Zufallsexperimente verstehen: Dein Einstieg in die Wahrscheinlichkeitsrechnung

Stell dir vor, du spielst mit deinen Freunden ein Brettspiel. Du schüttelst den Würfel in der Hand, wirfst ihn auf den Tisch – und wartest gespannt. Wird es eine Sechs? Du weisst es nicht. Niemand weiss es. Genau das macht den Reiz aus: Das Ergebnis ist ungewiss.

Dieses Gefühl der Ungewissheit begegnet dir ständig. Beim Münzwurf vor dem Fussballspiel. Beim Ziehen einer Karte aus dem Stapel. Beim Losverfahren in der Schule. All diese Situationen haben eines gemeinsam: Du kannst das Ergebnis nicht vorhersagen, egal wie sehr du es versuchst.

Die Mathematik nennt solche Situationen Zufallsexperimente. Und obwohl wir das einzelne Ergebnis nicht kennen, können wir erstaunlich viel über die möglichen Ausgänge aussagen. Genau das lernst du jetzt.

Was macht ein Zufallsexperiment aus?

Kehren wir zum Würfel zurück. Wenn du ihn wirfst, passieren immer die gleichen Dinge:

1. Du führst eine Handlung durch (den Wurf).
2. Es gibt mehrere mögliche Ausgänge (die Zahlen 1 bis 6).
3. Du weisst vorher nicht, welcher Ausgang eintritt.
4. Du kannst den Versuch beliebig oft wiederholen – unter denselben Bedingungen.

Diese vier Eigenschaften definieren ein Zufallsexperiment. Sobald auch nur eine fehlt, liegt kein echtes Zufallsexperiment vor.

Betrachte als Gegenbeispiel das Berechnen von $3 + 5$. Das Ergebnis ist immer $8$. Keine Ungewissheit, kein Zufall. Oder denke an einen Fallschirmsprung ohne Fallschirm – das Ergebnis ist leider vorhersagbar und nicht wiederholbar.

DEFINITION

Ein Zufallsexperiment ist ein Vorgang, der folgende Eigenschaften erfüllt:

• Es lässt sich unter gleichen Bedingungen beliebig oft wiederholen.
• Es hat mindestens zwei mögliche Ausgänge.
• Das Ergebnis ist vor der Durchführung nicht vorhersagbar.

Die Sprache der Zufallsexperimente

Um über Zufallsexperimente präzise sprechen zu können, brauchen wir klare Begriffe. Die Mathematik hat dafür ein einfaches Vokabular entwickelt.

Ergebnisse und Ergebnismenge

Jeder einzelne mögliche Ausgang eines Zufallsexperiments heisst Ergebnis. Beim Würfeln sind das die Zahlen $1$, $2$, $3$, $4$, $5$ und $6$. Jede dieser Zahlen ist ein Ergebnis.

Die Menge aller möglichen Ergebnisse nennen wir Ergebnismenge. Wir schreiben sie mit dem griechischen Buchstaben Omega: $\Omega$ (sprich: “Omega”).

Für den Würfel gilt:

$$\Omega = \{1, 2, 3, 4, 5, 6\}$$

Die geschweiften Klammern zeigen an, dass es sich um eine Menge handelt. Die Elemente werden durch Kommas getrennt.

Ereignisse

Ein Ereignis ist eine Teilmenge der Ergebnismenge. Es beschreibt, welche Ergebnisse wir “interessant” finden oder welche Bedingung erfüllt sein soll.

Beispiel: “Eine gerade Zahl würfeln” ist ein Ereignis. Es umfasst die Ergebnisse $2$, $4$ und $6$. Wir schreiben:

$$A = \{2, 4, 6\}$$

Das Ereignis $A$ tritt ein, wenn das tatsächliche Ergebnis in der Menge $A$ liegt. Würfelst du eine $4$, ist das Ereignis “gerade Zahl” eingetreten.

DEFINITION

• Ein Ergebnis ist ein einzelner möglicher Ausgang eines Zufallsexperiments.
• Die Ergebnismenge $\Omega$ enthält alle möglichen Ergebnisse.
• Ein Ereignis ist eine Teilmenge von $\Omega$. Es tritt ein, wenn das tatsächliche Ergebnis in dieser Teilmenge liegt.

Besondere Ereignisse

Zwei Ereignisse verdienen besondere Aufmerksamkeit:

Das sichere Ereignis ist die gesamte Ergebnismenge $\Omega$. Es tritt immer ein, egal was passiert. Beim Würfel: “Eine Zahl zwischen 1 und 6 würfeln” – das passiert garantiert.

Das unmögliche Ereignis ist die leere Menge $\{\}$ oder $\emptyset$. Es kann niemals eintreten. Beim Würfel: “Eine 7 würfeln” – das ist unmöglich.

Ein Elementarereignis enthält genau ein Ergebnis. Beispiel: $\{3\}$ bedeutet “genau eine 3 würfeln”.

Häufige Fehler und wie du sie vermeidest

Fehler 1: Ergebnis und Ereignis verwechseln Ein Ergebnis ist ein einzelner Ausgang (z.B. die Zahl $4$). Ein Ereignis ist eine Menge von Ergebnissen (z.B. $\{2, 4, 6\}$). Auch wenn ein Ereignis nur ein Element enthält, schreiben wir es als Menge: $\{4\}$, nicht einfach $4$.

Fehler 2: Ergebnismenge unvollständig aufschreiben Die Ergebnismenge muss alle möglichen Ausgänge enthalten. Beim Münzwurf ist $\Omega = \{\text{Kopf}, \text{Zahl}\}$ – vergiss nicht, dass die Münze auf dem Rand landen könnte, falls das in deinem Experiment möglich ist. Im Schulkontext nehmen wir meist an: nur Kopf oder Zahl.

Fehler 3: “Zufall” mit “Unbekannt” verwechseln Das Ergebnis einer Klassenarbeit ist dir vielleicht unbekannt, aber es ist kein Zufallsexperiment. Die Note steht bereits fest, du kennst sie nur noch nicht. Beim Zufall ist das Ergebnis hingegen noch nicht bestimmt, bis das Experiment durchgeführt wird.

Beispiele

Beispiel 1: Der klassische Münzwurf

Situation: Du wirfst eine faire Münze einmal.

Schritt 1: Ist es ein Zufallsexperiment?

• Wiederholbar? Ja, du kannst beliebig oft werfen.
• Mehrere Ausgänge? Ja, Kopf oder Zahl.
• Unvorhersagbar? Ja, du weisst nicht, was kommt.

✓ Es handelt sich um ein Zufallsexperiment.

Schritt 2: Ergebnismenge bestimmen

$$\Omega = \{\text{Kopf}, \text{Zahl}\}$$

Schritt 3: Ereignisse formulieren

• Ereignis $A$: “Kopf werfen” → $A = \{\text{Kopf}\}$
• Ereignis $B$: “Zahl werfen” → $B = \{\text{Zahl}\}$
• Sicheres Ereignis: $\Omega = \{\text{Kopf}, \text{Zahl}\}$
• Unmögliches Ereignis: $\emptyset = \{\}$

Beispiel 2: Zweimaliges Würfeln

Situation: Du wirfst einen Würfel zweimal hintereinander und notierst beide Ergebnisse.

Schritt 1: Ist es ein Zufallsexperiment? Ja, alle drei Kriterien sind erfüllt.

Schritt 2: Ergebnismenge bestimmen Jedes Ergebnis ist ein Paar $(a, b)$, wobei $a$ den ersten und $b$ den zweiten Wurf beschreibt. Die Ergebnismenge enthält alle Kombinationen:

$$\Omega = \{(1,1), (1,2), (1,3), \ldots, (6,5), (6,6)\}$$

Wie viele Ergebnisse gibt es? Für den ersten Wurf $6$ Möglichkeiten, für den zweiten ebenfalls $6$. Also $6 \cdot 6 = 36$ Ergebnisse.

Schritt 3: Ereignisse formulieren

• Ereignis $A$: “Die Summe beider Würfe ist 7”

$$A = \{(1,6), (2,5), (3,4), (4,3), (5,2), (6,1)\}$$

Das Ereignis enthält $6$ Ergebnisse.

• Ereignis $B$: “Beide Würfe zeigen die gleiche Zahl” (Pasch)

$$B = \{(1,1), (2,2), (3,3), (4,4), (5,5), (6,6)\}$$

• Ereignis $C$: “Der erste Wurf ist grösser als der zweite”

$$C = \{(2,1), (3,1), (3,2), (4,1), (4,2), (4,3), (5,1), (5,2), (5,3), (5,4), (6,1), (6,2), (6,3), (6,4), (6,5)\}$$

Das sind $15$ Ergebnisse.

Beispiel 3: Ziehen aus einer Urne

Situation: In einer Urne liegen $3$ rote, $2$ blaue und $1$ grüne Kugel. Du ziehst eine Kugel, ohne hinzuschauen.

Schritt 1: Ergebnismenge bestimmen Hier gibt es zwei Sichtweisen:

Variante A: Wir unterscheiden nach Farben.

$$\Omega = \{\text{rot}, \text{blau}, \text{grün}\}$$

Variante B: Wir nummerieren die Kugeln ($R_1, R_2, R_3$ für rot usw.)

$$\Omega = \{R_1, R_2, R_3, B_1, B_2, G_1\}$$

Welche Variante ist richtig? Das hängt von der Fragestellung ab. Für die Wahrscheinlichkeitsrechnung ist Variante B oft präziser, weil jede Kugel gleich wahrscheinlich gezogen wird.

Schritt 2: Ereignisse formulieren Mit Variante B:

• Ereignis $A$: “Eine rote Kugel ziehen”

$$A = \{R_1, R_2, R_3\}$$

• Ereignis $B$: “Keine grüne Kugel ziehen”

$$B = \{R_1, R_2, R_3, B_1, B_2\}$$

• Ereignis $C$: “Eine blaue oder grüne Kugel ziehen”

$$C = \{B_1, B_2, G_1\}$$

Beispiel 4: Glücksrad mit Sektoren

Situation: Ein Glücksrad hat $8$ gleich grosse Sektoren, nummeriert von $1$ bis $8$. Du drehst das Rad einmal.

Schritt 1: Ergebnismenge

$$\Omega = \{1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8\}$$

Schritt 2: Ereignisse

• Ereignis $A$: “Eine Primzahl drehen” Die Primzahlen von $1$ bis $8$ sind: $2, 3, 5, 7$ (Achtung: $1$ ist keine Primzahl!)

$$A = \{2, 3, 5, 7\}$$

• Ereignis $B$: “Eine Zahl grösser als $5$ drehen”

$$B = \{6, 7, 8\}$$

• Ereignis $C$: “Eine durch $3$ teilbare Zahl drehen”

$$C = \{3, 6\}$$

• Ereignis $D$: “Eine Zahl drehen, die Primzahl UND grösser als $5$ ist” Wir suchen Zahlen, die in $A$ UND in $B$ liegen: $A \cap B = \{7\}$

$$D = \{7\}$$

Das Wichtigste in Kürze

• Ein Zufallsexperiment ist wiederholbar, hat mehrere mögliche Ausgänge und ein unvorhersagbares Ergebnis.
• Die Ergebnismenge $\Omega$ enthält alle möglichen einzelnen Ergebnisse eines Zufallsexperiments.
• Ein Ereignis ist eine Teilmenge von $\Omega$. Es beschreibt eine bestimmte Bedingung, die eintreten kann oder nicht.
• Das sichere Ereignis ($\Omega$) tritt immer ein, das unmögliche Ereignis ($\emptyset$) niemals.

Dein Wissen im Test

❓ Frage:

Ein Glücksrad hat die Felder $1$, $2$, $3$, $4$, $5$. Du drehst einmal. Welches dieser Ereignisse ist das sichere Ereignis?

a) $\{1, 2\}$ b) $\{1, 2, 3, 4, 5\}$ c) $\{6\}$ d) $\{\}$

Lösung anzeigen

Richtig ist b) $\{1, 2, 3, 4, 5\}$

Das sichere Ereignis enthält alle möglichen Ergebnisse – also die gesamte Ergebnismenge $\Omega$. Da das Rad nur die Zahlen $1$ bis $5$ hat, ist $\Omega = \{1, 2, 3, 4, 5\}$. Dieses Ereignis tritt bei jedem Drehen garantiert ein.

Option c) und d) sind falsch: $\{6\}$ kann nicht eintreten (die $6$ existiert nicht), und $\{\}$ ist das unmögliche Ereignis.

❓ Frage:

Du wirfst zwei Münzen gleichzeitig. Wie viele Ergebnisse enthält die Ergebnismenge $\Omega$?

Lösung anzeigen

Die Ergebnismenge enthält $4$ Ergebnisse.

Bei zwei Münzen notieren wir für jede Münze das Ergebnis:

$$\Omega = \{(K, K), (K, Z), (Z, K), (Z, Z)\}$$

Dabei steht $K$ für Kopf und $Z$ für Zahl. Jede Münze hat $2$ Möglichkeiten, also gibt es $2 \cdot 2 = 4$ Kombinationen.

Wichtig: $(K, Z)$ und $(Z, K)$ sind verschiedene Ergebnisse! Die erste Münze zeigt jeweils etwas anderes als die zweite.

❓ Frage:

In einem Beutel sind $4$ verschiedenfarbige Murmeln: rot, blau, gelb und grün. Du ziehst eine Murmel. Formuliere das Ereignis $A$: “Die Murmel ist nicht blau” als Menge.

Lösung anzeigen

$$A = \{\text{rot}, \text{gelb}, \text{grün}\}$$

Die Ergebnismenge ist $\Omega = \{\text{rot}, \text{blau}, \text{gelb}, \text{grün}\}$.

Das Ereignis “nicht blau” schliesst blau aus und enthält alle anderen Farben. Das Ereignis $A$ ist das Gegenereignis zu $\{\text{blau}\}$.

In der Mengenschreibweise: $A = \Omega \setminus \{\text{blau}\}$

Ausblick: Was kommt als Nächstes?

Du kennst jetzt die Grundbegriffe der Wahrscheinlichkeitsrechnung. Du weisst, was ein Zufallsexperiment ist, wie du die Ergebnismenge aufstellst und wie du Ereignisse als Mengen beschreibst.

Der nächste logische Schritt ist die Frage: Wie wahrscheinlich ist ein bestimmtes Ereignis? Dafür lernst du im nächsten Thema den Wahrscheinlichkeitsbegriff kennen. Du wirst entdecken, wie man Wahrscheinlichkeiten berechnet – etwa mit der klassischen Formel für Laplace-Experimente:

$$P(A) = \frac{\text{Anzahl der günstigen Ergebnisse}}{\text{Anzahl aller möglichen Ergebnisse}}$$

Mit diesem Werkzeug kannst du dann konkret berechnen, wie wahrscheinlich es ist, beim Würfeln eine $6$ zu werfen oder beim Ziehen aus der Urne eine rote Kugel zu erwischen.

Ausserdem wirst du lernen, wie man zusammengesetzte Ereignisse behandelt: Was ist die Wahrscheinlichkeit, dass Ereignis $A$ ODER Ereignis $B$ eintritt? Was, wenn $A$ UND $B$ eintreten sollen? Dafür brauchst du die Additions- und Multiplikationsregeln der Wahrscheinlichkeitsrechnung.

Das Fundament dafür hast du heute gelegt. Die Ergebnismenge und die Ereignisse sind dein Handwerkszeug – ohne sie geht in der Wahrscheinlichkeitsrechnung gar nichts.