば、ぜひ日本数学塾数強塾までお気軽にお問い合わせください!

藤原進之介
日本数学塾・数強塾 講師

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