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京都大学 2020年度 前期日程 文系

第5問 場合の数の解答・解説

ラテン方陣・完全順列・置換の型・場合分け当サイトの体感難易度:やや難最終更新 2026/10/12

問題文について

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のマス目に を入れ、どの行にもどの列にも同じ数字が1回しか現れないようにする入れ方の総数を求める

答 通り

各行は の並べ替えになる。1行目は 通り、2行目は1行目と同じ列に同じ数字が来てはいけないので「完全順列」になる。3行目以降の数は、2行目の「ずれ方」の型(2つの入れ替えか、4つの巡回か)で変わるので、そこで場合分けする。

どの行にも が1回ずつ現れるので、各行は の並べ替えである。

1行目。 通り。以下、1行目を固定して数え、最後に を掛ける。

2行目。 どの列でも1行目と違う数字が来るので、2行目は1行目に対する完全順列(どの位置も動く並べ替え)である。 個の完全順列は 通りで、その内訳は

  1. 2つずつ入れ替える型(たとえば ): 個を2組のペアに分ける分け方で 通り。
  2. つが順に回る型(たとえば ): 通り。

である()。

3・4行目。 各列には、1行目と2行目で使った数字以外の2つが残る。3行目はその残り2つから1つずつ選んで並べ替えになるようにし、4行目は自動的に決まる。

1行目を として型ごとに数える。

  1. 2つずつ入れ替える型(例:2行目が )。各列の残りは左から である。3行目は左2列に を並べ( 通り)、右2列に を並べる( 通り)ので 通り。4行目は残りで決まる。よって 通り。
  2. つが順に回る型(例:2行目が )。各列の残りは である。1列目に を置くと4列目は 、3列目は 、2列目は と順に決まり 。 を置くと 。よって 通りで、 通り。

1行目を固定したときの総数は 通りである。したがって全体は

通りである。

でこのような入れ方の総数は「ラテン方陣の個数」と呼ばれ、 では である。 では と急に増え、一般の公式は知られていない。

行すべてを全探索して数えると 通りだった。1行目を固定したときの内訳も、 型の 通りが合計 、 項環状型の 通りが合計 で、 通りと一致する。

2行目が1行目の完全順列になることは「列ごとに違う」から従う。 という数は 個の完全順列の個数で、 ではない。

完全順列の型で3・4行目の数が変わる( 通りと 通り)。型を分けずに一律に掛けると答えがずれる。

4行目は3行目まで決めれば自動的に決まる。ここでさらに掛けないこと。

問題は「マス目に数字を入れる」ことを数えているので、回転や裏返しで移り合うものも別に数える。

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