Aufgabenbeispiele von Pfadregel, Kombinatorik

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Ziehen bis erstmals x kommt

Beispiel:

Werder Bremen hat mal wieder das Halbfinale des DFB-Pokals erreicht. Wie hoch ist die Wahrscheinlichkeit, dass bei der Auslosung Werder an 4. Stelle gezogen wird?
(Denk daran, den Bruch vollständig zu kürzen!)

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Die Wahrscheinlichkeit kann man dem einzig möglichen Pfad entlang ablesen:

P= 3 4 2 3 1 2 1
= 1 2 1 1 2 1
= 1 4

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Ziehen ohne Zurücklegen

Beispiel:

In einer Urne sind 6 rote, 7 blaue , 10 gelbe und 7 schwarze Kugeln. Es wird zwei mal ohne Zurücklegen eine Kugel gezogen. Wie groß ist die Wahrscheinlichkeit für "1 mal rot und 1 mal schwarz"?

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EreignisP
rot -> rot 1 29
rot -> blau 7 145
rot -> gelb 2 29
rot -> schwarz 7 145
blau -> rot 7 145
blau -> blau 7 145
blau -> gelb 7 87
blau -> schwarz 49 870
gelb -> rot 2 29
gelb -> blau 7 87
gelb -> gelb 3 29
gelb -> schwarz 7 87
schwarz -> rot 7 145
schwarz -> blau 49 870
schwarz -> gelb 7 87
schwarz -> schwarz 7 145

Einzel-Wahrscheinlichkeiten: P("rot")= 1 5 ; P("blau")= 7 30 ; P("gelb")= 1 3 ; P("schwarz")= 7 30 ;

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'rot'-'schwarz' (P= 7 145 )
'schwarz'-'rot' (P= 7 145 )


Die Lösung ist also die Summe dieser Wahrscheinlichkeiten:

7 145 + 7 145 = 14 145


Kombinatorik

Beispiel:

Kristin hat die ganze Nacht durch MatheBattle gespielt und ist jetzt erste im Highscore in ihrer Klasse, die aus 24 Schülerinnen und Schülern besteht. Da überlegt sie sich, wie viele Möglichkeiten es eigentlich gibt, wie die ersten 4 Plätze belegt sein können. Berechne diese Anzahl aller Möglichkeiten?

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Für die erste Stelle ist jede(r) SchülerIn möglich. Es gibt also 24 Möglichkeiten. Für die zweite Stelle ist der/die an erster Stelle stehende SchülerIn nicht mehr möglich, es gibt also nur noch 23 Möglichkeiten. Für die 3. Stelle fehlen dann schon 2, so dass nur noch 22 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 24 ⋅ 23 ⋅ 22 ⋅ 21 = 255024 Möglichkeiten.

n Richtige tippen (ohne Zurücklegen)

Beispiel:

Oma Hilde hat 13 Nougat-, 11 Krokant- und 13 Vollmilch-Ostereier in ein großes Osternest gepackt. Als eines ihrer Enkelkinder kommt, greift sie in das Nest und holt 19 Eier raus. Bestimme die Wahrscheinlichkeit, dass davon genau 4 Nougateier und genau 8 Vollmilcheier 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 Ostereier mit den Zahlen 1 bis 37 durchnummeriert wären.

Zuerst überlegen wir uns die Anzahl der Möglichkeiten welche 19 der insgesamt 37 Ostereier gewählt werden. Da dies ja der klassische Fall ist, bei dem man 19 von 37 Ostereier ohne Zurücklegen und ohne Berücksichtigung der Reihenfolge auswählt, können wir hierfür einfach den Binomialkoeffizienten ( 37 19 ) verwenden.

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


Es gibt ( 13 4 ) verschiedene Möglichkeiten 4 Kreuzchen auf 13 Kästchen zu verteilen.

Für die Anzahl der Möglichkeiten, die 4 gezogenen Nougateier unter den 13 Nougateier auszuwählen, können wir wieder das gleiche Modell verwenden, eben "4 verschiedene Ostereier ohne Berücksichtigung der Reihenfolge unter den 13 Nougateier ziehen", also ( 13 4 ) Möglichkeiten.


Es gibt ( 11 7 ) verschiedene Möglichkeiten 7 Kreuzchen auf 11 Kästchen zu verteilen.

Für die Anzahl der Möglichkeiten, die 7 gezogenen Krokanteier unter den 11 Krokanteier auszuwählen, können wir wieder das gleiche Modell verwenden, eben "7 verschiedene Ostereier ohne Berücksichtigung der Reihenfolge unter den 11 Krokanteier ziehen", also ( 11 7 ) Möglichkeiten.


Es gibt ( 13 8 ) verschiedene Möglichkeiten 8 Kreuzchen auf 13 Kästchen zu verteilen.

Für die Anzahl der Möglichkeiten, die 8 gezogenen Vollmilcheier unter den 13 Vollmilcheier auszuwählen, können wir wieder das gleiche Modell verwenden, eben "8 verschiedene Ostereier ohne Berücksichtigung der Reihenfolge unter den 13 Vollmilcheier ziehen", also ( 13 8 ) Möglichkeiten.

Wenn wir jetzt die günstigen Fälle betrachten, kommen wir auf ( 13 4 ) ( 11 7 ) ( 13 8 ) Möglichkeiten, weil ja jeder Fall der gezogenen Nougateier mit jedem Fall der gezogenen Krokanteier uns mit jedem Fall der gezogenen Vollmilcheier kombiniert werden kann. Da ja die Anzahl der insgesamt möglichen Fälle für "19 Ostereier aus 37 Ostereier ziehen" ( 37 19 ) 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 = ( 13 4 ) ( 11 7 ) ( 13 8 ) ( 37 19 ) 0,0172 = 1,72%

nur verschiedene (mit Zurücklegen)

Beispiel:

Ein Glücksrad mit 4 gleich großen Sektoren, die mit den Zahlen von 1 bis 4 beschriftet sind, wird 6 mal gedreht. Wie groß ist die Wahrscheinlichkeit, dass bei den 6 Drehungen eine Zahl genau 3 mal erscheint und alle anderen 3 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) 4 Möglichkeiten gibt, die sich mit den 4 Möglichkeiten jedes anderen Feldes (Drehung) kombinieren lassen, so dass es insgesamt 4⋅4⋅...⋅4 = 46 Möglichkeiten für eine solche Serie von Glücksraddrehungen gibt.

Anzahl der günstigen Fälle


Es gibt ( 6 3 ) verschiedene Möglichkeiten 3 Kreuzchen auf 6 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 ( 6 3 ) Möglichkeiten.

Da ja nur Zahlen zwischen 1 und 4 möglich sind, gibt es somit ( 6 3 ) ⋅ 4 Möglichkeiten für die Belegung der 3 Felder (Drehungen) mit gleichen Zahlen, weil ja eben jede der 4 Zahlen theoretisch 3-fach vorkommen könnte.

Jetzt bleiben noch 3 Felder (Drehungen), die mit den anderen 3 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 3! = 3⋅2⋅1 Möglichkeiten.
(3 Möglichkeiten für das erste Feld, 2 Möglichkeiten für das zweite ...)

Insgesamt erhalten wir somit ( 6 3 ) ⋅ 4 ⋅ 3⋅2⋅1 = 480 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 = ( 6 3 ) ⋅ 4 ⋅ 3⋅2⋅1 4⋅4⋅4⋅4⋅4⋅4 = 480 4096 0,1172 = 11,72%

Ohne Zurücklegen rückwärts

Beispiel:

In einem Behälter sind 6 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 = 8 15 . Bestimme eine mögliche Anzahl der blauen Kugeln.

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Insgesamt sind also n + 6 Kugeln im Behälter.

Die Wahrscheinlichkeit für "rot" beim ersten Versuch ist damit: 6 n + 6

Wenn dann auch tatsächlich "rot" aufgetreten ist, ist die Wahrscheinlichkeit für "blau" beim zweiten Versuch ist dann: n n + 5

Zwei verschiedenfarbige Kugeln zu ziehen kann ja aber auch erst blau und dann rot bedeuten. Die Wahrscheinlichkeit für diesem Fall wäre dann n n + 6 6 n + 5

Die Wahrscheinlichkeit, zwei verschiedenfarbige Kugeln zu ziehen ist also 2 6 n +6 · n n +5 . Da diese Wahrscheinlichkeit ja 8 15 ist, gilt somit:

D=R\{ -6 ; -5 }

12n ( n +6 ) ( n +5 ) = 8 15

Wir multiplizieren den Nenner ( n +6 ) ( n +5 ) weg!

12n ( n +6 ) · ( n +5 ) = 8 15 |⋅( ( n +6 ) ( n +5 ) )
12n ( n +6 ) · ( n +5 ) · ( n +6 ) ( n +5 ) = 8 15 · ( n +6 ) ( n +5 )
12 n ( n +6 ) n +6 = 8 15 ( n +6 ) ( n +5 )
12n = 8 15 ( n +6 ) ( n +5 )
12n = 8 15 n 2 + 88 15 n +16
12n = 8 15 n 2 + 88 15 n +16 |⋅ 15
180n = 15( 8 15 n 2 + 88 15 n +16 )
180n = 8 n 2 +88n +240 | -8 n 2 -88n -240
-8 n 2 +92n -240 = 0 |:4

-2 n 2 +23n -60 = 0

Lösen mit der a-b-c-Formel (Mitternachtsformel):

eingesetzt in x1,2 = - b ± b 2 -4a · c 2a ergibt:

n1,2 = -23 ± 23 2 -4 · ( -2 ) · ( -60 ) 2( -2 )

n1,2 = -23 ± 529 -480 -4

n1,2 = -23 ± 49 -4

n1 = -23 + 49 -4 = -23 +7 -4 = -16 -4 = 4

n2 = -23 - 49 -4 = -23 -7 -4 = -30 -4 = 7,5

Lösen mit der p-q-Formel (x² + px + q = 0):

Um die Gleichung auf die Form "x² + px + q = 0" zu bekommen, müssen wir zuerst die ganze Gleichung durch "-2 " teilen:

-2 n 2 +23n -60 = 0 |: -2

n 2 - 23 2 n +30 = 0

vor dem Einsetzen in x1,2 = - p 2 ± ( p 2 ) 2 - q
berechnen wir zuerst die Diskriminante D = ( p 2 ) 2 - q :

D = ( - 23 4 ) 2 - 30 = 529 16 - 30 = 529 16 - 480 16 = 49 16

x1,2 = 23 4 ± 49 16

x1 = 23 4 - 7 4 = 16 4 = 4

x2 = 23 4 + 7 4 = 30 4 = 7.5

(Alle Lösungen sind auch in der Definitionsmenge).

Es waren also 4 blaue Kugeln im Behälter.

2 Urnen

Beispiel:

In einem Kartenstapel A sind 2 Herz-Karten und 2 Kreuz-Karten. Im Kartenstapel B sind 4 Herz- und 6 Kreuz-Karten. Es wird eine Karte zufällig aus dem Stapel A gezogen und auf den Stapel B gelegt. Nach längerem Mischen werden dann die obersten beiden Karten vom Stapel B gezogen. Bestimme die Wahrscheinlichkeit, dass diese beiden aus dem Stapel B gezogenen Karten Kreuz-Karten sind.

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

1. Möglichkeit: 5 Herz und 6 Kreuz

Diese Möglichkeit tritt ein, wenn aus Stapel A eine Herz Karte 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 Kreuz-Karten zu ziehen, bestimmen:
P(Kreuz-Kreuz) = 6 11 5 10 = 3 11

Insgesamt gilt also für die Wahrscheinlichkeit, zwei Kreuz-Karten zu ziehen wenn zuvor eine Herz Karte von Stapel A gezogen wurde:
P1 = 2 4 3 11 = 3 22

2. Möglichkeit: 4 Herz und 7 Kreuz

Diese Möglichkeit tritt ein, wenn aus Stapel A eine Kreuz Karte 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 Kreuz-Karten zu ziehen, ist in diesem Fall dann:
P(Kreuz-Kreuz) = 7 11 6 10 = 21 55

Insgesamt gilt also für die Wahrscheinlichkeit, zwei Kreuz-Karten zu ziehen wenn zuvor eine Kreuz Karte von Stapel A gezogen wurde:
P2 = 2 4 21 55 = 21 110

Beide Möglichkeiten zusammen:

Insgesamt gilt somit für die Wahrscheinlichkeit, zwei Kreuz-Karten zu ziehen:

P = P1 + P2 = 3 22 + 21 110 = 18 55 .