Aufgabenbeispiele von Pfadregel, Kombinatorik

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Ziehen bis erstmals x kommt

Beispiel:

Eine Lehrerin sammelt die Hausaufgaben von einigen Schülern ein, um zu kontrollieren, ob diese auch ordentlich gemacht wurden. Aus Zeitgründen möchte sie aber nicht alle, sondern nur ein paar wenige einsammeln, welche durch ein Losverfahren ausgewählt werden. Aus (der unbegründeten) Angst ungerecht behandelt zu werden, bestehen die 3 Jungs darauf, dass unbedingt immer eine Hausaufgabe eines der 24 Mädchen der Klasse eingesammelt wird. Deswegen wird solange gelost, bis das erste Mädchen gezogen wird. Wie groß ist die Wahrscheinlichkeit, dass dies beim 4. Losdurchgang passiert?
(Denk daran, den Bruch vollständig zu kürzen!)

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Die Wahrscheinlichkeit kann man dem einzig möglichen Pfad entlang ablesen:

P= 3 27 2 26 1 25 24 24
= 1 9 1 13 1 25 4 4
= 1 2925

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Ziehen ohne Zurücklegen

Beispiel:

In einer Urne sind 9 rote, 8 blaue , 7 gelbe und 6 schwarze Kugeln. Es wird zwei mal ohne zurücklegen eine Kugel gezogen. Wie groß ist die Wahrscheinlichkeit für "1 mal rot und 1 mal blau"?

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EreignisP
rot -> rot 12 145
rot -> blau 12 145
rot -> gelb 21 290
rot -> schwarz 9 145
blau -> rot 12 145
blau -> blau 28 435
blau -> gelb 28 435
blau -> schwarz 8 145
gelb -> rot 21 290
gelb -> blau 28 435
gelb -> gelb 7 145
gelb -> schwarz 7 145
schwarz -> rot 9 145
schwarz -> blau 8 145
schwarz -> gelb 7 145
schwarz -> schwarz 1 29

Einzel-Wahrscheinlichkeiten: rot: 3 10 ; blau: 4 15 ; gelb: 7 30 ; schwarz: 1 5 ;

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'rot'-'blau' (P= 12 145 )
'blau'-'rot' (P= 12 145 )


Die Lösung ist also die Summe dieser Wahrscheinlichkeiten:

12 145 + 12 145 = 24 145


Kombinatorik

Beispiel:

Es findet ein Staffellauf im Biathlon der Herren statt. Der Trainer muss 4 Starter und auch die Reihenfolge der Starter nennen. In seinem Team sind 9 geeignete Kandidaten.Wie viele Startmöglichkeiten gibt es?

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Für die erste Stelle ist jede(r) Kandidat möglich. Es gibt also 9 Möglichkeiten. Für die zweite Stelle ist der/die an erster Stelle stehende Kandidat nicht mehr möglich, es gibt also nur noch 8 Möglichkeiten. Für die 3. Stelle fehlen dann schon 2, so dass nur noch 7 möglich sind, usw.

Da ja jede Möglichkeit der ersten Stelle mit den Möglichkeiten der zweiten, dritten, ... Stelle kombinierbar sind, müssen wir die verschiedenen Möglichkeiten an den verschiedenen Stellen multiplizieren:

also 9 ⋅ 8 ⋅ 7 ⋅ 6 = 3024 Möglichkeiten.

n Richtige tippen (ohne Zurücklegen)

Beispiel:

In einem Behälter sind 8 blaue und 14 gelbe Kugeln. Es werden 7 Kugeln aus dem Behälter zufällig gezogen. Bestimme die Wahrscheinlichkeit, dass davon genau 3 Kugeln blau sind.
(Bitte auf 4 Stellen nach dem Komma runden - keine Prozentzahl)

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Zum besseren Verständnis könnnen wir uns ja vorstellen, dass alle Kugeln mit den Zahlen 1 bis 22 durchnummeriert wären.

Zuerst überlegen wir uns die Anzahl der Möglichkeiten welche 7 der insgesamt 22 Kugeln gewählt werden. Da dies ja der klassische Fall ist, bei dem man 7 von 22 Kugeln ohne Zurücklegen und ohne Berücksichtigung der Reihenfolge auswählt, können wir hierfür einfach den Binomialkoeffizienten ( 22 7 ) verwenden.

Jetzt überlegen wir uns, wie viele günstige Möglichkeiten es gibt:


Es gibt ( 8 3 ) verschiedene Möglichkeiten 3 Kreuzchen auf 8 Kästchen zu verteilen.

Für die Anzahl der Möglichkeiten, die 3 gezogenen blauen unter den 8 blauen Kugeln auszuwählen, können wir wieder das gleiche Modell verwenden, eben "3 verschiedene Kugeln ohne Berücksichtigung der Reihenfolge unter den 8 blauen Kugeln ziehen", also ( 8 3 ) Möglichkeiten.


Es gibt ( 14 4 ) verschiedene Möglichkeiten 4 Kreuzchen auf 14 Kästchen zu verteilen.

Für die Anzahl der Möglichkeiten, die 4 gezogenen gelben unter den 14 gelben Kugeln auszuwählen, können wir wieder das gleiche Modell verwenden, eben "4 verschiedene Kugeln ohne Berücksichtigung der Reihenfolge unter den 14 gelben Kugeln ziehen", also ( 14 4 ) Möglichkeiten.

Wenn wir jetzt die günstigen Fälle betrachten, kommen wir auf ( 8 3 ) ( 14 4 ) Möglichkeiten, weil ja jeder Fall der gezogenen blauen mit jedem Fall der gezogenen gelben kombiniert werden kann. Da ja die Anzahl der insgesamt möglichen Fälle für "7 Kugeln aus 22 Kugeln ziehen" ( 22 7 ) ist, können wir nun die Wahrscheinlichkiet als Quotient der günstigen Fälle durch alle möglichen Fälle berechnen:

P = Anzahl der günstigen Fälle Anzahl aller möglichen Fälle = ( 8 3 ) ( 14 4 ) ( 22 7 ) = 56056 170544 0,3287 = 32,87%

nur verschiedene (mit Zurücklegen)

Beispiel:

Ein Glücksrad mit 5 gleich großen Sektoren, die mit den Zahlen von 1 bis 5 beschriftet sind, wird 7 mal gedreht. Wie groß ist die Wahrscheinlichkeit, dass bei den 7 Drehungen eine Zahl genau 3 mal erscheint und alle anderen 4 Zahlen genau einmal?
(Bitte auf 4 Stellen nach dem Komma runden - keine Prozentzahl)

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Anzahl der möglichen Fälle

Man erkennt schnell, dass es für jedes Feld (hier: Drehung) 5 Möglichkeiten gibt, die sich mit den 5 Möglichkeiten jedes anderen Feldes (Drehung) kombinieren lassen, so dass es insgesamt 5⋅5⋅...⋅5 = 57 Möglichkeiten für eine solche Serie von Glücksraddrehungen gibt.

Anzahl der günstigen Fälle


Es gibt ( 7 3 ) verschiedene Möglichkeiten 3 Kreuzchen auf 7 Kästchen zu verteilen.
Für die Anzahl der günstigen (oder gesuchten) Möglichkeiten überlegen wir uns am besten zuerst, wie viele Möglichkeiten es für die 3 Felder (Drehungen) gibt, auf denen die 3 gleichen Zahlen stehen.
Hierfür gibt es ( 7 3 ) Möglichkeiten.

Da ja nur Zahlen zwischen 1 und 5 möglich sind, gibt es somit ( 7 3 ) ⋅ 5 Möglichkeiten für die Belegung der 3 Felder (Drehungen) mit gleichen Zahlen, weil ja eben jede der 5 Zahlen theoretisch 3-fach vorkommen könnte.

Jetzt bleiben noch 4 Felder (Drehungen), die mit den anderen 4 Zahlen belegt werden können, wobei dabei jede Zahl genau einmal vorkommen muss. Auch das ist ja ein bekanntes Modell (n Zahlen auf n Felder verteilen): Hier gibt es 4! = 4⋅3⋅2⋅1 Möglichkeiten.
(4 Möglichkeiten für das erste Feld, 3 Möglichkeiten für das zweite ...)

Insgesamt erhalten wir somit ( 7 3 ) ⋅ 5 ⋅ 4⋅3⋅2⋅1 = 4200 günstige Möglichkeiten

Die gesuchte Wahrscheinlichkeit können wir somit als Quotient der günstigen Fälle durch alle möglichen Fälle berechnen:

P = Anzahl der günstigen Fälle Anzahl aller möglichen Fälle = ( 7 3 ) ⋅ 5 ⋅ 4⋅3⋅2⋅1 5⋅5⋅5⋅5⋅5⋅5⋅5 = 4200 78125 0,0538 = 5,38%

Ohne Zurücklegen rückwärts

Beispiel:

In einem Behälter sind 8 rote und ein unbekannte Zahl n blaue Kugeln. Es wird 2 mal ohne zurücklegen eine Kugel gezogen. Dabei beträgt die Wahrscheinlichkeit, zwei verschiedenfarbige Kugeln zu ziehen, P = 16 33 . Bestimme eine mögliche Anzahl der blauen Kugeln.

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Insgesamt sind also n + 8 Kugeln im Behälter.

Die Wahrscheinlichkeit für "rot" beim ersten Versuch ist damit: 8 n + 8

Wenn dann auch tatsächlich "rot" aufgetreten ist, ist die Wahrscheinlichkeit für "blau" beim zweiten Versuch ist dann: n n + 7

Zwei verschiedenfarbige Kugeln zu ziehen kann ja aber auch erst blau und dann rot bedeuten. Die Wahrscheinlichkeit für diesem Fall wäre dann n n + 8 8 n + 7

Die Wahrscheinlichkeit, zwei verschiedenfarbige Kugeln zu ziehen ist also 2 8 n +8 · n n +7 . Da diese Wahrscheinlichkeit ja 16 33 ist, gilt somit:

D=R\{ -8 ; -7 }

16n ( n +8 ) ( n +7 ) = 16 33

Wir multiplizieren den Nenner ( n +8 ) ( n +7 ) weg!

16n ( n +8 ) · ( n +7 ) = 16 33 |⋅( ( n +8 ) ( n +7 ) )
16n ( n +8 ) · ( n +7 ) · ( n +8 ) ( n +7 ) = 16 33 · ( n +8 ) ( n +7 )
16 n ( n +8 ) n +8 = 16 33 ( n +8 ) ( n +7 )
16n = 16 33 ( n +8 ) ( n +7 )
16n = 16 33 n 2 + 80 11 n + 896 33
16n = 16 33 n 2 + 80 11 n + 896 33 |⋅ 33
528n = 33( 16 33 n 2 + 80 11 n + 896 33 )
528n = 16 n 2 +240n +896 | -16 n 2 -240n -896
-16 n 2 +288n -896 = 0 |:16

- n 2 +18n -56 = 0

eingesetzt in die Mitternachtsformel (a-b-c-Formel):

n1,2 = -18 ± 18 2 -4 · ( -1 ) · ( -56 ) 2( -1 )

n1,2 = -18 ± 324 -224 -2

n1,2 = -18 ± 100 -2

n1 = -18 + 100 -2 = -18 +10 -2 = -8 -2 = 4

n2 = -18 - 100 -2 = -18 -10 -2 = -28 -2 = 14

(Alle Lösungen sind auch in der Definitionsmenge).

Es waren also 4 oder 14 blaue Kugeln im Behälter.

2 Urnen

Beispiel:

In einem Behälter A sind 2 rote und 2 blaue Kugeln. Im Behälter B sind 10 rote und 5 blaue Kugeln. Es wird eine Kugel zufällig aus Behälter A gezogen und in den Behälter B gelegt. Dann werden zwei Kugeln gleichzeitg aus Behälter B gezogen. Bestimme die Wahrscheinlichkeit, dass diese beiden Kugeln aus Behälter B beide blau sind.

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Es gibt zwei Möglichkeiten, wie Behälter B nach der ersten Ziehung aus Behälter A bestückt ist:

1. Möglichkeit: 11 rote und 5 blaue

Diese Möglichkeit tritt ein, wenn aus Behälter A eine rote Kugel gezogen wird.

Die Wahrscheinlichkeit, dass dieser Fall überhaupt eintritt, ist 2 4 .

Wenn dann dieser Fall eingetreten ist, können wir über ein Baumdiagramm die Wahrscheinlichkeit, zwei blaue Kugeln zu ziehen, bestimmen:
P(blau-blau) = 5 16 4 15 = 1 12

Insgesamt gilt also für die Wahrscheinlichkeit, zwei blaue Kugeln zu ziehen wenn zuvor eine rote Kugel von Behälter A gezogen wurde:
P1 = 2 4 1 12 = 1 24

2. Möglichkeit: 10 rote und 6 blaue

Diese Möglichkeit tritt ein, wenn aus Behälter A eine blaue Kugel gezogen wird.

Die Wahrscheinlichkeit, dass dieser Fall überhaupt eintritt, ist 2 4 .

Wenn dann dieser Fall eingetreten ist, verändern sich am Baumdiagramm eben die Wahrscheinlichkeiten.
Die Wahrscheinlichkeit, zwei blaue Kugeln zu ziehen, ist in diesem Fall dann:
P(blau-blau) = 6 16 5 15 = 1 8

Insgesamt gilt also für die Wahrscheinlichkeit, zwei blaue Kugeln zu ziehen wenn zuvor eine blaue Kugel von Behälter A gezogen wurde:
P2 = 2 4 1 8 = 1 16

Beide Möglichkeiten zusammen:

Insgesamt gilt somit für die Wahrscheinlichkeit, zwei blaue Kugeln zu ziehen:

P = P1 + P2 = 1 24 + 1 16 = 5 48 .