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並べてできた整数の「総和」は位ごとに数える

1、2、3 の 3 枚で作れる 3 桁の整数は 123、132、213、231、312、321 の 6 個。全部足すと 1332 です。

6 個なら書き出せます。5 枚から 3 枚を選ぶ 60 個になると、1 つずつ足していられない。位ごとに数える方法に切り替えます。

位ごとに分けて数える

整数の和を、百の位の和、十の位の和、一の位の和に分けます。 と見る。

すると問いは、「各位に、それぞれの数字が何回現れるか」に変わります。回数さえ分かれば掛け算で済む。

図のとおり、どの位にも 1、2、3 が 2 回ずつ現れます。1 つの数字を固定すると、残り 2 枚の並べ方が 通りだから。

例:3 枚全部を使う

各位の数字の和は で、どの位も同じです。

書き出して足した値と一致しました。 は、位の重み 、、 を足したものです。

一般の形

枚のカードを全部使う場合、ある位にある数字を固定すると、残りは 通り。だから各数字が各位に 回ずつ現れます。

枚から 枚を選ぶ場合は、回数が になります。1 つを固定して、残り 個の位に 枚から並べるため。

例:4 枚全部で 4 桁

1、2、3、4 を全部使って 4 桁の整数を作ります。総数は 個。

各数字は各位に 回ずつ現れる。各位の和は です。

平均で確かめます。。各位の平均が なので、 と合う。

例:5 枚から 3 枚を選ぶ

1、2、3、4、5 から 3 枚を選んで 3 桁の整数を作ります。総数は 個。

ある位にある数字を固定すると、残り 2 つの位に 4 枚から 2 枚を並べる。 通りです。

各位の和は 。

平均は で、各位の平均 3 に を掛けた値になっています。

1 つの位に 1 つの数字を固定する

残りの位の並べ方を数える

数字の和に回数と位の重みを掛ける

0 が入ると回数がそろわなくなる

0 を含むカードでは、先頭に 0 を置けません。そのため、位によって出現回数が変わります。

いちばん上の位に 0 は 1 回も現れない。その代わり、下の位では 0 の出番が増えます。

例:0 を含む 3 桁の総和

0、1、2、3 から 3 枚を選んで 3 桁の整数を作ります。総数は 個。

百の位から数えます。百の位が 1 のとき、残り 2 つの位に 3 枚から 2 枚を並べて 通り。2 と 3 も同じく 6 回ずつ。

十の位は場合が分かれます。十の位が 0 なら、百の位が 1、2、3 の 3 通り、一の位が残り 2 通りで 6 回。十の位が 1 なら、百の位は 0 と 1 を除く 2 通り、一の位が 2 通りで 4 回。

一の位も同じ数え方になります。表にまとめたとおり、0 が 6 回、ほかは 4 回ずつ。

百の位を固定して足しても確かめられます。1 から始まる 6 個の和が 710、2 からが 1288、3 からが 1866。合計 3864 で一致しました。

0 を含む問題で、すべての位で同じ回数としてしまうのがいちばん多い誤りです。百の位だけ扱いが違う。

先頭に置けないぶん、0 の出番が下の位へ移る。位ごとに回数を数え直す必要がある。

例:0 を含む 4 枚を全部使う

0、1、2、3 を全部使って 4 桁の整数を作ります。総数は 個。

千の位は 1、2、3 が 回ずつ。 で、。

下の 3 つの位では、0 が 6 回、1、2、3 が 4 回ずつ。各位の和は です。

千の位ごとに足しても確かめられます。1 で始まる 6 個が 7110、2 で始まるのが 12888、3 で始まるのが 18666。

先頭の数字6 個の和
17110
212888
318666

平均から出す見方

総和は「個数 × 平均」でも出せます。平均を求めるほうが速い場合がある。

0 を含まないカードなら、各位の平均は数字の平均に等しい。1 から 5 の 5 枚なら平均 3 で、3 桁の平均は 。

個数の 60 を掛けて 19980。位ごとに数えた値と同じです。

0 を含む場合はこの近道が使えません。位によって平均が違うため、素直に位ごとへ戻します。

0 を含まない

どの位も出現回数が等しい。数字の和に回数と 111 を掛けて終わる

0 を含む

先頭の位だけ回数が違う。位ごとに回数を出してから足す

例:偶数だけの総和

1、2、3、4 から 3 枚を選んで作った 3 桁の偶数を、全部足します。

一の位は 2 か 4 です。一の位が 2 のとき、上 2 桁は残り 3 枚から 2 枚で 個。一の位が 4 でも 6 個で、合計 12 個。

一の位の和は 。

上 2 桁を数えます。一の位が 2 のとき、百の位には 1、3、4 が 2 回ずつ現れる。十の位も同じです。一の位が 4 なら、1、2、3 が 2 回ずつ。

百の位の和は 。十の位も 28 です。

条件が付くと、位ごとに現れる数字の顔ぶれまで変わる。表を作ってから足すほうが安全です。

1、2、3、4 の 4 枚から 3 枚を選んで 3 桁の整数を作り、すべて足すといくつになりますか。

  • 6660
  • 1110
  • 13320
__RESULT__

総数は 個。ある位にある数字を固定すると残りは 通りなので、各位の和は です。。平均 277.5 に個数 24 を掛けても同じ値になります。

よくある誤り

1 つずつ書き出して足す。個数が増えると現実的でなくなります
すべての位で回数が同じだと決めつける。0 を含むと先頭だけ違います
位の重みを掛け忘れる。 や を最後に掛けます
選ぶ枚数が全部より少ない場合に を使う。 になります
条件付きの問題で全体の回数を流用する。偶数などの条件が付くと顔ぶれが変わります
平均の近道を 0 を含む問題に当てる。位ごとに平均が違うので使えません
検算をしない。先頭の数字ごとに足すと、別の道筋で同じ値に着きます

位ごとに、どの数字が何回現れるか。表を 1 つ作れば、あとは掛けて足すだけです。

参考文献

[1] が順列の公式、[2] が段ごとに掛ける数え方、[3] から [5] が各国語での基本の整理です。

Permutation - Wikipedia
Rule of product - Wikipedia
Combinatoire - Wikipédia
Abzählende Kombinatorik - Wikipedia
排列 - 维基百科
1、2、3 で作れる 3 桁の整数 6 個の和は 1332 です。6 個なら足せますが、60 個になると 1 つずつでは追えません。位ごとに、どの数字が何回現れるかを数えれば掛け算で片づきます。0 を含むと先頭の位だけ回数が変わり、そのぶん 0 の出番が下の位へ移る。この違いを表にして、4 枚全部を使う場合、5 枚から 3 枚を選ぶ場合、偶数だけを足す場合まで解きました。平均から出す近道と、その使えない場面も示す。