令和3年度 春期 応用情報技術者試験 午前 問14

稼働率が xx である装置を四つ組み合わせて,図のようなシステムを作ったときの稼働率を f(x)f(x) とする。区間 0≦x≦10 \leqq x \leqq 1 における y=f(x)y = f(x) の傾向を表すグラフはどれか。ここで,破線は y=xy = x のグラフである。

システムの構成図
図の説明テキスト

稼働率xの装置を4つ組み合わせたシステムの構成図。「x」と書かれた2つのブロックが直列に接続されたものが、2組並列に接続されている構成。

解答・解説

正解: エ.

システム全体の 稼働率 を式で表し、その特徴からグラフを特定します。

システムの稼働率の計算

  1. 直列部分の稼働率
    システムの構成図を見ると、稼働率 xx の装置が2つ直列に接続された構成が基本単位となっています。この部分が稼働する確率は x×x=x2x \times x = x^2 です。

  2. システム全体の稼働率 f(x)f(x)
    上記で求めた稼働率 x2x^2 の直列部分が、さらに2つ並列に接続されています。並列システムが稼働する確率は 1−(すべて故障する確率)1 - (\text{すべて故障する確率}) で求められます。
    f(x)=1−(1−x2)2f(x) = 1 - (1 - x^2)^2
    これを展開して整理します。
    f(x)=1−(1−2x2+x4)f(x) = 1 - (1 - 2x^2 + x^4)
    f(x)=2x2−x4f(x) = 2x^2 - x^4

グラフの傾向の確認

求めた f(x)=2x2−x4f(x) = 2x^2 - x^4 と、y=xy = x (破線)の大小関係を確認するために、具体的な数値を代入して比較します。

  • x=0.5x = 0.5 の場合
    f(0.5)=2(0.5)2−(0.5)4=2×0.25−0.0625=0.4375f(0.5) = 2(0.5)^2 - (0.5)^4 = 2 \times 0.25 - 0.0625 = 0.4375
    0.4375<0.50.4375 < 0.5 となるため、xx が小さい区間では f(x)f(x) のグラフは y=xy = x の破線より 下 になります。
  • x=0.9x = 0.9 の場合
    f(0.9)=2(0.9)2−(0.9)4=1.62−0.6561=0.9639f(0.9) = 2(0.9)^2 - (0.9)^4 = 1.62 - 0.6561 = 0.9639
    0.9639>0.90.9639 > 0.9 となるため、xx が 11 に近い大きい区間では f(x)f(x) のグラフは y=xy = x の破線より 上 になります。

最初は y=xy = x より下にあり、途中で交わって y=xy = x より上になるグラフは エ です。

各選択肢の解説

  • ア: 区間 0<x<10 < x < 1 において常に y=xy = x より上を通っているため誤りです。
  • イ: 区間 0<x<10 < x < 1 において常に y=xy = x より下を通っているため誤りです。
  • ウ: 最初は y=xy = x より上にあり、途中で y=xy = x より下に切り替わっているため誤りです(実際のシステムの傾向と逆になっています)。
  • エ: 最初は y=xy = x より下にあり、途中で y=xy = x より上に切り替わっており、f(x)=2x2−x4f(x) = 2x^2 - x^4 の計算結果の傾向と一致するため正解です。

Spineチーム