白黒タイルの規則性|総数から引く数え方と奇数・偶数の場合分け

白黒タイルの規則性|総数から引く数え方と奇数・偶数の場合分け
にゃんこ
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白黒タイルの規則性では、全部から片方の色を引く方法と、同じ色の列に分ける方法を使い分けます。

問13・14では正方形に並んだタイルを数え、問15・16ではひし形のように広がる並びを考えます。奇数番目と偶数番目で色ごとの式が変わっても、総枚数は同じ式で表せることを確認しましょう。

にゃんこ
白いタイルを1枚ずつ数えると、途中で分からなくなりそう……。
坂田先生
そんなときは、全部の枚数と黒の枚数を先に数えてみましょう。「全部−黒」で白の枚数が求められます。
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白・黒・総数の関係を使おう

白の枚数+黒の枚数=総枚数です。白を求めるなら「総数−黒」、黒を求めるなら「総数−白」を使えます。

このページのnやmは「何番目の図か」を表します。1、2、3……という正の整数です。

問13|対角線に黒タイルが並ぶ正方形

問題13

次の図のように、正方形のタイルを並べ、対角線上のタイルを黒くします。n番目の「白タイルの枚数」「黒タイルの枚数」「タイルの総枚数」を、それぞれnを使った式で表しなさい。

問13:対角線に黒タイルを並べた1番目からn番目の正方形

全体はn行n列の正方形

問13:n行n列の正方形全体の枚数はnの2乗

全体は、1番目が1×1、2番目が2×2、3番目が3×3……と大きくなります。n番目は縦n枚、横n枚なので、

\(n\times n=n^2\)(枚)

総枚数は \(n^2\) 枚です。

黒は各行に1枚ずつ

問13:対角線上の黒タイルはn枚

黒タイルは、1番目が1枚、2番目が2枚、3番目が3枚……です。n番目では、n行のそれぞれに1枚ずつあるので、黒はn枚です。

白は「全部−黒」

白と黒を合わせた全体がn²枚で、そのうち黒がn枚です。白だけを残すには、全部から黒を引きます。

\(n^2-n\)(枚)

したがって、白は \(n^2-n\) 枚、黒はn枚、総数は \(n^2\) 枚です。

4番目なら、全部で16枚、黒が4枚なので、白は \(16-4=12\) 枚になります。

問13:白を2つの階段として足す方法とn行n−1列の長方形に並べる方法

対角線の両側の階段を数える

白い部分は、黒い対角線の両側に分かれています。片側は1枚、2枚、3枚……、n−1枚という階段です。同じ枚数の階段が2つあるので、

\(\{1+2+3+\cdots+(n-1)\}\times2\)

となります。4番目なら、\((1+2+3)\times2=12\) 枚です。

1からn−1までの和は \(\dfrac{(n-1)n}{2}\) なので、

\(\dfrac{(n-1)n}{2}\times2=n(n-1)=n^2-n\)(枚)

と求められます。1番目では階段の部分がなく、白は0枚です。

2つの階段を組み合わせて長方形にする

図の下側のように白タイルを並べ替えると、縦n枚、横n−1枚の長方形になります。

\(n\times(n-1)=n^2-n\)(枚)

こちらも同じ答えです。黒を引く方法、階段の和を使う方法、長方形にする方法を、図のどこを数えているかと結び付けておきましょう。

問14|白いL字と黒い正方形

問題14

次の図のように、正方形の上の1行と右の1列を白くし、残りを黒くします。n番目の「白タイルの枚数」「黒タイルの枚数」「タイルの総枚数」を、それぞれnを使った式で表しなさい。

問14:白と黒の個数を求める1番目からn番目の図

問14:白いL字はn枚ずつの2列から角の重複1枚を引き2n−1枚

白い部分は、横にn枚、縦にn枚のL字です。ただし、右上の角の1枚は、横の列にも縦の列にも含まれています。

単純に \(n+n\) とすると角を2回数えるため、重複した1回分を引きます。

\(n+n-1=2n-1\)(枚)

したがって、白タイルは \(2n-1\) 枚です。4番目なら \(4+4-1=7\) 枚です。

にゃんこ
角を2回数えたなら、2枚引くんじゃないの?
坂田先生
角のタイルは1枚あります。その1枚分は残したいので、余分に数えた1回分だけ引きます。

最初から角を片方の列だけに入れると、\(n+(n-1)=2n-1\) と数えることもできます。

問14:黒い部分は1辺n−1枚の正方形でn−1の2乗枚

黒い部分を見ると、1番目は0枚、2番目は1×1、3番目は2×2、4番目は3×3……の正方形です。

全体の縦横がn枚で、上の1行と右の1列を白くしているため、黒い部分の縦横はそれぞれn−1枚になります。

\((n-1)\times(n-1)=(n-1)^2\)
\(=n^2-2n+1\)(枚)

したがって、黒タイルは \((n-1)^2\) 枚、または \(n^2-2n+1\) 枚です。4番目なら \(3^2=9\) 枚です。

\((n-1)^2\) は \(n^2-1\) ではありません。\((n-1)(n-1)\) を展開して確認しましょう。

問14:白黒合わせた全体はn行n列でnの2乗枚

全体は縦n枚、横n枚の正方形なので、総枚数は \(n^2\) 枚です。

総数と白が分かれば、黒は次の引き算でも求められます。

\(n^2-(2n-1)\)
\(=n^2-2n+1\)(枚)

総数と黒を先に求めた場合は、白を引き算で求めます。

\(n^2-(n-1)^2\)
\(=n^2-(n^2-2n+1)\)
\(=2n-1\)(枚)

4番目なら、全部で16枚、白7枚、黒9枚です。\(7+9=16\) と確かめられます。

ここまでの問13・14は、縦横に並んだ正方形でした。次の問15・16では、ひし形のように広がる並びを考えます。図が変わるので、まずは増え方を確かめましょう。

問15・16の並べ方|白と黒を交互に加える

次の図のように、一定の規則に従ってタイルを追加していきます。最初は白いタイル1枚で、その周りに黒、その次に白……と、外側の色が交互に変わりながら広がります。

問15・16共通:白黒のタイルを交互に加えた1番目から5番目の図

1番目・3番目・5番目は、外側の端が白です。2番目・4番目は、外側の端が黒です。この違いが、白と黒の枚数の式に関係します。

ここで使うmやnは、図が何番目かを表す1以上の整数です。タイルが横に何枚あるかを、そのままmやnにするわけではありません。

問15・16の図を、斜めの列で数えてみよう

すぐ上の問題図のうち、3番目と4番目を順に見ます。以下の解説を開くと、それぞれの図に数える向きを描き込んであります。

横の段に分けると、1枚、3枚、5枚……と長さが変わり、白と黒も混ざっています。色ごとの枚数を求めるときは、同じ色が並ぶ斜めの列に注目すると数えやすくなります。

3番目の白黒タイルを斜めの同じ色の列に分けて数える図

図のピンクの線に沿って白を分けると、3枚ずつ並ぶ列が3列あります。

\(3\times3=9\)(枚)

青い線に沿って黒を分けると、2枚ずつ並ぶ列が2列あります。

\(2\times2=4\)(枚)

したがって、3番目は白9枚、黒4枚、全部で \(9+4=13\) 枚です。

斜めの列は途中で別の列に曲がらず、同じ向きの線に沿って見ます。白を数える線と黒を数える線を、図の色分けと照らし合わせてください。

4番目の白黒タイルを斜めの同じ色の列に分けて数える図

4番目でも、白の斜めの列は3枚ずつが3列です。

\(3\times3=9\)(枚)

一方、黒は4枚ずつが4列になります。

\(4\times4=16\)(枚)

したがって、4番目は白9枚、黒16枚、全部で \(9+16=25\) 枚です。

にゃんこ
4番目なのに、白は4×4=16枚にならないの?
坂田先生
3番目から4番目では、外側に黒だけを加えています。だから白は3×3=9枚のまま。4×4=16枚になるのは黒です。

問15|mが奇数のときの白タイルの枚数

問題15

さきほど確認した、白と黒を外側へ交互に加える並びについて考えます。下にもう一度示した図のm番目の白タイルの枚数を、mを使った式で表しなさい。ただし、mは奇数であるとする。

問15・16共通:白黒のタイルを交互に加えた1番目から5番目の図

上の図は、問15・16で使う同じ並びです。この問では1・3・5……番目の白いタイルに注目します。

mは奇数なので、1、3、5……番目を考えます。

  • 1番目の白:\(1\times1=1\) 枚
  • 3番目の白:\(3\times3=9\) 枚
  • 5番目の白:\(5\times5=25\) 枚

奇数番目では、白を斜めに分けると、番号と同じ枚数の列が、番号と同じ数だけあります。3番目なら3枚ずつ3列、5番目なら5枚ずつ5列です。

同じ並び方をm番目に広げると、1列にm枚の白タイルがあり、それがm列になります。

\(m\times m=m^2\)(枚)

したがって、答えは \(m^2\) 枚です。

「mは奇数」という条件まで含めて答えを理解しましょう。
偶数番目の白は、番号をそのまま2乗した枚数にはなりません。例えば4番目の白は16枚ではなく9枚です。

奇数番目と偶数番目で、白と黒の式が入れ替わる

次の問16では、奇数番目も偶数番目も含めたn番目を考えます。先に、白と黒の枚数をそれぞれ整理しましょう。

nが奇数なら白nの2乗・黒n−1の2乗、偶数なら白n−1の2乗・黒nの2乗

問15と同じ考え方から、白はn枚ずつがn列です。

白:\(n\times n=n^2\) 枚

黒の斜めの列は、1列に並ぶ枚数も、列の数も、白より1つずつ少なくなります。つまり、n−1枚ずつの列がn−1列あります。例えば5番目なら、白が5枚ずつ5列、黒が4枚ずつ4列です。

黒:\((n-1)\times(n-1)=(n-1)^2\) 枚

例えば5番目なら、白は \(5^2=25\) 枚、黒は \(4^2=16\) 枚です。1番目では白1枚、黒は \(0^2=0\) 枚となり、最初の図とも一致します。

偶数番目では、外側の端が黒になります。今度は黒がn枚ずつn列、白がn−1枚ずつn−1列です。

白:\((n-1)\times(n-1)=(n-1)^2\) 枚
黒:\(n\times n=n^2\) 枚

例えば4番目なら、白は \(3^2=9\) 枚、黒は \(4^2=16\) 枚です。2番目なら白1枚、黒4枚になります。

奇数番目と比べると、白と黒に対応する2つの式が入れ替わっています。

番号nの条件 白タイル 黒タイル
nが奇数 \(n^2\) 枚 \((n-1)^2\) 枚
nが偶数 \((n-1)^2\) 枚 \(n^2\) 枚

問16|n番目のタイルの総枚数

問題16

問15と同じ並びを、下にもう一度示します。この図のn番目のタイルの総枚数(白と黒を合わせた枚数)を、nを使った式で表しなさい。

問15・16共通:白黒のタイルを交互に加えた1番目から5番目の図

上の図は、問15・16で使う同じ並びです。この問では奇数番目・偶数番目の両方で、白と黒をすべて数えます。

nが奇数のときは、白が \(n^2\) 枚、黒が \((n-1)^2\) 枚なので、総枚数は、

\(n^2+(n-1)^2\)(枚)

nが偶数のときは、白と黒が入れ替わるので、

\((n-1)^2+n^2\)(枚)

です。足す順番が変わるだけなので、総枚数はどちらも同じ式になります。

にゃんこ
白と黒の式が入れ替わるなら、答えも2通り必要?
坂田先生
総枚数は1つの式で大丈夫です。「9+16」と「16+9」の合計が同じように、足す順番が変わっても合計は変わりません。
問16:総数nの2乗+n−1の2乗=2nの2乗−2n+1

式を展開して整理すると、

\(n^2+(n-1)^2\)
\(=n^2+(n^2-2n+1)\)
\(=2n^2-2n+1\)(枚)

したがって、答えは \(2n^2-2n+1\) 枚です。\(n^2+(n-1)^2\) と表しても同じ枚数になります。

問15には「mは奇数」という条件がありましたが、問16の総枚数の式は、nが奇数でも偶数でも使えます。

具体的な枚数と式を比べる

番号 白 黒 総枚数
1番目 1枚 0枚 1枚
2番目 1枚 4枚 5枚
3番目 9枚 4枚 13枚
4番目 9枚 16枚 25枚
5番目 25枚 16枚 41枚

例えばn=4を総枚数の式に入れると、\(2\times4^2-2\times4+1=32-8+1=25\) 枚です。白9枚と黒16枚を足した結果と一致します。

スマートフォンでは、必要に応じて表を横に動かして見てください。

学習のポイントと間違えやすい点

  • 色ごとに数えるときは斜めの列を見る:同じ色のタイルが何枚ずつ、何列あるかを確かめます。
  • 番号と端から端までの枚数を混同しない:nは図の番号です。ひし形の横幅や高さそのものを表す文字ではありません。
  • 問15の「奇数」を見落とさない:白がm²枚になるのは、mが奇数という条件があるためです。
  • 問16は総数を求める:白と黒が入れ替わっても、足した総数は同じ式になります。
  • 2乗の展開を確認する:\((n-1)^2=n^2-2n+1\) です。\(n^2-1\) としないようにしましょう。

「白はいつもn²枚」と暗記するのではなく、奇数番目と偶数番目の図を1つずつ見て、どちらの色がn枚ずつn列になっているかを説明できるようにしましょう。

問13では総数から黒を引くと白を求めやすく、問14ではL字の角を2回数えないことが大切です。引く式全体をかっこで囲み、n=1やn=4で確かめましょう。

パターン別に学習したい&印刷したい方へ

坂田先生
にゃんこ
プリントアウトしたい方、動画の実演を見ながら高速復習する方法を身に付けたい方は、規則性の教材ページをご覧ください。