Urnenmodelle

Urn models

Mathematik Klasse 12 18 Aufgaben
WahrscheinlichkeitKombinatorikUrnenmodellZählprinzip

Wie viele geordnete Ergebnisse hat ein Zufallsexperiment, bei dem man nacheinander aus einer Urne zieht? Mit Zurücklegen bleibt die Urne gleich und die Möglichkeiten multiplizieren sich zu nᵏ; ohne Zurücklegen schrumpft sie, und es entsteht n · (n − 1) · … Räumt zwei Verwechslungen aus: n · k statt nᵏ und das Vermischen der beiden Modelle. Die Erkennungsfrage lautet: Darf sich das Gezogene wiederholen? Bereitet den Binomialkoeffizienten (ungeordnete Auswahlen) und die Bernoulli-Kette vor, in der nur das Ziehen mit Zurücklegen die Trefferwahrscheinlichkeit p konstant hält.

Mit Zurücklegen

Eine Urne enthält vier Kugeln mit den Nummern 1 bis 4, wir ziehen zweimal. Legt man die erste Kugel zurück, ist die Urne vor dem zweiten Zug wieder wie vorher: vier Möglichkeiten im ersten Zug, vier im zweiten, zusammen geordnete Ergebnisse: Jedes der vier Ergebnisse des ersten Zugs verzweigt sich wieder in vier. Bei Zügen sind es , aus Kugeln allgemein : Die Möglichkeiten werden multipliziert, nicht addiert.

Jeder Punkt im Gitter ist ein Ergebnis mit erster Kugel und zweiter Kugel . Die vier orangefarbenen Punkte auf der Diagonalen sind „dieselbe Kugel nochmals“, die zwölf blauen Punkte zeigen zwei verschiedene Kugeln.

Der Regler schaltet das Zurücklegen aus. Welche Punkte verschwinden, und wie viele Ergebnisse bleiben?

Ohne Zurücklegen

Bleibt die gezogene Kugel draußen, wird die Urne kleiner: vier Möglichkeiten im ersten Zug, nur noch drei im zweiten, zusammen Ergebnisse. Es fehlen genau die orangefarbenen Punkte, denn dieselbe Kugel kann nicht zweimal kommen.

Der Baum zeigt es für drei Kugeln und drei Züge: erst drei Äste, dann zwei, dann einer, zusammen Pfade; ein Produkt aller Zahlen bis 1 schreibt man , gesprochen „3 Fakultät“. Bei Zügen aus Kugeln gibt es geordnete Ergebnisse.

Baumdiagramm: drei Züge ohne Zurücklegen aus drei Kugeln1. Zug 2. Zug 3. Zug A B C C B B A C C A C A B B A
Drei Züge ohne Zurücklegen aus den Kugeln A, B, C: die Astzahl sinkt von 3 auf 2 auf 1.

Ob man mit oder ohne Zurücklegen zählt, entscheidet eine Frage: Darf sich das Gezogene wiederholen? Zweimal würfeln darf dieselbe Augenzahl liefern (). Zwei Namen aus einem Lostopf mit 8 Namen müssen verschieden sein ().

Leicht
Multiple Choice #1 20s ▶ Testen

Ein Zahlenschloss hat 3 Rädchen mit je den Ziffern 0 bis 9. Wie viele verschiedene Einstellungen gibt es?

  • ● 1000
  • ○ 30
  • ○ 720
Jedes Rädchen hat unabhängig von den anderen alle 10 Ziffern zur Wahl, wie beim Ziehen mit Zurücklegen: 10 · 10 · 10 = 10³ = 1000. Die 30 addiert die Möglichkeiten, die 720 zieht ohne Zurücklegen.
Wahr / Falsch #2 15s ▶ Testen

Eine Münze wird 5-mal geworfen. Es gibt 2 · 5 = 10 mögliche Wurffolgen.

✓ Falsch
Bei jedem Wurf bleiben beide Ausgänge möglich, die Möglichkeiten multiplizieren sich: 2 · 2 · 2 · 2 · 2 = 2⁵ = 32 Wurffolgen. Mit 2 · 5 wird der Exponent mit dem Faktor verwechselt.
Multiple Choice #3 20s ▶ Testen

Der Baum zeigt zwei Züge mit Zurücklegen aus einer Urne mit drei Kugeln. Wie viele Pfade hätte der Baum bei drei Zügen?

  • ● 27
  • ○ 18
  • ○ 9
An jedem Knoten gibt es wieder alle drei Äste. Bei drei Zügen sind es 3 · 3 · 3 = 3³ = 27 Pfade. Die 9 sind die Pfade bei zwei Zügen, 18 entstünde, wenn der dritte Zug nur zwei Äste hätte.
Multiple Choice #4 20s ▶ Testen

Bei einem Lauf mit 8 Läufern werden Gold, Silber und Bronze vergeben. Wie viele verschiedene Podeste sind möglich?

  • ● 336
  • ○ 512
  • ○ 24
Wer Gold hat, kann nicht auch Silber bekommen: Die Zahl der Möglichkeiten sinkt mit jedem Platz. 8 · 7 · 6 = 336. Die 512 wären 8³ mit Zurücklegen, 24 addiert statt zu multiplizieren.
Wahr / Falsch #5 15s ▶ Testen

Aus 5 Kugeln werden nacheinander 2 ohne Zurücklegen gezogen. Es gibt 5 · 4 = 20 geordnete Ergebnisse.

✓ Wahr
Im ersten Zug sind es 5 Möglichkeiten, im zweiten nur noch 4: 5 · 4 = 20.
Multiple Choice #6 20s ▶ Testen

Der Baum zeigt zwei Züge ohne Zurücklegen aus vier Kugeln. Wie viele Pfade hätte er bei drei Zügen?

  • ● 24
  • ○ 64
  • ○ 12
Nach zwei gezogenen Kugeln sind noch 2 übrig: 4 · 3 · 2 = 24 Pfade. 64 = 4³ hieße Zurücklegen, 12 sind die Pfade bei zwei Zügen.
Multiple Choice #7 20s ▶ Testen

Welche Rechnung zählt die möglichen PIN-Codes mit 4 Ziffern, wenn Ziffern sich wiederholen dürfen?

  • ● 10 · 10 · 10 · 10
  • ○ 10 · 9 · 8 · 7
  • ○ 10 · 4
Jede Stelle darf wieder jede der 10 Ziffern sein, die Ziffer wird also „zurückgelegt“: 10⁴ = 10 000 PINs. Die Rechnung 10 · 9 · 8 · 7 setzte voraus, dass jede Ziffer nur einmal vorkommen darf.
Multiple Choice #8 20s ▶ Testen

Fünf Personen setzen sich auf fünf nebeneinanderstehende Stühle. Welche Rechnung zählt die Sitzordnungen?

  • ● 5 · 4 · 3 · 2 · 1
  • ○ 5 · 5 · 5 · 5 · 5
  • ○ 5 · 5
Wer schon sitzt, kommt für den nächsten Stuhl nicht mehr in Frage: Ziehen ohne Zurücklegen, 5 · 4 · 3 · 2 · 1 = 120. 5⁵ = 3125 würde erlauben, dass eine Person mehrere Stühle besetzt.
Wahr / Falsch #9 15s ▶ Testen

Wer drei Karten nacheinander aus einem Skatblatt mit 32 Karten zieht und sie dabei behält, zählt die geordneten Ergebnisse mit 32 · 32 · 32.

✓ Falsch
Behaltene Karten sind aus dem Stapel: Ziehen ohne Zurücklegen, also 32 · 31 · 30 = 29 760.
Multiple Choice #10 20s ▶ Testen

Der Baum hat in der ersten Stufe drei Äste und danach an jedem Knoten zwei. Zu welcher Situation passt er?

  • ● Drei Läufer, Gold und Silber werden vergeben
  • ○ Ein Würfel mit drei Seiten wird zweimal geworfen
  • ○ Drei Münzen werden nacheinander geworfen
Wenn die Astzahl von 3 auf 2 sinkt, wird etwas verbraucht: Ein Läufer mit Gold kann nicht auch Silber bekommen (3 · 2 = 6). Die beiden anderen Situationen behalten in jedem Zug alle Möglichkeiten (3 · 3 bzw. 2 · 2 · 2).
Mittel
Zahleneingabe #1 30s ▶ Testen

Ein Test hat 6 Fragen mit je 3 Antwortmöglichkeiten. Wie viele verschiedene Ankreuzmuster gibt es?

✓ Antwort: 729
6 Fragen mit je 3 Möglichkeiten: 3 · 3 · 3 · 3 · 3 · 3 = 3⁶ = 729.
Zahleneingabe #2 30s ▶ Testen

Aus einer Urne mit 5 Kugeln werden 3 ohne Zurücklegen nacheinander gezogen. Wie viele geordnete Ergebnisse gibt es?

✓ Antwort: 60
5 · 4 · 3 = 60: Bei jedem Zug ist eine Kugel weniger in der Urne.
Zahleneingabe #3 30s ▶ Testen

Vier verschiedene Bücher werden nebeneinander ins Regal gestellt, jedes genau einmal. Wie viele Anordnungen gibt es?

✓ Antwort: 24
Jedes Buch wird verbraucht: Ziehen ohne Zurücklegen, 4 · 3 · 2 · 1 = 24.
Schwer
Zahleneingabe #1 30s ▶ Testen

Ein Passwort besteht aus 4 Kleinbuchstaben (26 Buchstaben, Wiederholungen erlaubt). Wie viele Passwörter gibt es?

✓ Antwort: 456976
Vier Stellen mit je 26 Möglichkeiten: 26⁴ = 456 976.
KI-bewertete Rechnung #2 240s ▶ Testen

Ein Test hat 8 Fragen mit je 4 Antworten, genau eine ist richtig. Eine Schülerin kreuzt rein zufällig an. Beschreibe das passende Urnenmodell, bestimme die Zahl der möglichen Ankreuzmuster und die Wahrscheinlichkeit, dass sie genau das Muster des Lösungsschlüssels trifft. Schreibe deine Rechnung auf Papier und fotografiere sie.

✓ Antwort: Urne mit 4 Kugeln (A, B, C, D), 8 Züge mit Zurücklegen, denn bei jeder Frage stehen wieder alle 4 Antworten zur Wahl. Anzahl der Muster: 4⁸ = 65536. Alle Muster sind gleich wahrscheinlich, also P(Lösungsschlüssel) = 1/65536 ≈ 0,0000153.
Jede der 8 Fragen ist ein Zug, jede Antwort eine Kugel; weil alle vier Antworten immer wieder wählbar sind, wird zurückgelegt. Das Zählprinzip gibt 4⁸ = 65 536 Muster, genau eines davon ist der Schlüssel.
Zahleneingabe #3 30s ▶ Testen

Ein Verein mit 12 Mitgliedern wählt Vorsitzende, Kassenwart und Schriftführer; niemand darf zwei Ämter haben. Wie viele Besetzungen gibt es?

✓ Antwort: 1320
12 · 11 · 10 = 1320: Für jedes Amt bleibt ein Mitglied weniger zur Wahl.
KI-bewertete Rechnung #4 240s ▶ Testen

Aus 9 Bewerbern werden nacheinander ein Kapitän und ein Stellvertreter bestimmt (niemand hat beide Rollen). Beschreibe das Urnenmodell, bestimme die Anzahl der Besetzungen und die Wahrscheinlichkeit, dass Anna Kapitänin und Ben Stellvertreter wird, wenn alle Besetzungen gleich wahrscheinlich sind. Schreibe deine Rechnung auf Papier und fotografiere sie.

✓ Antwort: Urne mit 9 Kugeln, 2 Züge ohne Zurücklegen (wer Kapitän ist, kann nicht auch Stellvertreter sein). Anzahl: 9 · 8 = 72 Besetzungen. Genau eine davon ist (Anna, Ben): P = 1/72 ≈ 0,0139.
Im ersten Zug 9 Möglichkeiten, im zweiten 8: 72 geordnete Paare, ein günstiges. Laplace: 1/72.
Zahleneingabe #5 30s ▶ Testen

Aus 6 Schülern werden nacheinander ein Sprecher und eine Vertreterin bestimmt, niemand hat beide Rollen. Wie viele Besetzungen gibt es?

✓ Antwort: 30
Ziehen ohne Zurücklegen: 6 · 5 = 30.