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塩商人アリスの天秤

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問題:塩商人アリス

昔々。
アリスは塩を売る商人でした。
アリスは塩を皮袋に入れて背に担ぎ天秤棒を肩に乗せて行商をしておりました。アリスの懐には8個の欽定の分銅がありました。分銅の重さについては6種類ありました。このうち2種類については分銅が2個あり他の4種類については分銅は1個づつでした。
天秤棒の左の皿には分銅を置くためのスロットが5つありました。ひとつのスロットには1個の分銅を格納できるのです。左の皿には6個以上の分銅は乗せないものという仕様です。また、左の皿には塩は乗せないものとしました。
天秤棒の右の皿には塩だけを置くことができました。右の皿に分銅は置けません。
(売り物の塩と分銅とを同じ側の皿に乗せないことは、アリスによる衛生面での配慮です。)
天秤棒に分銅も塩も乗せない場合には、勿論のこと、天秤は平衡となります。
さて。この時代の重さの単位はゴラムです。
お客様からの1回あたりの塩の購入の注文は、1ゴラムから100ゴラムまで、1ゴラム刻みの重さとなります。
これら100通りの注文に応じてアリスはたくみに天秤棒の左の皿のスロットに自分があらかじめ懐に用意してきた分銅を置き、バランスを取りながら等重量の塩を右の皿に置き、1回の天秤計測で注文量の塩を計り、商取引を成立させます。
アリスが持っていた分銅の重さの内訳は、果たしてどのようなものだったでしょうか。

解題

その1:スロットの数に制限がなく分銅を左右の皿に乗せられるとしたならば平衡3進数を応用すれば綺麗で効率よい分銅の重さのセットを懐にしまって置けばよいことでしょう。
具体的には 1,3,9,27,81 のゴラム数で分銅を1個づつ用意しておけばよいということになります。
たとえば 2 ゴラムの塩を計りたければ
左の皿に 3 ゴラムの分銅を、右の皿に 1 ゴラムの分銅と 2 ゴラムの塩を置けば良い、ということになります。でも、アリスは、塩と分銅とを同じ皿に乗せたくはないのです。

その2:分銅は左の皿にのみ置くものとします。そしてスロットの数に制限は無いものとします。この場合には綺麗で効率的な分銅の重さのセットの設定を考えるにあたり3進数を使えばよいことでしょう。但し例えば 80 ゴラムの塩を計量するためには、やたらと分銅の個数が増えかねません。懐に用意する分銅の個数も多く、皿に乗せる分銅の回数も多く、問題が出てきます。

その3:そこで。左の皿には分銅を最多でも 5 個までしか置けないものとして……すなわち、スロットは5個までとして、3進数から離脱することにしましょう。できるだけ少ない種類の分銅、しかも全体の個数を少なくしたい……?
使える分銅は6種類でトータル8個まで。

その4:この問題には【おそらく】エレガントな解法がありません。でもエレファントな解が見つかっています。
ところで。正解例の発表のおりには。1ゴラムから100ゴラムまで、100通りにおいて、左の皿に乗せる各分銅の内訳を説明し、分銅の重さの総和をご覧いただけばよいのでしょうか?
私が用意して、ただただこの解を信じろと?あるいは面倒な細かい計算を100通りも検算してくださいと?
それは余りにも申しわけありません。

しかしながら、解を間違いなく記述して提供するための手法があります。みなさんによる解の検証が省力化できる、この手法が面白いと思って頂ける可能性を信じて、あえて出題させていただく次第です。

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正解例は


解答例が隠れています
解答例
分銅は、1ゴラムが1個、2ゴラムが1個、4ゴラムが2個、11ゴラムが2個、29ゴラムが1個、58ゴラムが1個、計8個の分銅となります。

解答例の検証式が隠れています
解答例の検証式
Sを空きスロット、Aを1ゴラム分銅、Bを2ゴラム分銅、Cを4ゴラム分銅、Dを11ゴラム分銅、Eを29ゴラム分銅、Fを58ゴラム分銅のシンボルとします。xについての多項式を作り、適当なツールを使い展開します。nゴラムの塩を測りたいときにはxのn次の項の係数を参照すればオーケーです。但し、係数が分数になっているときにはスロットが5つでは足らないケースとなります。 \begin{align} ((A/S)x^1+1)((B/S)x^2+1)(((C/S)x^4)^2+(C/S)x^4+1)(((D/S)x^{11})^2+(D/S)x^{11}+1)((E/S)x^{29}+1)((F/S)x^{58}+1)S^5 \end{align} \begin{align} = {{A\,B\,C^2\,D^2\,E\,F\,x^{120}}\over{S^3}}+{{B\,C^2\,D^2\,E\,F\,x ^{119}}\over{S^2}}+{{A\,C^2\,D^2\,E\,F\,x^{118}}\over{S^2}}+{{C^2\,D ^2\,E\,F\,x^{117}}\over{S}}+{{A\,B\,C\,D^2\,E\,F\,x^{116}}\over{S^2 }}+{{B\,C\,D^2\,E\,F\,x^{115}}\over{S}}+{{A\,C\,D^2\,E\,F\,x^{114} }\over{S}}+C\,D^2\,E\,F\,x^{113}+{{A\,B\,D^2\,E\,F\,x^{112}}\over{S }}+B\,D^2\,E\,F\,x^{111}+A\,D^2\,E\,F\,x^{110}+D^2\,E\,F\,S\,x^{109} +{{A\,B\,C^2\,D\,E\,F\,x^{109}}\over{S^2}}+{{B\,C^2\,D\,E\,F\,x^{108 }}\over{S}}+{{A\,C^2\,D\,E\,F\,x^{107}}\over{S}}+C^2\,D\,E\,F\,x^{ 106}+{{A\,B\,C\,D\,E\,F\,x^{105}}\over{S}}+B\,C\,D\,E\,F\,x^{104}+A \,C\,D\,E\,F\,x^{103}+C\,D\,E\,F\,S\,x^{102}+A\,B\,D\,E\,F\,x^{101}+ B\,D\,E\,F\,S\,x^{100}+A\,D\,E\,F\,S\,x^{99}+D\,E\,F\,S^2\,x^{98}+{{ A\,B\,C^2\,E\,F\,x^{98}}\over{S}}+B\,C^2\,E\,F\,x^{97}+A\,C^2\,E\,F \,x^{96}+C^2\,E\,F\,S\,x^{95}+A\,B\,C\,E\,F\,x^{94}+B\,C\,E\,F\,S\,x ^{93}+A\,C\,E\,F\,S\,x^{92}+C\,E\,F\,S^2\,x^{91}+{{A\,B\,C^2\,D^2\,F \,x^{91}}\over{S^2}}+A\,B\,E\,F\,S\,x^{90}+{{B\,C^2\,D^2\,F\,x^{90} }\over{S}}+B\,E\,F\,S^2\,x^{89}+{{A\,C^2\,D^2\,F\,x^{89}}\over{S}}+A \,E\,F\,S^2\,x^{88}+C^2\,D^2\,F\,x^{88}+E\,F\,S^3\,x^{87}+{{A\,B\,C \,D^2\,F\,x^{87}}\over{S}}+B\,C\,D^2\,F\,x^{86}+A\,C\,D^2\,F\,x^{85} +C\,D^2\,F\,S\,x^{84}+A\,B\,D^2\,F\,x^{83}+B\,D^2\,F\,S\,x^{82}+A\,D ^2\,F\,S\,x^{81}+D^2\,F\,S^2\,x^{80}+{{A\,B\,C^2\,D\,F\,x^{80} }\over{S}}+B\,C^2\,D\,F\,x^{79}+A\,C^2\,D\,F\,x^{78}+C^2\,D\,F\,S\,x ^{77}+A\,B\,C\,D\,F\,x^{76}+B\,C\,D\,F\,S\,x^{75}+A\,C\,D\,F\,S\,x^{ 74}+C\,D\,F\,S^2\,x^{73}+A\,B\,D\,F\,S\,x^{72}+B\,D\,F\,S^2\,x^{71}+ A\,D\,F\,S^2\,x^{70}+D\,F\,S^3\,x^{69}+A\,B\,C^2\,F\,x^{69}+B\,C^2\, F\,S\,x^{68}+A\,C^2\,F\,S\,x^{67}+C^2\,F\,S^2\,x^{66}+A\,B\,C\,F\,S \,x^{65}+B\,C\,F\,S^2\,x^{64}+A\,C\,F\,S^2\,x^{63}+C\,F\,S^3\,x^{62} +{{A\,B\,C^2\,D^2\,E\,x^{62}}\over{S^2}}+A\,B\,F\,S^2\,x^{61}+{{B\,C ^2\,D^2\,E\,x^{61}}\over{S}}+B\,F\,S^3\,x^{60}+{{A\,C^2\,D^2\,E\,x^{ 60}}\over{S}}+A\,F\,S^3\,x^{59}+C^2\,D^2\,E\,x^{59}+F\,S^4\,x^{58}+ {{A\,B\,C\,D^2\,E\,x^{58}}\over{S}}+B\,C\,D^2\,E\,x^{57}+A\,C\,D^2\, E\,x^{56}+C\,D^2\,E\,S\,x^{55}+A\,B\,D^2\,E\,x^{54}+B\,D^2\,E\,S\,x ^{53}+A\,D^2\,E\,S\,x^{52}+D^2\,E\,S^2\,x^{51}+{{A\,B\,C^2\,D\,E\,x ^{51}}\over{S}}+B\,C^2\,D\,E\,x^{50}+A\,C^2\,D\,E\,x^{49}+C^2\,D\,E \,S\,x^{48}+A\,B\,C\,D\,E\,x^{47}+B\,C\,D\,E\,S\,x^{46}+A\,C\,D\,E\, S\,x^{45}+C\,D\,E\,S^2\,x^{44}+A\,B\,D\,E\,S\,x^{43}+B\,D\,E\,S^2\,x ^{42}+A\,D\,E\,S^2\,x^{41}+D\,E\,S^3\,x^{40}+A\,B\,C^2\,E\,x^{40}+B \,C^2\,E\,S\,x^{39}+A\,C^2\,E\,S\,x^{38}+C^2\,E\,S^2\,x^{37}+A\,B\,C \,E\,S\,x^{36}+B\,C\,E\,S^2\,x^{35}+A\,C\,E\,S^2\,x^{34}+C\,E\,S^3\, x^{33}+{{A\,B\,C^2\,D^2\,x^{33}}\over{S}}+A\,B\,E\,S^2\,x^{32}+B\,C^ 2\,D^2\,x^{32}+B\,E\,S^3\,x^{31}+A\,C^2\,D^2\,x^{31}+A\,E\,S^3\,x^{ 30}+C^2\,D^2\,S\,x^{30}+E\,S^4\,x^{29}+A\,B\,C\,D^2\,x^{29}+B\,C\,D^ 2\,S\,x^{28}+A\,C\,D^2\,S\,x^{27}+C\,D^2\,S^2\,x^{26}+A\,B\,D^2\,S\, x^{25}+B\,D^2\,S^2\,x^{24}+A\,D^2\,S^2\,x^{23}+D^2\,S^3\,x^{22}+A\,B \,C^2\,D\,x^{22}+B\,C^2\,D\,S\,x^{21}+A\,C^2\,D\,S\,x^{20}+C^2\,D\,S ^2\,x^{19}+A\,B\,C\,D\,S\,x^{18}+B\,C\,D\,S^2\,x^{17}+A\,C\,D\,S^2\, x^{16}+C\,D\,S^3\,x^{15}+A\,B\,D\,S^2\,x^{14}+B\,D\,S^3\,x^{13}+A\,D \,S^3\,x^{12}+D\,S^4\,x^{11}+A\,B\,C^2\,S\,x^{11}+B\,C^2\,S^2\,x^{10 }+A\,C^2\,S^2\,x^9+C^2\,S^3\,x^8+A\,B\,C\,S^2\,x^7+B\,C\,S^3\,x^6+A \,C\,S^3\,x^5+C\,S^4\,x^4+A\,B\,S^3\,x^3+B\,S^4\,x^2+A\,S^4\,x+S^5 \end{align}

お楽しみ頂けたならば幸いです。

投稿日:20231125
更新日:20231227
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