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Ein Urnenmodell ist ein Gedankenexperiment das in der Wahrscheinlichkeitstheorie und in der Statistik verwendet wird um verschiedene Zufallsexperimente auf einheitliche und anschauliche Weise zu modellieren Dazu wird ein fiktives Gefass Urne genannt mit einer bestimmten Anzahl an Kugeln gefullt die anschliessend zufallig gezogen werden Damit ist gemeint dass bei jedem Zug alle in der Urne befindlichen Kugeln die gleiche Wahrscheinlichkeit haben ausgewahlt zu werden Dadurch kann die Bestimmung interessierender Wahrscheinlichkeiten auf die Losung kombinatorischer Abzahlprobleme zuruckgefuhrt werden Mit Urnenmodellen wird die Wahr scheinlichkeit fur das Auftreten bestimmter Farbkombinationen untersucht wenn aus einer Urne mit verschieden farbigen Kugeln zufallig ausgewahlte Kugeln gezogen werden Man unterscheidet Ziehungen mit Zurucklegen bei denen jede Kugel nach ihrer Registrierung wieder in die Urne zuruckgelegt wird von Ziehungen ohne Zurucklegen bei denen eine einmal gezogene Kugel nicht wieder zuruckgelegt wird Viele wichtige Wahrscheinlichkeitsverteilungen wie beispielsweise die diskrete Gleichverteilung die Binomialverteilung die Multinomialverteilung die hypergeometrische Verteilung die geometrische Verteilung oder die negative Binomialverteilung konnen mit Hilfe von Urnenmodellen hergeleitet und veranschaulicht werden Inhaltsverzeichnis 1 Geschichte 2 Modellvarianten 3 Ergebnismengen 3 1 Einmaliges Ziehen 3 2 Ziehen mit Zurucklegen unter Beachtung der Reihenfolge 3 3 Ziehen ohne Zurucklegen unter Beachtung der Reihenfolge 3 4 Ziehen mit Zurucklegen ohne Beachtung der Reihenfolge 3 5 Ziehen ohne Zurucklegen ohne Beachtung der Reihenfolge 4 Ereignismengen 4 1 Einmaliges Ziehen 4 2 Ziehen gleichfarbiger Kugeln 4 3 Ziehen mit Beachtung der Reihenfolge 4 4 Ziehen ohne Beachtung der Reihenfolge 4 5 Zusammenfassung von Ereignissen 5 Abgeleitete Verteilungen 5 1 Anzahl der Kugeln einer Farbe 5 2 Wartezeit fur eine Anzahl von Kugeln einer Farbe 5 3 Anzahl der Kugeln einer Farbkombination 6 Weitere Varianten 7 Anwendungen 7 1 In der Physik 8 Literatur 9 Weblinks 10 EinzelnachweiseGeschichte Bearbeiten nbsp Titelblatt der Ars Conjectandi von Jakob I Bernoulli aus dem Jahr 1713Auch wenn sich das Konzept des Urnenmodells bis in das Alte Testament und das antike Griechenland zuruckverfolgen lasst geht seine erste explizite Erwahnung in einem mathematischen Kontext auf den Schweizer Mathematiker Jakob I Bernoulli zuruck 1 Zu Beginn des dritten Teils seines beruhmten Werks Ars Conjectandi aus dem Jahr 1713 beschreibt Bernoulli folgendes Problem Jemand setzt nachdem er zwei Steine einen schwarzen und einen weissen in eine Urne gelegt hat fur drei Spieler A B C einen Preis aus unter der Bedingung dass ihn derjenige erhalten soll welcher zuerst den weissen Stein zieht wenn aber keiner der drei Spieler den weissen Stein zieht so erhalt auch keiner den Preis Zuerst zieht A und legt den gezogenen Stein wieder in die Urne dann thut B als Zweiter das Gleiche und schliesslich folgt C als Dritter Welche Hoffnungen haben die drei Spieler Jakob Bernoulli Ars conjectandi pars tertia problema I deutsche Ubersetzung von Robert Haussner 2 Hierbei ist mit Hoffnung die Gewinnerwartung eines Spielers gemeint Bernoulli verwendete in seinem in lateinischer Sprache geschriebenen Werk die Begriffe urna fur eine Wahlurne und calculi fur Zahlsteine Solche mit Loskugeln gefullte Wahlurnen kamen unter anderem in der Republik Venedig bei der Wahl des Dogen zum Einsatz Die grundlegende Idee hinter einem solchen Urnenmodell war fur Bernoulli das Konzept der gleichen Wahrscheinlichkeit mit der ein beliebiger Stein aus der Urne gezogen wird Darauf basierend lassen sich nun die Gewinnerwartungen der drei Spieler ermitteln Spieler A gewinnt in 50 der Falle Spieler B in 25 der Falle Spieler C in 12 5 der Falle und keiner der drei Spieler ebenfalls in 12 5 der Falle Ahnliche Urnenprobleme wurden im 18 Jahrhundert auch von Daniel Bernoulli und Pierre Remond de Montmort betrachtet 3 Abraham de Moivre und Thomas Bayes setzten sich in dieser Zeit im Kontext der Inferenzstatistik speziell mit der Frage auseinander ob sich aus der Beobachtung der gezogenen Kugeln auf die Anteile der Kugeln in der Urne schliessen lasst Knapp einhundert Jahre nach Bernoulli griff Pierre Simon Laplace die Idee in seiner Theorie Analytique des Probabilites wieder auf und stellte dabei die Wahrscheinlichkeitstheorie auf eine solide mathematische Grundlage 1 Heute sind Urnenmodelle ein zentraler Bestandteil der Grundausbildung in Wahrscheinlichkeitstheorie und Statistik Modellvarianten Bearbeiten nbsp Die Berechnung von Gewinn wahr schein lichkeiten bei der Ziehung der Lottozahlen ist eine klassische Anwendung von UrnenmodellenIn einer Urne befinden sich mehrere Kugeln die verschiedene Eigenschaften aufweisen konnen zum Beispiel unterschiedlich gefarbt oder beschriftet sind aber ansonsten gleich sind Aus dieser Urne wird nun eine Kugel herausgenommen und registriert Hierbei wird angenommen dass bei einer solchen Ziehung eine Kugel zufallig ausgewahlt wird das heisst es soll nicht vorhersehbar sein welche der Kugeln gezogen wird Weiter wird angenommen dass jede Kugel mit der gleichen Wahrscheinlichkeit gezogen wird da die Kugeln gut durchmischt und von ihrer Beschaffenheit her nicht unterscheidbar seien Dieser Vorgang des Ziehens wird nun mehrmals wiederholt wobei die folgenden beiden Falle unterschieden werden Ziehen mit Zurucklegen Jede Kugel wird nach ihrer Registrierung wieder in die Urne zuruckgelegt die Zahl der Kugeln in der Urne verandert sich damit bei mehreren Ziehungen nicht Daher sind die Ziehungen unabhangig voneinander Ziehen ohne Zurucklegen Eine einmal gezogene Kugel wird nicht wieder zuruckgelegt die Zahl der Kugeln in der Urne verringert sich damit nach jeder Ziehung um eins Daher sind die Ziehungen nicht voneinander unabhangig Urnenmodelle stehen stellvertretend fur eine grosse Klasse von Zufallsexperimenten wobei Urne und Kugeln durch andere Objekte entsprechend ersetzt werden Beispiele sind das Werfen einer Munze oder eines Wurfels das Geben der Spielkarten eines Kartenspiels die Ziehung der Lottozahlen oder andere Lotterien die Durchfuhrung von Glucksspielen beispielsweise RouletteIm Folgenden wird der besonders anschauliche Fall einer Urne die mit verschiedenfarbigen Kugeln gefullt ist betrachtet Ergebnismengen BearbeitenEinmaliges Ziehen Bearbeiten nbsp Gleichfarbige Kugeln sind ausserlich nicht unterscheidbar und werden daher verschieden beschriftetIn der Wahrscheinlichkeitstheorie werden Ergebnisse etwa dass eine bestimmte Kugel gezogen wird durch Mengen dargestellt Falls manche Kugeln in der Urne die gleiche Farbe haben erweist es sich hierbei als vorteilhaft die Kugeln voneinander zu unterscheiden Befinden sich in der Urne insgesamt N displaystyle N nbsp Kugeln dann definiert man als Ergebnismenge fur das Ziehen einer Kugel W B 1 B 2 B N displaystyle Omega B 1 B 2 dotsc B N nbsp wobei die Elemente der Ergebnismenge B 1 B 2 B N displaystyle B 1 B 2 dotsc B N nbsp die einzelnen Kugeln identifizieren Befinden sich beispielsweise drei rote eine grune und zwei blaue Kugeln in der Urne so lasst sich die Ergebnismenge durch W rot 1 rot 2 rot 3 gr u n blau 1 blau 2 displaystyle Omega text rot 1 text rot 2 text rot 3 text gr mathrm ddot u text n text blau 1 text blau 2 nbsp beschreiben Die Anzahl der Elemente der Ergebnismenge wird durch die Machtigkeit der Ergebnismenge W displaystyle Omega nbsp beschrieben Die Machtigkeit der Ergebnismenge ist idendisch mit der Anzahl der Moglichkeiten n displaystyle n nbsp Kugeln aus einer Urne mit N displaystyle N nbsp Kugeln zu ziehen Jedem Ergebnis B i displaystyle B i nbsp i 1 N displaystyle i 1 dotsc N nbsp wird nun eine Wahrscheinlichkeit P B i displaystyle P B i nbsp zugeordnet Nachdem jede Kugel mit der gleichen Wahrscheinlichkeit gezogen wird handelt es sich hierbei um ein Laplace Experiment bei dem fur die Wahrscheinlichkeit jedes Elements der Ergebnismenge P B i 1 W 1 N displaystyle P B i frac 1 Omega frac 1 N nbsp gilt In obigem Beispiel mit sechs Kugeln erhalt man also fur jede Kugel die gleiche Wahrscheinlichkeit P rot 1 P rot 2 P blau 2 1 6 displaystyle P text rot 1 P text rot 2 dotsb P text blau 2 frac 1 6 nbsp Ziehen mit Zurucklegen unter Beachtung der Reihenfolge Bearbeiten nbsp Bei einem Urnenmodell mit Zurucklegen wird eine Kugel nach der Notierung ihrer Farbe wieder zuruck in die Urne gelegtBeim Ziehen mehrerer Kugeln unter Beachtung der Reihenfolge werden die Ergebnisse durch Tupel dargestellt wobei die Lange des Tupels der Anzahl der Ziehungen entspricht Werden von den N displaystyle N nbsp Kugeln in der Urne n displaystyle n nbsp Kugeln mit Zurucklegen gezogen dann hat die Ergebnismenge die Form W B i 1 B i n i 1 i n 1 N displaystyle Omega B i 1 dotsc B i n mid i 1 dotsc i n in 1 dotsc N nbsp Die Ergebnismenge ist damit das n displaystyle n nbsp fache kartesische Produkt der Ergebnismenge einer einfachen Ziehung Man spricht hier auch von einer Variation mit Wiederholung Nachdem es fur jedes der n displaystyle n nbsp Tupelelemente N displaystyle N nbsp Moglichkeiten gibt erhalt man fur die Anzahl der Elemente der Ergebnismenge W N n displaystyle Omega N n nbsp Werden aus der Beispielurne mit sechs Kugeln drei Kugeln mit Zurucklegen gezogen dann hat jede Kugelkombination die gleiche Wahrscheinlichkeit P rot 1 rot 1 rot 1 P blau 2 blau 2 blau 2 1 6 3 1 216 displaystyle P text rot 1 text rot 1 text rot 1 dotsb P text blau 2 text blau 2 text blau 2 frac 1 6 3 frac 1 216 nbsp Diese Wahrscheinlichkeit ist gerade das dreifache Produkt 1 6 1 6 1 6 displaystyle tfrac 1 6 cdot tfrac 1 6 cdot tfrac 1 6 nbsp der Wahrscheinlichkeiten beim einmaligen Ziehen Ziehen ohne Zurucklegen unter Beachtung der Reihenfolge Bearbeiten nbsp Bei einem Urnenmodell ohne Zurucklegen wird eine einmal gezogene Kugel nicht wieder zuruckgelegtAuch beim Ziehen ohne Zurucklegen unter Beachtung der Reihenfolge werden die Ergebnisse durch Tupel dargestellt Werden von den N displaystyle N nbsp Kugeln in der Urne n N displaystyle n leq N nbsp Kugeln ohne Zurucklegen gezogen dann hat die Ergebnismenge die Form W B i 1 B i n i 1 i n 1 N mit i l i m fur l m displaystyle Omega B i 1 dotsc B i n mid i 1 dotsc i n in 1 dotsc N text mit i l neq i m text fur l neq m nbsp Die Ergebnismenge besteht damit aus allen n displaystyle n nbsp Tupeln bei denen kein Element des Tupels mehr als einmal vorkommt Man spricht hier auch von einer Variation ohne Wiederholung Nachdem es fur das erste Tupelelement N displaystyle N nbsp Moglichkeiten gibt fur das zweite N 1 displaystyle N 1 nbsp Moglichkeiten und so weiter erhalt man fur die Anzahl der Elemente der Ergebnismenge W N N 1 N n 1 N N n N n displaystyle Omega N N 1 dotsm N n 1 frac N N n N underline n nbsp Der Ausdruck N n displaystyle N underline n nbsp wird fallende Faktorielle ab N displaystyle N nbsp mit n displaystyle n nbsp Faktoren genannt Werden aus der Beispielurne mit sechs Kugeln drei Kugeln ohne Zurucklegen gezogen dann hat jede zulassige Kugelkombination die Wahrscheinlichkeit P rot 1 rot 2 rot 3 P gr u n blau 1 blau 2 1 6 5 4 1 120 displaystyle P text rot 1 text rot 2 text rot 3 dotsb P text gr mathrm ddot u text n text blau 1 text blau 2 frac 1 6 cdot 5 cdot 4 frac 1 120 nbsp Diese Wahrscheinlichkeit ist gerade das Produkt 1 6 1 5 1 4 displaystyle tfrac 1 6 cdot tfrac 1 5 cdot tfrac 1 4 nbsp der Wahrscheinlichkeiten beim jeweils einmaligen Ziehen aus einer Urne mit sechs funf und vier Kugeln Ziehen mit Zurucklegen ohne Beachtung der Reihenfolge Bearbeiten Beim Ziehen mit Zurucklegen ohne Beachtung der Reihenfolge werden die Ergebnisse durch Teilmengen dargestellt Befinden sich in einer Urne N displaystyle N nbsp Kugeln und werden n displaystyle n nbsp Kugeln mit Zurucklegen ohne Beachtung der Reihenfolge gezogen dann kann als Ergebnismenge W S 1 n N 1 S N 1 displaystyle Omega S subseteq 1 dotsc n N 1 mid S N 1 nbsp gewahlt werden Man spricht hier auch von einer Kombination mit Wiederholung Damit ergibt sich die Anzahl der Moglichkeiten n displaystyle n nbsp Ziehungen unter N displaystyle N nbsp Kugeln mit Zurucklegen ohne Beachtung der Reihenfolge durchzufuhren aus W n N 1 n n N 1 N 1 displaystyle Omega binom n N 1 n binom n N 1 N 1 nbsp Mochte man ein gegebenes Ergebnis zuruck verwandeln in eine echte Ziehung d h in die Anzahl der Ziehungen die einer beliebigen Kugel angehoren muss man zunachst die Teilmenge in ein Diagramm verwandeln Dieses Diagramm besteht aus den Zahlen 1 n n 1 displaystyle 1 dots n n 1 nbsp und N 1 displaystyle N 1 nbsp Strichen Dabei wird die Teilmenge zunachst sortiert in k 1 k N 1 displaystyle k 1 dots k N 1 nbsp Dann wird vor der Zahl k i i 1 displaystyle k i i 1 nbsp ein Strich eingefugt Die Anzahl der Zahlen zwischen den Strichen sowie vor dem ersten und hinter dem letzten Strich sind die Anzahl der Ziehungen pro Kugel Dabei wird n 1 displaystyle n 1 nbsp nicht berucksichtigt Hat man zum Beispiel fur n 5 displaystyle n 5 nbsp und N 3 displaystyle N 3 nbsp die Teilmenge 2 4 displaystyle 2 4 nbsp gegeben so ist das Diagramm 1 2 3 4 5 Vor dem ersten Strich steht die 1 zwischen dem ersten und dem zweiten Strich steht die 2 und hinter dem zweiten Strich stehen 3 4 und 5 Also wurde einmal die erste Kugel gezogen einmal die zweite Kugel und dreimal die dritte Kugel Ziehen ohne Zurucklegen ohne Beachtung der Reihenfolge Bearbeiten Beim Ziehen ohne Zurucklegen ohne Beachtung der Reihenfolge werden die Ergebnisse ebenfalls durch Teilmengen dargestellt Konkret heisst dies Ist wie oben M B 1 B N displaystyle M B 1 dots B N nbsp die Menge der Kugeln dann ist W S M S n displaystyle Omega S subseteq M mid S n nbsp die Ergebnismenge fur n displaystyle n nbsp Ziehungen Man spricht hier auch von einer Kombination ohne Wiederholung Damit ergibt sich die Anzahl der Moglichkeiten n displaystyle n nbsp Ziehungen durchzufuhren unter N displaystyle N nbsp Kugeln ohne Zurucklegen ohne Beachtung der Reihenfolge zu W N n displaystyle Omega binom N n nbsp Ereignismengen BearbeitenEinmaliges Ziehen Bearbeiten nbsp Wahrscheinlichkeit der Ziehung einer roten oder grunen KugelEreignisse etwa dass Kugeln bestimmter Farben gezogen werden werden in der Wahrscheinlichkeitstheorie ebenfalls durch Mengen dargestellt Ein Ereignis A displaystyle A nbsp ist hier einfach eine Teilmenge der Ergebnismenge also A W displaystyle A subseteq Omega nbsp Beispielsweise wird das Ereignis dass beim einmaligen Ziehen aus der Beispielurne eine rote oder grune Kugel gezogen wird durch A rot 1 rot 2 rot 3 gr u n rot 1 rot 2 rot 3 gr u n blau 1 blau 2 displaystyle A text rot 1 text rot 2 text rot 3 text gr mathrm ddot u text n subseteq text rot 1 text rot 2 text rot 3 text gr mathrm ddot u text n text blau 1 text blau 2 nbsp beschrieben Nach der Laplace Formel gilt nun fur die Wahrscheinlichkeit P A displaystyle P A nbsp dass ein Ereignis A displaystyle A nbsp eintritt P A A W displaystyle P A frac A Omega nbsp Somit lasst sich die Ermittlung der Wahrscheinlichkeit eines Ereignisses auf das Aufzahlen von Ergebnissen zuruckfuhren Beispielsweise ergibt sich als Wahrscheinlichkeit dass beim einmaligen Ziehen aus der Beispielurne eine rote oder grune Kugel gezogen wird P rot 1 rot 2 rot 3 gr u n rot 1 rot 2 rot 3 gr u n rot 1 rot 2 rot 3 gr u n blau 1 blau 2 4 6 2 3 displaystyle P text rot 1 text rot 2 text rot 3 text gr mathrm ddot u text n frac text rot 1 text rot 2 text rot 3 text gr mathrm ddot u text n text rot 1 text rot 2 text rot 3 text gr mathrm ddot u text n text blau 1 text blau 2 frac 4 6 frac 2 3 nbsp Bei mehreren Ziehungen kann allerdings das einzelne Aufzahlen von Ergebnissen etwa mit Hilfe von Baumdiagrammen sehr aufwandig werden Stattdessen werden hierfur haufig Hilfsmittel aus der abzahlenden Kombinatorik genutzt Ziehen gleichfarbiger Kugeln Bearbeiten nbsp Wahrscheinlichkeiten bei der Ziehung dreier roter Kugeln mit obere Reihe und ohne untere Reihe ZurucklegenZunachst betrachtet man das Ereignis dass bei n displaystyle n nbsp Ziehungen immer eine Kugel der gleichen Farbe gezogen wird Ist M N displaystyle M leq N nbsp die Anzahl der Kugeln dieser Farbe dann gilt bei einer Ziehung mit Zurucklegen fur die Wahrscheinlichkeit dieses Ereignisses P A M n N n M N n p n displaystyle P A frac M n N n left frac M N right n p n nbsp mit p M N displaystyle p frac M N nbsp Die Wahrscheinlichkeit ist also die n displaystyle n nbsp te Potenz der Wahrscheinlichkeit der einmaligen Ziehung einer Kugel dieser Farbe Bei einer Ziehung ohne Zurucklegen erhalt man stattdessen P A M n N n M N M 1 N 1 M n 1 N n 1 displaystyle P A frac M underline n N underline n frac M N cdot frac M 1 N 1 dotsm frac M n 1 N n 1 nbsp Fur n gt M displaystyle n gt M nbsp wird diese Wahrscheinlichkeit null da nicht mehr Kugeln einer Farbe gezogen werden konnen als in der Urne vorhanden sind Beispielsweise betragt die Wahrscheinlichkeit dass aus der Beispielurne drei rote Kugeln gezogen werden bei einer Ziehung mit Zurucklegen P rot 1 rot 1 rot 1 rot 3 rot 3 rot 3 3 6 3 6 3 6 27 216 1 8 displaystyle P text rot 1 text rot 1 text rot 1 ldots text rot 3 text rot 3 text rot 3 frac 3 6 cdot frac 3 6 cdot frac 3 6 frac 27 216 frac 1 8 nbsp und bei einer Ziehung ohne Zurucklegen P rot 1 rot 2 rot 3 rot 3 rot 2 rot 1 3 6 2 5 1 4 6 120 1 20 displaystyle P text rot 1 text rot 2 text rot 3 ldots text rot 3 text rot 2 text rot 1 frac 3 6 cdot frac 2 5 cdot frac 1 4 frac 6 120 frac 1 20 nbsp Ziehen mit Beachtung der Reihenfolge Bearbeiten nbsp Wahrscheinlichkeiten bei der Ziehung einer roten einer grunen und einer blauen Kugel in dieser Reihenfolge mit obere Reihe und ohne untere Reihe ZurucklegenWerden verschiedenfarbige Kugeln gezogen so ist bei der Betrachtung der Ereignisse zu unterscheiden ob die Reihenfolge in der die Kugeln gezogen wurden eine Rolle spielen soll oder nicht Im ersten Fall spricht man auch von einer geordneten Ziehung im anderen von einer ungeordneten Ziehung Im Folgenden wird der Fall betrachtet dass pro Farbe genau eine Kugel gezogen wird Befinden sich in der Urne N 1 displaystyle N 1 nbsp Kugeln der ersten Farbe N 2 displaystyle N 2 nbsp Kugeln der zweiten Farbe und so fort so betragt die Wahrscheinlichkeit dass als erstes eine Kugel der ersten Farbe als zweites eine Kugel der zweiten Farbe und so weiter bis als letztes eine Kugel der n displaystyle n nbsp ten Farbe gezogen wird bei einer Ziehung mit Zurucklegen P A N 1 N 2 N n N n p 1 p 2 p n displaystyle P A frac N 1 cdot N 2 dotsm N n N n p 1 cdot p 2 dotsm p n nbsp mit p j N j N displaystyle p j frac N j N nbsp und bei einer Ziehung ohne Zurucklegen P A N 1 N 2 N n N n N 1 N N 2 N 1 N n N n 1 displaystyle P A frac N 1 cdot N 2 dotsm N n N underline n frac N 1 N cdot frac N 2 N 1 dotsm frac N n N n 1 nbsp Beispielsweise betragt die Wahrscheinlichkeit dass aus der Beispielurne eine rote eine grune und eine blaue Kugel in dieser Reihenfolge gezogen werden bei einer Ziehung mit Zurucklegen P rot 1 gr u n blau 1 rot 3 gr u n blau 2 3 6 1 6 2 6 6 216 1 36 displaystyle P text rot 1 text gr mathrm ddot u text n text blau 1 ldots text rot 3 text gr mathrm ddot u text n text blau 2 frac 3 6 cdot frac 1 6 cdot frac 2 6 frac 6 216 frac 1 36 nbsp und bei einer Ziehung ohne Zurucklegen P rot 1 gr u n blau 1 rot 3 gr u n blau 2 3 6 1 5 2 4 6 120 1 20 displaystyle P text rot 1 text gr mathrm ddot u text n text blau 1 dotsc text rot 3 text gr mathrm ddot u text n text blau 2 frac 3 6 cdot frac 1 5 cdot frac 2 4 frac 6 120 frac 1 20 nbsp Genau die gleichen Wahrscheinlichkeiten ergeben sich wenn eine beliebige andere Reihenfolge der Kugeln etwa grun blau rot gewahlt wird Ziehen ohne Beachtung der Reihenfolge Bearbeiten nbsp Spielt die Reihenfolge der gezogenen Kugeln keine Rolle mussen alle Permutationen der Kugeln berucksichtigt werdenSoll nun die genaue Reihenfolge in der die Kugeln gezogen werden ausser Acht gelassen werden mussen zusatzlich alle n displaystyle n nbsp Permutationen der gezogenen Kugeln berucksichtigt werden Dadurch ergibt sich als Wahrscheinlichkeit dass je eine Kugel unterschiedlicher Farbe gezogen wird bei einer Ziehung mit Zurucklegen P A n N 1 N 2 N n N n n p 1 p 2 p n displaystyle P A frac n cdot N 1 cdot N 2 dotsm N n N n n cdot p 1 cdot p 2 dotsm p n nbsp mit p j N j N displaystyle p j frac N j N nbsp und bei einer Ziehung ohne Zurucklegen P A n N 1 N 2 N n N n n N 1 N N 2 N 1 N n N n 1 displaystyle P A frac n cdot N 1 cdot N 2 dotsm N n N underline n n cdot frac N 1 N cdot frac N 2 N 1 dotsm frac N n N n 1 nbsp Beispielsweise betragt die Wahrscheinlichkeit dass aus der Beispielurne drei verschiedenfarbige Kugeln gezogen werden bei einer Ziehung mit Zurucklegen P rot 1 gr u n blau 1 blau 2 gr u n rot 3 3 3 6 1 6 2 6 36 216 1 6 displaystyle P text rot 1 text gr mathrm ddot u text n text blau 1 dotsc text blau 2 text gr mathrm ddot u text n text rot 3 3 cdot frac 3 6 cdot frac 1 6 cdot frac 2 6 frac 36 216 frac 1 6 nbsp und bei einer Ziehung ohne Zurucklegen P rot 1 gr u n blau 1 blau 2 gr u n rot 3 3 3 6 1 5 2 4 36 120 3 10 displaystyle P text rot 1 text gr mathrm ddot u text n text blau 1 dotsc text blau 2 text gr mathrm ddot u text n text rot 3 3 cdot frac 3 6 cdot frac 1 5 cdot frac 2 4 frac 36 120 frac 3 10 nbsp Im allgemeineren Fall dass mehrere Kugeln jeder Farbe gezogen werden mussen Permutationen mit Wiederholung betrachtet werden Die Anzahl solcher Permutationen wird durch Multinomialkoeffizienten angegeben siehe den Abschnitt Anzahl der Kugeln einer Farbkombination Bei einer Ziehung ohne Zurucklegen ist auch eine Uminterpretation der Wahrscheinlichkeit in einem reduzierten Wahrscheinlichkeitsraum mit W N n n N n displaystyle Omega tfrac N underline n n tbinom N n nbsp Elementen moglich In diesem Wahrscheinlichkeitsraum werden Ergebnisse als aquivalent angesehen wenn sie durch Permutation der Kugeln auseinander hervorgehen Man spricht hier auch von einer Kombination ohne Wiederholung Auch in dem reduzierten Wahrscheinlichkeitsraum sind alle Ergebnisse gleich wahrscheinlich Eine solche Uminterpretation ist ebenso bei einer Ziehung mit Zurucklegen moglich und man erhalt dann einen reduzierten Wahrscheinlichkeitsraum mit W N n 1 n displaystyle Omega tbinom N n 1 n nbsp Elementen Entsprechend spricht man hier von einer Kombination mit Wiederholung Allerdings ist dieser Wahrscheinlichkeitsraum kein Laplace Raum mehr denn die Wahrscheinlichkeit dass zwei verschiedene Kugeln gezogen werden ist hier doppelt so hoch wie diejenige fur zwei gleiche Kugeln Zusammenfassung von Ereignissen Bearbeiten Komplexere Ereignisse konnen haufig in einfachere sich wechselseitig ausschliessende Ereignisse zerlegt werden Ist eine Ereignismenge die Vereinigung paarweise disjunkter Ereignisse A 1 A 2 A k displaystyle A 1 A 2 dotsc A k nbsp dann ist die Wahrscheinlichkeit des Gesamtereignisses die Summe der Wahrscheinlichkeiten der einzelnen Ereignisse P A 1 A 2 A k P A 1 P A 2 P A k displaystyle P A 1 cup A 2 cup dotsb cup A k P A 1 P A 2 dotsb P A k nbsp Beispielsweise betragt die Wahrscheinlichkeit dass aus der Beispielurne zweimal eine Kugel der gleichen Farbe gezogen wird bei einer Ziehung ohne Zurucklegen P rot 1 rot 2 rot 3 rot 2 blau 1 blau 2 blau 2 blau 1 6 30 0 30 2 30 8 30 4 15 displaystyle P text rot 1 text rot 2 ldots text rot 3 text rot 2 emptyset text blau 1 text blau 2 text blau 2 text blau 1 frac 6 30 frac 0 30 frac 2 30 frac 8 30 frac 4 15 nbsp Gelegentlich ist es auch effizienter die nicht eingetretenen Ergebnisse aufzuzahlen wobei man die Formel fur die Gegenwahrscheinlichkeit nutzt P A 1 P W A displaystyle P A 1 P Omega setminus A nbsp Beispielsweise betragt die Wahrscheinlichkeit dass aus der Beispielurne bei zweimal Ziehen ohne Zurucklegen keine grune Kugel gezogen wird 1 P gr u n rot 1 gr u n blau 2 rot 1 gr u n blau 2 gr u n 1 10 30 2 3 displaystyle 1 P text gr mathrm ddot u text n text rot 1 dotsc text gr mathrm ddot u text n text blau 2 text rot 1 text gr mathrm ddot u text n dotsc text blau 2 text gr mathrm ddot u text n 1 frac 10 30 frac 2 3 nbsp Abgeleitete Verteilungen BearbeitenEreignissen zugeordnete Grossen wie die Anzahl gezogener Kugeln einer bestimmten Farbe oder die Anzahl der Ziehungen bis das erste Mal eine Kugel einer bestimmten Farbe gezogen wird konnen als diskrete Zufallsvariablen interpretiert werden Typischerweise ist die Wahrscheinlichkeitsverteilung solcher Zufallsvariablen nicht mehr gleichverteilt das heisst die Werte die die Zufallsvariable X displaystyle X nbsp annehmen kann haben nicht mehr die gleiche Wahrscheinlichkeit Einige solcher durch Urnenmodelle induzierter Wahrscheinlichkeitsverteilungen besitzen in der Statistik eine grosse Bedeutung und haben eigene Namen Anzahl der Kugeln einer Farbe Bearbeiten nbsp Die Binomialverteilung gibt an mit welcher Wahrscheinlichkeit nach n Ziehungen genau k Kugeln einer bestimmten Farbe gezogen wurdenIn der Urne befinden sich M displaystyle M nbsp Kugeln einer Farbe und N M displaystyle N M nbsp Kugeln anderer Farben Die Wahrscheinlichkeit dass nach n displaystyle n nbsp Ziehungen genau k displaystyle k nbsp Kugeln der ersten Farbe gezogen wurden ist bei einer Ziehung mit Zurucklegen P X k n k M k N M n k N n n k p k 1 p n k displaystyle P X k frac binom n k M k N M n k N n binom n k p k 1 p n k nbsp mit p M N displaystyle p frac M N nbsp Die entsprechende Wahrscheinlichkeitsverteilung heisst Binomialverteilung bei einer einmaligen Ziehung auch Bernoulli Verteilung Bei einer Ziehung ohne Zurucklegen ergibt sich analog P X k n k M k N M n k N n M k N M n k N n n k N n M k N M displaystyle P X k frac binom n k M underline k N M underline n k N underline n frac binom M k binom N M n k binom N n frac binom n k binom N n M k binom N M nbsp und die entsprechende Verteilung wird hypergeometrische Verteilung genannt Wartezeit fur eine Anzahl von Kugeln einer Farbe Bearbeiten nbsp Die negative Binomialverteilung gibt an mit welcher Wahrscheinlichkeit nach n Ziehungen eine Kugel einer bestimmten Farbe das k te Mal gezogen wurdeIn der Urne befinden sich wieder M displaystyle M nbsp Kugeln einer Farbe und N M displaystyle N M nbsp Kugeln anderer Farben Die Wahrscheinlichkeit dass nach n displaystyle n nbsp Ziehungen im letzten Zug eine Kugel der ersten Farbe das k displaystyle k nbsp te Mal gezogen wurde ist bei einer Ziehung mit Zurucklegen P X n n 1 k 1 M k N M n k N n n 1 k 1 p k 1 p n k displaystyle P X n frac binom n 1 k 1 M k N M n k N n binom n 1 k 1 p k 1 p n k nbsp mit p M N displaystyle p frac M N nbsp Die entsprechende Wahrscheinlichkeitsverteilung heisst negative Binomialverteilung und im Spezialfall k 1 displaystyle k 1 nbsp geometrische Verteilung Bei einer Ziehung ohne Zurucklegen ergibt sich analog P X n n 1 k 1 M k N M n k N n k M k N M n k n N n n 1 k 1 N n M k N M displaystyle P X n frac binom n 1 k 1 M underline k N M underline n k N underline n frac k binom M k binom N M n k n binom N n frac binom n 1 k 1 binom N n M k binom N M nbsp und die entsprechende Verteilung wird negative hypergeometrische Verteilung genannt Anzahl der Kugeln einer Farbkombination Bearbeiten In der Urne befinden sich nun N j displaystyle N j nbsp Kugeln der Farbe j displaystyle j nbsp N 1 N s N displaystyle N 1 dotsb N s N nbsp Die Wahrscheinlichkeit dass nach n displaystyle n nbsp Ziehungen genau k j displaystyle k j nbsp Kugeln der Farbe j displaystyle j nbsp fur j 1 s displaystyle j 1 dotsc s nbsp gezogen wurden ist bei einer Ziehung mit Zurucklegen P X 1 k 1 X s k s n k 1 k s N 1 k 1 N s k s N n n k 1 k s p 1 k 1 p s k s displaystyle P X 1 k 1 dotsc X s k s frac binom n k 1 dotsc k s N 1 k 1 dotsm N s k s N n binom n k 1 dotsc k s p 1 k 1 dotsm p s k s nbsp mit p j N j N displaystyle p j frac N j N nbsp Die entsprechende Wahrscheinlichkeitsverteilung heisst Multinomialverteilung Bei einer Ziehung ohne Zurucklegen ergibt sich analog P X 1 k 1 X s k s n k 1 k s N 1 k 1 N s k s N n N 1 k 1 N 2 k 2 N s k s N n displaystyle P X 1 k 1 dotsc X s k s frac binom n k 1 dotsc k s N 1 underline k 1 dotsm N s underline k s N underline n frac binom N 1 k 1 binom N 2 k 2 dotsm binom N s k s binom N n nbsp und die entsprechende Verteilung wird multivariate hypergeometrische Verteilung genannt Weitere Varianten Bearbeiten nbsp Bei einer Polya Urne wird neben der gezogenen Kugel zusatzlich eine Kopie der Kugel in die Urne zuruckgelegtBei einem Polya Urnenmodell benannt nach dem ungarischen Mathematiker George Polya wird nach dem Ziehen einer Kugel neben der Kugel selbst zusatzlich eine exakte Kopie der Kugel in die Urne gelegt Die Anzahl der Kugeln in der Urne wachst dadurch mit jeder Ziehung um eins an Auf gewisse Weise kann ein Polya Urnenmodell als das Gegenteil einer Ziehung ohne Zurucklegen angesehen werden Nachdem Kugeln in einer haufig vorkommenden Farbe im Laufe der Ziehungen noch haufiger werden konnen durch Polya Urnenmodelle selbstverstarkende Effekte modelliert werden Eine wichtige durch das Polya Urnenmodell ableitbare Wahrscheinlichkeitsverteilung ist die Beta Binomialverteilung Fur Polya Urnenmodelle gibt es eine Reihe von Verallgemeinerungen beispielsweise indem nicht nur eine sondern mehrere Kopien der gezogenen Kugel in die Urne gelegt werden In weiteren Varianten wird statt der gezogenen Kugel eine Kopie einer andersfarbigen Kugel in die Urne zuruckgelegt oder zusatzlich zuruckgelegt 4 Eine weitere Verallgemeinerung besteht in der Verwendung mehrerer Urnen die alle mit Kugeln gefullt sind Eine Ziehung erfolgt dann in zwei Schritten im ersten Schritt wird zufallig eine der Urnen ausgewahlt und im zweiten Schritt dann aus der ausgewahlten Urne eine Kugel gezogen Auf gewisse Weise dual dazu sind Fragestellungen bezuglich der Belegung der Urnen wenn Kugeln nicht gezogen sondern zufallig auf die verfugbaren Urnen verteilt werden siehe Abzahlende Kombinatorik Balle und Facher 5 Anwendungen BearbeitenUrnenmodelle helfen unter anderem beim Verstandnis folgender Phanomene und Probleme Geburtstagsparadoxon In einer Klasse mit 23 Schulern haben mit einer Wahrscheinlichkeit von uber 50 zwei am gleichen Tag Geburtstag Ellsberg Paradoxon Bei menschlichen Entscheidungen wird ein Risiko eher in Kauf genommen als Ungewissheit Sankt Petersburg Paradoxon Bei einem Glucksspiel mit unendlich grosser erwarteter Auszahlung kann die subjektive Gewinnerwartung dennoch gering sein Sammelbilderproblem Wie viele zufallig gezogene Sammelbilder sind im Durchschnitt notig um eine vollstandige Sammlung zu erhalten Anwendungen von Urnenmodellen sind beispielsweise die Durchfuhrung zufalliger Stichproben in der Qualitatskontrolle die Bestimmung der Ausfallwahrscheinlichkeit technischer Systeme mit mehreren Komponenten das Auftreten von Versicherungsfallen in einer Versicherung die Modellierung von Diffusionsvorgangen mit dem Ehrenfest Modell das Polya Urnenmodell zur Modellierung von Infektionsgeschehen In der Physik Bearbeiten Urnenmodelle finden in der statistischen Physik Anwendung Die Kugeln sind hier z B Gasmolekule Protonen Elektronen usw und der Phasenraum wird in Zellen Facher Urnen unterteilt Abhangig davon welche Annahme uber die Gleichverteilung gemacht wird erhalt man verschiedene aus der Erfahrung heraus begrundbare Verteilungen die Statistiken genannt werden Bei der Maxwell Boltzmann Statistik die in der kinetischen Gastheorie eine grosse Rolle spielt tritt etwa ein Modell auf in dem die Teilchen Kugeln unterscheidbar sind und Mehrfachbesetzungen im in Zellen unterteilten Phasenraum erlaubt Das Urnenmodell bei dem die Teilchen nicht unterscheidbar und Mehrfachbesetzungen erlaubt sind fuhrt zur Bose Einstein Statistik 6 und wird u a fur Photonen verwendet Das Urnenmodell bei dem die Teilchen nicht unterscheidbar sind und es keine Mehrfachbesetzungen gibt fuhrt zur Fermi Dirac Statistik 7 und wird u a fur Elektronen Neutronen und Protonen verwendet Die Bedingung dass hochstens ein Teilchen in einer Zelle liegt ist analog zum Pauli Verbot zu verstehen 8 Literatur BearbeitenKarl Bosch Elementare Einfuhrung in die Wahrscheinlichkeitsrechnung 11 Auflage Vieweg 2011 ISBN 978 3 8348 8331 5 S 12 91 Hans Otto Georgii Stochastik Einfuhrung in die Wahrscheinlichkeitstheorie und Statistik 4 Auflage de Gruyter 2009 ISBN 978 3 11 021526 7 S 29 39 Norbert Henze Stochastik fur Einsteiger 10 Auflage Springer 2013 ISBN 978 3 658 03076 6 S 62 65 Auszug bei Google Books Herbert Kutting Martin J Sauer Elementare Stochastik 3 Auflage Springer Spektrum 2011 ISBN 978 3 8274 2759 5 S 138 152 Norman L Johnson Samuel Kotz Urn Models and their Application John Wiley amp Sons 1977 ISBN 0 471 44630 0 Weblinks Bearbeiten nbsp Wikibooks M A T H E m a T R i x displaystyle begin smallmatrix mathbf MATHE mu alpha T mathbb R ix end smallmatrix nbsp Mathematik fur die Schule nbsp Wikibooks Urnenmodell Mathematik fur Schuler Lern und Lehrmaterialien A V Prokhorov Urn model In Michiel Hazewinkel Hrsg Encyclopedia of Mathematics Springer Verlag und EMS Press Berlin 2002 ISBN 1 55608 010 7 englisch encyclopediaofmath org Eric W Weisstein Ball Picking In MathWorld englisch Einzelnachweise Bearbeiten a b Samuel Kotz N Balakrishnan Advances in Urn Models in the Past Two Decades In Advances in Combinatorial Methods and Applications to Probability and Statistics Statistics for Industry and Technology Springer 1997 S 204 Jakob Bernoulli Wahrscheinlichkeitsrechnung Ars conjectandi Dritter und vierter Theil Ostwalds Klassiker der exakten Wissenschaften Engelmann Leipzig 1899 ubersetzt und herausgegeben von R Haussner Norman L Johnson Samuel Kotz Urn Models and their Application John Wiley amp Sons 1977 S 22 Norman L Johnson Samuel Kotz Urn Models and their Application John Wiley amp Sons 1977 S 177 Norman L Johnson Samuel Kotz Urn Models and their Application John Wiley amp Sons 1977 S 107 ff Marcelo Alonso Edward J Finn Fundamental University Physics Vol 3 Quantum and Statistical Physics Addison Wesley Publishing Company 1968 S 529 Marcelo Alonso Edward J Finn Fundamental University Physics Vol 3 Quantum and Statistical Physics Addison Wesley Publishing Company 1968 S 520 Norbert Henze Stochastik Eine Einfuhrung mit Grundzugen der Masstheorie Springer 2019 ISBN 978 3 662 59562 6 S 37 Abgerufen von https de wikipedia org w index php title Urnenmodell amp oldid 238527579