Das Urnenmodell ist eine Denkhilfe in der Kombinatorik, um (mehrstufige) Zufallsexperimente zu modellieren. Es heißt so, weil man sich diese Experimente wie das Ziehen von Kugeln aus einer Urne vorstellt.
Urne mit n = 6 Kugeln. Quelle: Wikipedia
Das Modell
In einer Urne befinden sich n Kugeln.
Per Zufall (also ohne dabei zu sehen oder aussuchen) werden k davon herausgezogen.
Bemerkung: Bei manchen Experimenten macht es Sinn, alle Kugeln voneinander unterscheiden zu können. Bei anderen Experimenten ist es nicht so wichtig. Dafür stellt man sich entweder vor,
dass jede Kugel eine eindeutige Nummer bekommt oder,
dass jede Kugel eine Farbe hat (die sich aber wiederholen kann).
Verschiedene Experimente mit dem Urnenmodell
Ziehen mit Zurücklegen bzw. ohne Zurücklegen
Wenn man mehr als einmal zieht, so kann das Ziehen auf zwei Arten erfolgen:
Quelle: Wikipedia
Entweder wird die Kugel nach dem Zug wieder in die Urne zurückgelegt (sodass sie beim nächsten Zug wieder ausgewählt werden kann),
Quelle: Wikipedia
oder die Kugel wird nach dem Zug nicht wieder zurückgelegt (sodass sie bei den nächsten Zügen nicht mehr ausgewählt werden kann).
Wichtige Unterschiede
Beim Ziehen mit Zurücklegen gibt es immer gleich viele Kugeln in der Urne, bevor man eine zieht.
Beim Ziehen ohne Zurücklegen gibt es nach jedem Ziehen immer eine Kugel weniger. Hier kann also die Urne leer werden, wenn man oft genug zieht.
Ziehen mit Beachtung der Reihenfolge bzw. ohne Beachtung der Reihenfolge
Wird mehr als ein Mal gezogen, so kann man sich manchmal dafür interessieren, in welcher Reihenfolge die Kugeln gezogen werden.
Genauso gut kann man sich auch nur für das Endergebnis interessieren. Zum Beispiel nach fünfmal ziehen, will man wissen, welche fünf Kugeln draußen sind, und es ist egal, welche Kugel zuerst gezogen wurde.
Wichtige Unterschiede
Wenn man die Reihenfolge beachtet, zählt man die gezogenen Kugeln
und
als zwei verschiedene Ergebnisse.
Ist die Reihenfolge egal, dann werden beide Möglichkeiten als dieselbe gezählt.
Merke: Ohne Beachtung der Reihenfolge gibt es immer weniger Kombinationsmöglichkeiten!
Beispiele für verschiedene Anwendungen des Urnenmodells
Ziehen mit Zurücklegen und mit Beachtung der Reihenfolge
Beispiele:
Problemstellung | Modellierung mit dem Urnenmodell |
|---|---|
Aus den Ziffern von … soll eine vierstellige Zahlenkombination für ein Zahlenschloss gebildet werden. (Dabei darf natürlich eine Ziffer auch mehrfach vorkommen.) Wie viele Möglichkeiten gibt es dafür? | In der Urne befinden sich Kugeln, auf denen jeweils eine Ziffer aus den Ziffern von bis steht. Es wird -mal nacheinander, mit Zurücklegen und mit Beachtung der Reihenfolge je eine Kugel gezogen und die Nummer der gezogenen Kugel notiert. |
Eine Münze wird 6 mal geworfen. | In der Urne befinden sich Kugeln, auf denen Kopf oder Zahl steht. Es wird 6-mal nacheinander mit Zurücklegen und mit Beachtung der Reihenfolge je eine Kugel gezogen und notiert welche Kugel gezogen wurde. |
Ein Würfel wird -mal geworfen und jeweils die Augenzahl notiert. Wie viele Möglichkeiten gibt es für die entstehende Folge an Zahlen? | In der Urne befinden sich Kugeln, auf denen jeweils eine Ziffer aus den Ziffern von bis steht. Es wird -mal nacheinander, mit Zurücklegen und mit Beachtung der Reihenfolge je eine Kugel gezogen und die Nummer der gezogenen Kugel notiert. |
Ziehen ohne Zurücklegen und mit Beachtung der Reihenfolge
Beispiel:
Problemstellung: | Modellierung im Urnenmodell |
|---|---|
Bei einem Wettkampf treten Sportler gegeneinander an. Vergeben werden eine Gold-, eine Silber- und eine Bronzemedaille. Auf wie viele Arten ist das möglich? (Das heißt: Wie viele "Siegerkonstellationen" sind möglich?) | In der Urne befinden sich Kugeln, auf denen die Namen der Wettkämpfer stehen. Es wird -mal nacheinander ohne Zurücklegen und mit Beachtung der Reihenfolge je eine Kugel gezogen und der Name auf der gezogenen Kugel notiert. |
Ziehen ohne Zurücklegen und ohne Beachtung der Reihenfolge
Beispiele:
Problemstellung | Modellierung im Urnenmodell |
|---|---|
Aus Farbstiften darf sich Max Farben aussuchen. Wie viele Möglichkeiten hat er dafür? | In der Urne befinden sich Kugeln, auf denen jeweils eine der Farben steht. Es wird -mal ohne Zurücklegen und ohne Beachtung der Reihenfolge je eine Kugel gezogen und die Farbe auf der gezogenen Kugel notiert. |
Aus Zahlen werden beim Lotto " aus " sechs Zahlen ausgewählt. Wie viele Möglichkeiten gibt es insgesamt? | In der Urne befinden sich Kugeln, auf denen jeweils eine Zahl aus den Zahlen von bis steht. Es wird -mal ohne Zurücklegen und ohne Beachtung der Reihenfolge je eine Kugel gezogen und die Nummer der gezogenen Kugel notiert. |
Ziehen mit Zurücklegen und ohne Beachtung der Reihenfolge
Beispiel:
Problemstellung | Modellierung im Urnenmodell |
|---|---|
Für ein Amt bewerben sich Kandidaten; gewählt werden sie von Personen. Wie viele Möglichkeiten der Stimmenverteilung gibt es? | In der Urne befinden sich Kugeln, auf denen die Namen der drei Kandidaten stehen. Es wird -mal nacheinander mit Zurücklegen und ohne Beachtung der Reihenfolge je eine Kugel gezogen und der Name auf der gezogenen Kugel notiert. |
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