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English

立体の格子を最短で進む - 右と奥と上の並べ替え

立体の格子を、右へ 3、奥へ 2、上へ 1 進んで最短で行きます。道は 60 通り。

平面のときと考え方は変わりません。進む向きが 2 種類から 3 種類に増えただけで、分母に階乗が 1 つ足されます。

進む向きの列に置きかえる

最短で行くので、後戻りはしません。進む向きは右、奥、上の 3 つだけです。

右へ 、奥へ 、上へ 進むなら、進む回数は必ず 回。その並び順を決めれば道が 1 本決まります。

つまり「右右右奥奥上」のような文字列の並べ替えを数えることになる。同じものを含む順列です[2]

右 3、奥 2、上 1 なら 通りです。

例:立方体の格子

各方向に 2 区画ずつの格子で、対角の頂点まで行きます。右 2、奥 2、上 2。

90 通りです。平面の なら 通りでしたから、方向が 1 つ増えるだけで 15 倍になります。

各方向 3 区画なら 通り。増え方が急です。

格子通り数
1 かける 1 かける 13 の階乗6
2 かける 2 かける 26 の階乗を 8 で割る90
3 かける 3 かける 39 の階乗を 216 で割る1680

例:立方体の辺だけを通る

格子ではなく、立方体の辺の上だけを通って対角の頂点へ行く場合もあります。

各方向に 1 区画ずつなので、右、奥、上を 1 回ずつ。 通りです。

立方体の頂点から対角の頂点への最短の道は 6 本。実際に模型で数えても同じになります。

経由点があるとき

途中の点を必ず通る条件は、平面と同じく前半と後半に分けます。

出発点から まで行く道で、 を必ず通るものを数えます。

前半は右 1、奥 1、上 1 で 通り。後半は右 2、奥 1、上 1 で 通り。

前半のどの道からも後半が 12 通りなので、掛けて 通りです。

出発点から経由点までを数える

経由点から目的地までを数える

2 つを掛ける

例:通ってはいけない点

同じ格子で、 が通れないとします。

全体は右 3、奥 2、上 2 なので 通り。

そこから、 を通る 72 通りを引きます。

138 通りです。平面のときと手順は変わりません。

交点に数を書き込む

公式を使わずに、格子点へ順に数を書き込む方法も使えます。ある点へは、右、奥、上のいずれかの手前からしか来られない。

だから、その点の数は 3 つの手前の数を足した値になります。平面では 2 つでしたが、1 つ増える。

立体は図が描きにくいので、高さごとに層を分けて 3 枚の表にします。

いちばん右の層の右下に 90 が現れました。公式で出した値と一致します。

書き込み法の強みは、通れない点があっても手順が変わらないこと。その点を 0 にして、あとは同じように足していくだけです。

公式で出す

一気に答えが出る。通れない点があると引き算が要る

書き込み法

手数はかかる。通れない点を 0 にするだけで済む

例:斜めに進める場合

右と奥を同時に進む斜めの道が加わると、進む回数が一定でなくなります。回数で場合分けが要る。

右 2、奥 2、上 1 の格子で、斜めの道を 1 回だけ使えるとします。

斜めを使わないなら 通り。斜めを 1 回使うと、右 1、奥 1、斜め 1、上 1 の 4 回で進むので 通り。

合わせて 54 通りです。進む回数がそろわない問題では、まず回数で分ける。

斜めの道が入ると、進む回数が変わるので同じものを含む順列を 1 回では当てられません。

斜めを何回使うかで場合分けし、それぞれで並べ替えを数えて足す。

例:方向がもっと増える場合

進む向きが 4 種類でも、式の形は変わりません。分母に階乗が 1 つ増えるだけです。

この形は、多項定理に出てくる係数と同じものです[3]。展開式の係数と経路の数が一致します。

平面と立体の比べ方

平面では と組合せの形で書けました。立体では組合せ 1 つでは書けません。

ただし、段階に分けて組合せを掛ける形にはできます。 か所から右の か所を選び、残りから奥の か所を選ぶ。

右 2、奥 2、上 2 なら で、階乗の式と一致します。

右へ 2、奥へ 1、上へ 3 進んで最短で行く道は何通りですか。

  • 6 通り
  • 60 通り
  • 720 通り
__RESULT__

進む回数は 6 回で、 通りです。720 は そのもので、同じ向きの区別を消していない値になります。

よくある誤り

分母に階乗を 2 つしか書かない。向きが 3 種類なら 3 つ並べます
進む回数を数え違える。 回で、それが分子の階乗になります
後戻りする道を数に入れる。最短なので進む向きは 3 つだけです
経由点の問題で前半と後半を足す。掛け算になります
通れない点を場合分けで処理する。全体から引くほうが短くなります
斜めの道がある問題に階乗の式を 1 回だけ当てる。回数で場合分けします
書き込み法で足す数を 2 つにする。立体では 3 つの手前から来られます

平面の考え方がそのまま伸びます。向きの種類だけ分母を増やす、それだけです。

参考文献

[1] が格子の上の経路、[2] が同じものを含む順列、[3] が多項係数、[4][5] が各国語での整理です。

Lattice path - Wikipedia
Permutation - Wikipedia
Multinomial theorem - Wikipedia
Combinatoire - Wikipédia
Abzählende Kombinatorik - Wikipedia
右へ 3、奥へ 2、上へ 1 進む最短の道は 60 通り。進む向きが 2 種類から 3 種類に増えただけで、分母に階乗が 1 つ足されます。各方向 2 区画の立方体格子なら 90 通りで、平面の 6 通りから 15 倍。経由点がある場合、通れない点がある場合、高さごとに層を分けて数を書き込む方法まで扱いました。斜めの道が加わると進む回数が変わるので、回数で場合分けが要ります。