MathematikKlasse 8–10

Mehrstufige Zufallsexperimente und Pfadregeln

Ziehe Kugeln aus einer Urne, mit oder ohne Zurücklegen. Das Baumdiagramm und die Pfadregeln zeigen, wie man Wahrscheinlichkeiten berechnet.

Simulation wird geladen …

Worum geht es?

Bei einem mehrstufigen Zufallsexperiment wird ein einfaches Experiment mehrmals hintereinander ausgeführt – hier: Aus einer Urne mit 33 roten und 22 blauen Kugeln wird zweimal gezogen. Ein Baumdiagramm zeigt alle möglichen Abläufe: Jede Stufe ist ein Zug, jeder Ast ein mögliches Ergebnis dieses Zuges, jeder Pfad von links nach rechts ein Ergebnis des ganzen Experiments.

An die Äste schreibt man die Wahrscheinlichkeiten. Beim ersten Zug sind das 35\frac35 (rot) und 25\frac25 (blau). Beim zweiten Zug kommt es darauf an:

  • Mit Zurücklegen: Die Urne ist wieder wie vorher, die Äste tragen wieder 35\frac35 und 25\frac25.
  • Ohne Zurücklegen: Es sind nur noch 44 Kugeln da. Wurde zuerst Rot gezogen, ist Rot jetzt 24\frac24, Blau 24\frac24.

1. Pfadregel (Produktregel): Die Wahrscheinlichkeit eines Pfades ist das Produkt der Wahrscheinlichkeiten entlang des Pfades:

ohne Zuru¨cklegen: P(rot, rot)=35⋅24=620=310,mit Zuru¨cklegen: P(rot, rot)=35⋅35=925.\text{ohne Zurücklegen: } P(\text{rot, rot}) = \frac35 \cdot \frac24 = \frac{6}{20} = \frac{3}{10}, \qquad \text{mit Zurücklegen: } P(\text{rot, rot}) = \frac35 \cdot \frac35 = \frac{9}{25}.

2. Pfadregel (Summenregel): Die Wahrscheinlichkeit eines Ereignisses ist die Summe der Wahrscheinlichkeiten aller Pfade, die zu ihm gehören:

P(beide gleichfarbig)=P(rr)+P(bb)=310+110=25(ohne Zuru¨cklegen).P(\text{beide gleichfarbig}) = P(rr) + P(bb) = \frac{3}{10} + \frac{1}{10} = \frac25 \quad (\text{ohne Zurücklegen}).

An jeder Verzweigung ergeben die Äste zusammen 11, und alle Pfade zusammen ebenfalls 11. Daraus folgt der Weg über das Gegenereignis: Hat das Gegenereignis weniger Pfade, rechnet man P(E)=1−P(E‾)P(E) = 1 - P(\overline{E}), z. B. P(mindestens eine rote)=1−P(bb)=1−110=910P(\text{mindestens eine rote}) = 1 - P(bb) = 1 - \frac{1}{10} = \frac{9}{10}.

Sonderfälle ohne Zurücklegen:

  • Ist eine Farbe aufgebraucht, hat ihr Ast die Wahrscheinlichkeit 00 – im Baum als gestrichelter Stummel „0/…“ gezeichnet.
  • Nach so vielen Zügen, wie Kugeln in der Urne sind, ist sie leer; mehr Züge sind nicht möglich.

Simulation: Wird das Experiment oft wiederholt, liegen die relativen Häufigkeiten meist nahe bei den Wahrscheinlichkeiten (empirisches Gesetz der großen Zahlen). Der helle Trichter zeigt, in welchem Bereich die relative Häufigkeit nach NN Durchgängen in etwa 95 %95\,\% der Fälle liegt.

Ausprobieren

  1. Ziehe einmal: Die Kugeln fliegen aus der Urne, der Pfad leuchtet im Baum auf. Was ändert sich in der Urne beim zweiten Zug? Ziehen
  2. Vergleiche beide Bäume nebeneinander. Welche Brüche sind gleich, welche nicht? Mit und ohne Zurücklegen
  3. Lass die Rechnung für „beide gleichfarbig“ ablaufen: Erst entstehen die Produkte, dann die Summe. Pfadregeln
  4. Bei „mindestens eine rote“ hat das Gegenereignis nur einen Pfad – sieh dir an, wie die Rechnung dann aussieht. Gegenereignis
  5. Starte 1000-mal ziehen und beobachte, wie sich die Kurve in den Trichter legt. Simulation
  6. Wähle selbst antippen und tippe Pfade an. So kannst du beliebige Ereignisse zusammenstellen. Selbst wählen
  7. Stelle eine kleine Urne mit 22 roten Kugeln und einer blauen Kugel ein und ziehe dreimal. Wo endet ein Ast mit 00? Kleine Urne

Aufgaben

Aufgabe 1: Pfadwahrscheinlichkeiten

In der Urne liegen 33 rote und 22 blaue Kugeln. Es wird zweimal ohne Zurücklegen gezogen. Berechne die Wahrscheinlichkeiten aller vier Pfade und prüfe, ob sie zusammen 11 ergeben. Aufgabe laden

Lösung anzeigen

P(rr)=35⋅24=310P(rr) = \frac35 \cdot \frac24 = \frac{3}{10}, P(rb)=35⋅24=310P(rb) = \frac35 \cdot \frac24 = \frac{3}{10}, P(br)=25⋅34=310P(br) = \frac25 \cdot \frac34 = \frac{3}{10}, P(bb)=25⋅14=110P(bb) = \frac25 \cdot \frac14 = \frac{1}{10}. Summe: 3+3+3+110=1\frac{3 + 3 + 3 + 1}{10} = 1 ✓. In der Simulation zeigen

Aufgabe 2: Mit und ohne Zurücklegen

Wie groß ist die Wahrscheinlichkeit, zwei Kugeln gleicher Farbe zu ziehen – mit und ohne Zurücklegen? Erkläre den Unterschied. Aufgabe laden

Lösung anzeigen

Ohne Zurücklegen: 310+110=25=40 %\frac{3}{10} + \frac{1}{10} = \frac25 = 40\,\%. Mit Zurücklegen: 925+425=1325=52 %\frac{9}{25} + \frac{4}{25} = \frac{13}{25} = 52\,\%. Ohne Zurücklegen fehlt beim zweiten Zug eine Kugel der zuerst gezogenen Farbe – gleiche Farben werden seltener. In der Simulation zeigen

Aufgabe 3: Mindestens eine rote

Es wird dreimal mit Zurücklegen gezogen. Berechne P(mindestens eine rote Kugel)P(\text{mindestens eine rote Kugel}) geschickt. Aufgabe laden

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Über das Gegenereignis „keine rote“: 1−(25)3=1−8125=117125=93,6 %1 - \left(\frac25\right)^3 = 1 - \frac{8}{125} = \frac{117}{125} = 93{,}6\,\%. Direkt müsste man sieben Pfade addieren. In der Simulation zeigen

Aufgabe 4: Sicher mindestens eine rote?

Jetzt dreimal ohne Zurücklegen. Begründe, warum P(mindestens eine rote)=1P(\text{mindestens eine rote}) = 1 ist. Aufgabe laden

Lösung anzeigen

Es gibt nur 22 blaue Kugeln. Nach zwei blauen ist Blau aufgebraucht (Ast „0/3“), der dritte Zug ist sicher rot. Das Gegenereignis „keine rote“ ist unmöglich, also P=1−0=1P = 1 - 0 = 1. In der Simulation zeigen

Aufgabe 5: Drei Farben

Die Urne enthält 22 rote, 33 blaue und 11 grüne Kugel. Es wird zweimal ohne Zurücklegen gezogen. Mit welcher Wahrscheinlichkeit haben die beiden Kugeln verschiedene Farben? Aufgabe laden

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Gegenereignis „gleiche Farbe“: 26⋅15+36⋅25=230+630=830=415\frac26 \cdot \frac15 + \frac36 \cdot \frac25 = \frac{2}{30} + \frac{6}{30} = \frac{8}{30} = \frac{4}{15} (zwei grüne gibt es nicht). Also P=1−415=1115≈73,3 %P = 1 - \frac{4}{15} = \frac{11}{15} \approx 73{,}3\,\%. In der Simulation zeigen

Aufgabe 6: Eine kleine Urne

In einer Urne liegen 22 rote und 11 blaue Kugel. Es werden alle drei nacheinander gezogen. Mit welcher Wahrscheinlichkeit kommt die blaue Kugel zuletzt? Aufgabe laden

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Der Pfad rrbrrb: 23⋅12⋅1=13\frac23 \cdot \frac12 \cdot 1 = \frac13. Alle drei Pfade sind gleich wahrscheinlich – die blaue Kugel landet mit gleicher Wahrscheinlichkeit an jeder Stelle. In der Simulation zeigen

Ideen für den Unterricht

  • Einsatz: Mittelstufe: Laplace-Experimente und Baumdiagramme, später zusammengesetzte Zufallsexperimente und stochastische Simulationen.
  • Echte Urne daneben: Zuerst einige Male mit einer echten Urne ziehen, dann mit der Ansicht „Simulation“ vergleichen – sie ersetzt die vielen Wiederholungen.
  • Bruchdarstellung: Die Äste zeigen bewusst ungekürzte Brüche (z. B. 24\frac24), damit der Inhalt der Urne erkennbar bleibt; erst die Produkte werden gekürzt.
  • Häufige Stolpersteine:
    • Ohne Zurücklegen werden im zweiten Zug dieselben Wahrscheinlichkeiten wie im ersten verwendet.
    • Wahrscheinlichkeiten entlang eines Pfades werden addiert statt multipliziert.
    • Pfade wie rbrb und brbr werden als dasselbe Ergebnis gezählt und nur einmal addiert.
    • Bei „mindestens einmal“ werden nicht alle passenden Pfade erfasst; das Gegenereignis ist oft einfacher.