立体の塗り分けは面の数ではなく向きの数で決まる
正四面体の 4 面を 4 色で塗り分けると 2 通り。立方体の 6 面を 6 色で塗り分けると 30 通りです。
面が 4 つから 6 つへ増えたのに、答えが 15 倍になる。効いているのは面の数ではなく、その立体を何通りに置き直せるかです。
置き直しの数で割る
面に番号が振ってあれば、塗り方は単純に数えられます。 面に 色を 1 つずつ塗るなら 通り。
ところが立体は持ち上げて回せます。回して同じ見た目になる塗り方は、1 つと数える。
すべての色が違うとき、どの塗り方も回転の数だけ重なります。だから回転の数で割ればよい。
回転の数を先に数える
割る数は立体ごとに決まっています[1]。

立方体と正八面体が同じ 24 になるのは、この 2 つが双対の関係にあるためです[1]。頂点と面を入れかえると互いに移り合う。
例:正四面体を 4 色で
面に番号があれば 通り。回転が 12 通りなので、 通りです。
2 通りは鏡に映した関係にあります。回しても重ならず、裏返してはじめて一致する。
固定して数える道筋もあります。1 面を下に置くと 4 通りの選び方が 1 つに重なり、さらに縦の軸まわりに 3 通りの回転が重なる。 通り。
例:立方体を 6 色で
通りを 24 で割って 30 通りです。
固定する道筋なら、上の面を先に決めて 6 通りが 1 つに重なり、その面のまわりの回転 4 通りも重なる。。
底面を固定してから数える形は、高校の答案でよく使われます。回転の総数を覚えていなくても出せる。
面に番号を振ったときの通り数を出す
その立体を何通りに置き直せるかを数える
すべて違う色なら、割って終わり
例:正八面体を 8 色で
通り。回転は立方体と同じ 24 通りです。
1680 通り。面が 2 つ増えるだけで、答えは 50 倍以上になります。
例:正三角柱
底面 2 つと側面 3 つ、合わせて 5 面を 5 色で塗ります。
正三角柱の置き直しは 6 通り。縦の軸まわりに 3 通りと、上下をひっくり返す操作を組み合わせた形です。
20 通りになります。
例:正四角錐
底面 1 つと側面 4 つの 5 面を 5 色で塗ります。
底面が 1 つしかないので、ひっくり返す操作はできません。縦の軸まわりの 4 通りだけ。
30 通りです。正三角柱と面の数は同じ 5 でも、置き直しの数が違うので答えが変わります。
上下をひっくり返せる。置き直しは 6 通り
底面と側面の形が違うのでひっくり返せない。置き直しは 4 通り
色が重なると割れなくなる
同じ色を 2 面以上に使うと、回しても見た目が変わらない塗り方が出てきます。そうなると一律には割れません。
正四面体の 4 面を、赤と青の 2 色で塗る場合を見ます。面に番号があれば 通り。
は整数になりません。全面を赤にした塗り方は、どう回しても自分に戻るからです。
例:正四面体を 2 色で
割り算をやめて、直接分類します。赤く塗る面の数で分ければよい。
赤が 0 面、1 面、2 面、3 面、4 面の 5 通りです。同じ枚数なら、どれも回して重ねられます。
答えは 5 通り。数が小さいときは、この分類がいちばん確実になります。
赤が 1 面の塗り方が 1 通りしかないのは、どの面を赤にしても回して重ねられるからです。
正四面体はどの面も対等なので、1 面だけ色を変えた塗り方は全部同じに見える。
例:サイコロの目の付け方
立方体の 6 面に 1 から 6 を 1 つずつ書きます。回して同じになるものを同じとみなすと 30 通り。
ここに「向かい合う面の和が 7」という決まりを足すと、話が変わります。
1 の面を上に固定すると、6 は下に決まる。次に 2 をどこかの側面に置きますが、回転で同じになるので 1 通りとしてよい。すると 5 は 2 の向かいに決まります。
残る 3 と 4 を左右に振り分けて 2 通り。市販のサイコロには、この 2 種類しかありません。
高校での進め方
出題されるのは、ほとんどが「すべて違う色で塗る」形です。この場合だけ割り算で押し切れる。
同じ色が混ざる問題は、数が小さく作られています。分類して書き出すのが速い。
一般に回して重なるものを数える方法として、バーンサイドの補題があります[2]。回転ごとに変わらない塗り方を数えて平均をとる形で、高校の範囲では使いません[3]。
| 問題 | 式 | 答え |
|---|---|---|
| 正四面体を 4 色 | 4 の階乗を 12 で割る | 2 |
| 立方体を 6 色 | 6 の階乗を 24 で割る | 30 |
| 正八面体を 8 色 | 8 の階乗を 24 で割る | 1680 |
| 正三角柱を 5 色 | 5 の階乗を 6 で割る | 20 |
| 正四角錐を 5 色 | 5 の階乗を 4 で割る | 30 |
検算のしかた
答えが整数になるかを必ず見ます。整数でなければ、割り算が使えない形です。
回転の数を数え違えていないかも確かめる。底面の選び方と、その軸まわりの回転を掛けた値が、回転の総数と合うはずです。
立方体なら 、正四面体なら 、正八面体なら 。どれも表の値と一致します。
正六角柱の 8 面を、8 色すべてを使って塗り分けます。回して同じになるものを同じとみなすと何通りですか。
- 40320 通り
- 3360 通り
- 1680 通り
よくある誤り
面の数ではなく、置き直しの数を先に数える。ここさえ間違えなければ、あとは 1 回の割り算で終わります。
参考文献
[1] が正多面体の回転の数と双対の関係、[2] と [3] が回して重なるものを数える一般の定理、[4] が順列、[5] が各国語での整理です。










正六角柱の置き直しは、縦の軸まわりに 6 通りと上下の反転を合わせて 12 通り。8!÷12=40320÷12=3360 通りです。1680 は回転を 24 として計算した値になります。