Z Z, kurz { } Zählt die Reihenfolge der Buchstaben (ja/nein) Daraus ergeben sich wiederum vier Möglichkeiten, Wörter der Länge k zu bilden.
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- Herta Keller
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1 Kombnator. Problemstellung Ausgangspunt be ombnatorschen Fragestellungen st mmer ene endlche Menge M, aus deren Elementen man endlche Zusammenstellungen von Elementen aus M bldet. Formal gesprochen bedeutet das: Ist M = { a,, an} ene belebge Menge mt n Elementen, so bldet man endlche Zusammenstellungen von Elementen von M. Wr wollen solche Zusammenstellungen von Elementen aus M als Zusammenstellungen der Länge oder (we üblch) als Stchproben der Länge bezechnen. Entschedend wchtg snd de beden Bass-Fragen der Kombnator: (K) Darf es n der Stchprobe Wederholungen von Elementen geben? (ja / nen) (K) Ist de Rehenfolge der Elemente der Stchprobe zu beachten? (ja / nen) (a) Urnenmodell Urne mt n Kugeln; Zehung von Kugeln: 4 Möglcheten des Zehens! a) Mt Wederholung (mt Zurüclegen), Rehenfolge wchtg; urz: [mw Rw] b) Ohne Wederholung (ohne Zurüclegen), Rehenfolge wchtg; urz: [ow Rw] c) Mt Wederholung (mt Zurüclegen), Rehenfolge unwchtg; urz: [mw Ruw] d) Ohne Wederholung (ohne Zurüclegen), Rehenfolge unwchtg; urz: [ow Ruw] Bespel: <Sehe Vorlesung!> (b) Alphabetmodell Gegeben: Alphabet mt n Zechen; also{,..., n} Fallunterschedung: Wederholung von Buchstaben (ja/nen) Z Z, urz { },..., n. Zählt de Rehenfolge der Buchstaben (ja/nen) Daraus ergeben sch wederum ver Möglcheten, Wörter der Länge zu blden. (c) Allgemenes Zählprnzp (AZP) Gegeben ZE mt Telversuchen, de nachenander ausgeführt werden. Ist m de Anzahl der Ergebnsse be Telversuch, so hat das ZE nsgesamt = m möglche Ergebnsse. Bewes: Es wrd Induton über benutzt. < Indutonsbewes: Semnargruppe I > I.A.: =. Be enem enzgen Telversuch gbt es m Ergebnsse. I.S.: IV und IB snd lar. Wr führen dret den Indutonsbewes: Se m + de Anzahl der Ergebnsse enes weteren Telversuchs. Dann gbt es zu jedem der m Ergebnsse des -stufgen ZE genau m + Ergebnsse des ( + )-ten Telversuchs. Das ergbt nsgesamt = + m m + = m = = Ergebnsse.
2 . Stchproben mt Wederholung der Elemente und mt Beachtung der Rehenfolge der Elemente (Kombnator-Fgur [mw Rw] ) (a) Es gbt Satz n Stchproben der Form [mw Rw ]. Bewes: Be jedem der Telversuche gbt es n Möglcheten. Anwendung des AZP: Insgesamt gbt es n Möglcheten. (b) Bespele: Vorlesung!.3 Stchproben ohne Wederholung der Elemente und mt Beachtung der Rehenfolge der Elemente (Kombnator-Fgur [ow; Rw] ) (a) Satz n! n! Es gbt Stchproben der Form [ow; Rw]. Bewes:. Zehung: n Möglcheten,. Zehung: n Möglcheten, 3. Zehung: n Möglcheten,. Zehung: n ( ) Möglcheten. Anwendung des AZP: Insgesamt gbt es n ( n )... ( n ) Multplaton mt ( n ) ( n )! ergbt <Nachrechnen!>:! + Möglcheten. n! n ( n )... ( n + ) ( n ) ( n )... = n! n!. (b) Bespele Wahl von Vorstzendem und stellvertretendem Vorstzenden n enem Ausschuss Gegeben: Ausschuss, der aus 4 Männern und 3 Frauen besteht. Gesucht: Anzahl der Wahlergebnsse be Wahl von Vorstzendem und Stellvertreter ( V und S ). a) Anzahl der Möglcheten nsgesamt? 7 6 = 4 Möglcheten. b) Anzahl der Möglcheten unter der folgenden Bedngung: V und S vom glechen Geschlecht. <Übung!> c) Anzahl der Möglcheten unter der folgenden Bedngung: Mndestens ene Frau be dem Paar V / S. <Übung!>
3 Bespel für W Berechnungen: Geburtstagsproblem <Semnargruppe II > zufällg ausgewählte Personen. Gesucht: Wahrschenlchet des Eregnsses E: Mndestens zwe der Personen haben am glechen Tag Geburtstag. Lösungsansatz: Man trfft folgende Modellannahme: Man lammert Personen, de den 9. Februar als Geburtstag haben, aus. Dann snd alle 365 Tage des Jahres glech wahrschenlch. Damt handelt es sch bem Nennen des Geburtstagsdatums nun um en Laplace-Experment. Entschedende Idee für de Lösung st nun, dass man zunächst de Wahrschenlchet des Gegeneregnsses berechnet, also de Wahrschenlchet von E : De Geburtstage der Personen snd paarwese verscheden. De wetere Lösung der Aufgabe wrd ene Übungsaufgabe sen. (c) Spezalfall deser Kombnator-Fgur: Permutaton ohne Wederholungen [also Spezalfall von (a) mt = n ] Satz: n Objete önnen auf n! Wesen permutert werden. Bespel: We vele fünfstellge Zahlen ann man aus ungeraden Zffern, de jewels nur enmal auftauchen dürfen, blden?.4 Stchproben ohne Wederholung der Elemente und ohne Beachtung der Rehenfolge der Elemente (Kombnator-Fgur [ow Ruw] ) (a) Satz n Es gbt Stchproben der Form [ow Ruw]. Bewes: < Semnargruppe I > n! st. Be n! Aus.3 (a) wssen wr, dass de Zahl der Stchproben der Form [ow Rw] genau deser Zahl haben wr alle Anordnungen der jewelgen -elementgen Telmengen mtgezählt; das dürfen wr her nun aber ncht: Wr müssen alle dese Anordnungen ener -elementgen Telmenge dentfzeren. Da es! Anordnungen ener -elementgen Menge gbt (Aussage n.3 (c)), müssen wr also durch! dvderen. Somt st de gesuchte Anzahl: n! n! n! n = =!! n!. (b) Bespele Bespel für W - Berechnungen: Lotto < Semnargruppe II > [Hnwes: Lotto: Auf dem Lottoschen snd 6 Zahlen aus der Menge der Zahlen {,...,49 } anzureuzen. Auf dem Lottoschen st außerdem ene Superzahl aufgedruct. Zehung we folgt: Trommel :6 Zahlen aus 49 Kugeln; Trommel : Superzahl aus0 Kugeln.]
4 P (6 Rchtge und rchtge Superzahl) = [Gewnnlasse ] P (6 Rchtge) = [Übung!] [Gewnnlasse ] P (5 Rchtge und rchtge Superzahl) = = [Gewnnlasse 3] P (5 Rchtge) = = [Gewnnlasse 4] Aufgabe: Präzse Begründungen für den auftauchenden Nenner und de auftauchenden Zähler! Begrüßungsstuaton n Personen begrüßen sch; dabe gbt jeder jedem genau enmal de Hand. We vele Handschläge snd es? n, =. n n! = = ( n ) n! ( n )! (c) Wchtge Anwendung be onreten W-Berechnungen < Semnargruppe II > Urne mt N Kugeln, durchnummerert von bs N. Von den N Kugeln seen S Kugeln schwarz und N - S Kugeln weß ( 0 S N ). Zehung von n Kugeln ohne Zurüclegen. Se Ω der Ergebnsraum solcher Zehungen. N Man seht: Ω =. n Frage: P (von den n Kugeln snd Kugeln schwarz)? Also: Es geht nur um schwarze Kugeln, ncht um deren Anordnung. E : Von den n Kugeln snd Kugeln schwarz. S Es gbt Möglcheten, aus den S schwarzen Kugeln schwarze Kugeln auszuwählen; N S es gbt Möglcheten, aus den N S weßen Kugeln n weße Kugeln auszuwählen. n S N S Also gbt es für E günstge Fälle. n Somt: P (E) = S N S n. N n
5 .5 Stchproben mt Wederholung der Elemente und ohne Beachtung der Rehenfolge der Elemente (Kombnator-Fgur [mw Ruw] ) (a) Satz n + Es gbt Stchproben der Form [mw Ruw]. Bewes: <Erläuterung des Beweses anhand ener Aufgabe: Semnargruppe I > Wr benutzen das Urnenmodell und en Coderungsverfahren mttels des Alphabets { 0, }. Deses Coderungsverfahren se zunächst an enem onreten Bespel mt den Zahlen n = 3 und = 6 erläutert. Dazu: Anfertgen ener Tabelle mt den Spalten: Kugel, Kugel, Kugel 3. Code: Zehen der jewelgen Kugel: Zffer, Übergang: Zffer 0. Bespele für Zehungen: Zehung Kugel Kugel Kugel 3 Coderung Zehung Zehung Zehung 3 Zehung 4 Zehung 5 x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x Frage: We vele Coderungen gbt es? Jede Coderung besteht aus 6 Ensen und Nullen. Trc: Wr tun zunächst so, als ob de 6 Ensen und de Nullen jewels unterschedbar wären; man hat also,..., 6 und 0,0. Das snd = 8 Objete. Frage also: We vele Möglcheten gbt es, de 6 unterschedbaren Ensen und de unterschedbaren Nullen auf 8 Plätze zu vertelen? Antwort mttels der Aussage n.3 (c): Es gbt 8! Möglcheten, 8 unterschedbare Objete auf 8 Plätze zu vertelen. Da aber de 6 Ensen bzw. de Nullen ncht unterschedbar snd, müssen wr alle 6! Anordnungen der 6 Ensen bzw. alle! Anordnungen der Nullen dentfzeren; d.h. wr müssen durch 6!! dvderen. Antwort also: Es gbt 8! 6!! möglche Koderungen. Rechnung lefert 8! = 6!! 6. Nun zum allgemenen Bewes: Jede Coderung für en Zehungsergebns besteht aus Ensen und n Nullen; de Ensen und de n Nullen snd ncht unterschedbar. Frage: We vele Coderungen gbt es? Trc: Wr tun zunächst so, als ob de Ensen und de n Nullen jewels unterschedbar wären; man hat also,..., und 0,...,0 n. Das snd ( n ) + Objete.
6 Frage also: We vele Möglcheten gbt es, de unterschedbaren Ensen und de n unterschedbaren Nullen auf ( n ) + Plätze zu vertelen? Antwort mttels der Aussage n.3 (c): Es gbt genau ( + n )! Möglcheten, de + ( n ) Objete auf ( n ) + Plätze anzuordnen. Da aber de Ensen und de n Nullen gar ncht unterschedbar snd, müssen wr alle! möglchen Anordnungen der unterschedbaren Ensen und alle ( n )! Anordnungen der n unterschedbaren Nullen jewels dentfzeren. Das heßt: Wr müssen de obge Zahl durch! und durch ( n )! dvderen. Das ergbt ( n ) ( n ) +!!! ( n ). Rechnung zegt: ( n ) +! + n =.!! (b) Bespel Zwe ncht unterschedbare Spatzen önnen sch auf 4 Bäume vertelen. We vele Möglcheten gbt es? n = 4, =. Also: = = = 0. Urnenmodell: 4 Kugeln: A,B,C,D (ver Bäume); Zehung von Kugeln: Bäume (Baum), de (der) von den Spatzen ausgesucht wrd. Alphabet-Modell: { A, B, C, D }, Wortlänge: =..6 Stchproben, be denen sch de Elemente mt vorgegebenen Anzahlen wederholen (Kombnator-Fgur: [mw va] ) < Alternatve Bezechnung deser Fgur n der Lteratur: Permutatonen mt Wederholungen. > (a) Aufgabenstellung Alphabet-Modell: Gegeben se en Alphabet { Z,..., Z n}. Nun sollen Wörter der Länge gebldet werden, wobe das Zechen Z genau -mal vorommen soll ( n). Anders formulert: Es sollen Wörter der Länge gebldet werden, wobe jedes Zechen ener vorgegebenen Anzahl We vele solcher Wörter gbt es? auftauchen soll ( n). Frage: Z mt Urnenmodell: Urne mt Kugeln n n Farben, wobe glt: In jeder Farbe F gbt es ncht unterschedbare Kugeln. Also n =. Frage: = We vele Möglcheten gbt es, dese Kugeln auf vorgegebene Plätze zu vertelen?
7 (b) Satz Werden aus dem Alphabet { Z,..., Z n} Permutatonen mt Wederholungen gebldet (Wörter der Länge, be denen jedes Zechen! so gbt es Möglcheten dafür.!... n! Z genau -mal vorommt), Bewes: < Semnargruppe I > Es gbt (wegen der Aussage n.3 (c) ) genau! Möglcheten, de unterschedbare Zechen Z,, Z,, Z,, Z anzuordnen (auf Plätze zu vertelen). n n n Da jewels de Zechen Z,, Z aber eben ncht unterschedbar snd, müssen wr alle! Anordnungen der Zechen Z,, Z dentfzeren, d.h. durch! dvderen. Das glt für jedes {,..., n}. Das lefert de Behauptung. (c) Bespele MISSISSIPPI-Aufgabe Alphabet { I, M, P, S }. We vele Wörter der Länge lassen sch aus desen ver Zechen blden, wenn gelten soll = ( I ) =, = ( M ) =, = ( P) =, ( S ) 4 Lösung: Da n = 4 und =, hat man 3 = =. 4 4! = = = !!! 4! 3 4 Permutatonen mt Wederholung. Mndestens enes deser Wörter st snnvoll, nämlch das Wort MISSISSIPPI! Sat-Spel (Vertelung der Karten: Speler: A, B, C: Je 0 Karten, Stoc S: Karten) Frage : We vele Ausgangspostonen für en Sat-Spel gbt es? <Semnargruppe I > Wr wollen de Frage auf zwe verschedene Wesen beantworten! Erste Möglchet zur Lösung (pragmatsche Lösung): Mschen, dann Vertelung der Karten auf de Speler we folgt: Karten, 4, 7, 0, 3, 6, 9,, 5, 8 an Speler A, Karten, 5, 8,, 4, 7, 0, 3, 6, 9 an Speler B, Karten 3, 6, 9,, 5, 8,, 4, 7, 30 an Speler C, Karten 3, 3 an den Sat. Permutatonen nnerhalb der Plätze ändern de Vertelung auf de dre Speler ncht! Aufgabe: We lautet de Antwort auf de Frage (be Benutzung der Fgur [ow Ruw] )? Zwete Möglchet zur Lösung (mathematsche Modellbldung mttels der Fgur [mw va] ): Es gbt 3 Plätze, nämlch de 3 Karten. Wr noteren dese Plätze: Kreuz-As Kreuz-Seben P-As P-Seben Herz-As Herz-Seben Karo-As Karo-Seben Dann Vertelung der Symbole A, B, C, S auf de 3 Plätze. < Bespel noteren! >
8 () Alphabet-Modell: 4 Zechen { A, B, C, S }. Velfachheten der Zechen: ( A) ( B) ( C) ( S ) = = = 0, =. Nun: Wörter der Länge 3 blden! () Urnenmodell: 3 Kugeln [0 mal A, 0 mal B, 0 mal C, mal S ] Nun: 3 Zehungen ohne Zurüclegen (also: = 3 ) und Vertelung der Kugeln auf de 3 Plätze. Es gbt 3! Möglcheten, 3 Zechen bzw. 3 Kugeln auf 3 Plätze zu vertelen. Aber: De Anordnungen der Zechen A bzw. B bzw. C bzw. S snd ncht zu unterscheden. Also: Jewels Identfaton deser Anordnungen; d.h. jewels Dvson durch de Zahl deser Anordnungen. = ( A) =, = ( B) =, = ( C ) =, ( Sat ) 0 0 De Antwort auf obge Frage lautet dann: Frage : [Bespel für W - Berechnungen] 3 0 Wr wollen p P ( Jeder Speler erhält genau enen Buben) = =. 4 3! 0! 0! 0!! = = berechnen.. <Semnargruppe II> Günstge Fälle: Vertelungen der Buben auf A,B,C, Sat. Da wchtg st, welcher Speler welchen Buben hat, snd de Anordnungen der Buben auf den Plätzen A,B,C, Sat wchtg. Also: 4! möglche Vertelungen für de Buben. 8! Vertelungen der restlchen 8 Karten: 9! 9! 9!! Möglcheten. Möglche Fälle: Sehe Antwort auf Frage! Insgesamt ergbt sch als Antwort auf Frage : 8! 4! ! 8! 0! 0! 0!! p =!!!! = = = =. 3! 9! 9! 9!! 3! ! 0! 0!!
Z Z, kurz. Zählt die Reihenfolge der Buchstaben (ja/nein) Daraus ergeben sich wiederum vier Möglichkeiten, Wörter der Länge k zu bilden.
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