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京都府立医科大学/2016年度/前期

京都府立医科大学 2016年 数学 第1問解答・解説

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1問題

京都府立医科大学2016年度第1問

nn は2以上の整数とする。変量 xx についてのデータの値を xk (1≦k≦n)x_{k}\ (1\leq k\leq n) とし,変量 yy についてのデータの値を yk (1≦k≦n)y_{k}\ (1\leq k\leq n) とする。変量 zz はデータの値が xkyk (1≦k≦n)x_{k}y_{k}\ (1\leq k\leq n) である変量を表す。

(1) 変量 xx と yy の nn 個の値の組を (xk,yk) (1≦k≦n)(x_{k},y_{k})\ (1\leq k\leq n) としたときの xx と yy の共分散 sxys_{xy}(偏差の積の平均)について sxy=zˉ−xˉ yˉs_{xy}=\bar{z}-\bar{x}\,\bar{y} が成り立つことを証明せよ。ここで xˉ,yˉ,zˉ\bar{x},\bar{y},\bar{z} はそれぞれ変量 x,y,zx,y,z についてのデータの値の平均値を表す。

0以上の整数 aa と1以上の整数 bb に対し,aa を bb で割った余りを Rb(a)R_{b}(a) と表す。l,ml,m は2以上 nn 以下の整数とする。変量 xx と yy の nn 個の値の組を (xk,yk)=(Rl(k−1)+1, Rm(k−1)+1)(1≦k≦n)(x_{k},y_{k})=(R_{l}(k-1)+1,\ R_{m}(k-1)+1)\quad(1\leq k\leq n) としたときの xx と yy の相関係数を rr とする。

(2) ll は nn の約数とし,m=nm=n であるとき,rr を求めよ。

(3) n=l(l+1)n=l(l+1) とし,m=l+1m=l+1 であるとき,rr を求めよ。

まずは自分で解いてみましょう。詰まったら「考え方」、解けたら「答え」で確かめられます。

2考え方

考え方を見る解き方の方針だけを確かめる

共分散を平均の定義から展開し、(2)ではkをlごとのブロックに分けて分散・共分散を計算し、(3)では剰余の組が全ての組を一度ずつとることから共分散を求める。

3答え

答えを見る自分の答えと照らし合わせる
  • (1) sxy=zˉ−xˉyˉ(1)\space{}s_{xy}=\bar{z}-\bar{x}\bar{y}
    (2) r=l2−1n2−1\displaystyle (2)\space{}r=\sqrt{\frac{l^2-1}{n^2-1}}
    (3) r=0(3)\space{}r=0

4解答

解答を見る途中式つきの解答

(1) 共分散の定義より sxy=1n∑k=1n(xk−xˉ)(yk−yˉ).\displaystyle s_{xy}=\frac1n\sum\limits _{k=1}^n(x_k-\bar{x})(y_k-\bar{y}). これを展開し、1n∑k=1nxk=xˉ\displaystyle \frac1n\sum\limits _{k=1}^n x_k=\bar{x}、1n∑k=1nyk=yˉ\displaystyle \frac1n\sum\limits _{k=1}^n y_k=\bar{y}、1n∑k=1nxkyk=zˉ\displaystyle \frac1n\sum\limits _{k=1}^n x_ky_k=\bar{z} を用いると sxy=1n∑k=1nxkyk−yˉ1n∑k=1nxk−xˉ1n∑k=1nyk+xˉyˉ=zˉ−xˉyˉ−xˉyˉ+xˉyˉ=zˉ−xˉyˉ.\displaystyle \begin{aligned} s_{xy} &=\frac1n\sum\limits _{k=1}^n x_ky_k-\bar{y}\frac1n\sum\limits _{k=1}^n x_k-\bar{x}\frac1n\sum\limits _{k=1}^n y_k+\bar{x}\bar{y}\\ &=\bar{z}-\bar{x}\bar{y}-\bar{x}\bar{y}+\bar{x}\bar{y} =\bar{z}-\bar{x}\bar{y}. \end{aligned} よって示された。

(2) q=n/lq=n/l とおく。m=nm=n なので、k=1,…,nk=1,\ldots,n に対し yk=ky_k=k である。k=jl+tk=jl+t(j=0,…,q−1j=0,\ldots,q-1、t=1,…,lt=1,\ldots,l)と表すと、xk=tx_k=t、yk=jl+ty_k=jl+t となる。したがって、xx は 1,2,…,l1,2,\ldots,l をそれぞれ qq 回ずつとり、yy は 1,2,…,n1,2,\ldots,n をそれぞれ1回ずつとる。

1,2,…,N1,2,\ldots,N の平均と分散は、∑a=1Na=N(N+1)/2\displaystyle \sum\limits _{a=1}^N a=N(N+1)/2、∑a=1Na2=N(N+1)(2N+1)/6\displaystyle \sum\limits _{a=1}^N a^2=N(N+1)(2N+1)/6 より N+12,1N∑a=1N(a−N+12)2=N2−112\displaystyle \frac{N+1}{2},\qquad \frac1N\sum\limits _{a=1}^N\left(a-\frac{N+1}{2}\right)^2=\frac{N^2-1}{12} である。よって xˉ=l+12,yˉ=n+12,sx2=l2−112,sy2=n2−112.\displaystyle \bar{x}=\frac{l+1}{2},\quad \bar{y}=\frac{n+1}{2},\quad s_x^2=\frac{l^2-1}{12},\quad s_y^2=\frac{n^2-1}{12}. ここで sx,sys_x,s_y はそれぞれ x,yx,y の標準偏差である。

また yk−yˉ=(t−l+12)+l(j−q−12),xk−xˉ=t−l+12.\displaystyle y_k-\bar{y}=\left(t-\frac{l+1}{2}\right)+l\left(j-\frac{q-1}{2}\right),\qquad x_k-\bar{x}=t-\frac{l+1}{2}. したがって、各 jj について ∑t=1l(t−(l+1)/2)=0\displaystyle \sum\limits _{t=1}^l(t-(l+1)/2)=0 であることから、共分散の交差項は消え、 sxy=1ql∑j=0q−1∑t=1l(t−l+12)[(t−l+12)+l(j−q−12)]=1l∑t=1l(t−l+12)2=l2−112.\displaystyle \begin{aligned} s_{xy} &=\frac1{ql}\sum\limits _{j=0}^{q-1}\sum\limits _{t=1}^l\left(t-\frac{l+1}{2}\right)\left[\left(t-\frac{l+1}{2}\right)+l\left(j-\frac{q-1}{2}\right)\right]\\ &=\frac1l\sum\limits _{t=1}^l\left(t-\frac{l+1}{2}\right)^2 =\frac{l^2-1}{12}. \end{aligned} ゆえに r=sxysxsy=(l2−1)/12((l2−1)/12)((n2−1)/12)=l2−1n2−1.\displaystyle r=\frac{s_{xy}}{s_xs_y} =\frac{(l^2-1)/12}{\sqrt{((l^2-1)/12)((n^2-1)/12)}} =\sqrt{\frac{l^2-1}{n^2-1}}. l≧2l\ge2、n≧2n\ge2 なので分散は正である。特に n=ln=l の場合はこの式から r=1r=1 となり、xk=yk=kx_k=y_k=k と一致することとも合う。

(3) k−1=ql+ik-1=ql+i(q=0,1,…,lq=0,1,\ldots,l、i=0,1,…,l−1i=0,1,\ldots,l-1)と表す。すると xk=i+1,yk=Rl+1(ql+i)+1x_k=i+1,\qquad y_k=R_{l+1}(ql+i)+1 である。ii を固定する。異なる q,q′q,q' が同じ余りを与えると仮定すると、l+1l+1 は l(q−q′)l(q-q') を割り切る。連続する整数 l,l+1l,l+1 は互いに素だから、l+1l+1 は q−q′q-q' を割り切る。しかし 0<∣q−q′∣≦l0<|q-q'|\le l に反する。従って q=0,1,…,lq=0,1,\ldots,l に対する余りはすべて異なり、yky_k は 1,2,…,l+11,2,\ldots,l+1 を一度ずつとる。よって (xk,yk)(x_k,y_k) は、1≦x≦l1\le x\le l、1≦y≦l+11\le y\le l+1 の全ての組を一度ずつとる。

したがって xˉ=l+12,yˉ=l+22,zˉ=1l(l+1)(∑a=1la)(∑b=1l+1b)=(l+1)(l+2)4=xˉyˉ.\displaystyle \bar{x}=\frac{l+1}{2},\quad \bar{y}=\frac{l+2}{2},\quad \bar{z}=\frac{1}{l(l+1)}\left(\sum\limits _{a=1}^l a\right)\left(\sum\limits _{b=1}^{l+1}b\right) =\frac{(l+1)(l+2)}4 =\bar{x}\bar{y}. (1)より sxy=0s_{xy}=0。また xx は 1,…,l1,\ldots,l、yy は 1,…,l+11,\ldots,l+1 の値をとり、l≧2l\ge2 だから両者の標準偏差は正である。従って r=sxysxsy=0.\displaystyle r=\frac{s_{xy}}{s_xs_y}=0.

この問題で使う考え方

  • 分散と標準偏差
  • 相関係数
  • 約数・倍数
  • 総和記号と数列の和

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