Kombinatoryka
2. Losowanie ze zwracaniem

Niektórzy twierdzą, że już w starożytności pojawiły się pierwsze próby liczenia zdarzeń elementarnych w doświadczeniach losowych. Co prawda, były to dość przyziemne doświadczenia – na przykład polegające na mieszaniu danych substancji roślinnych i obliczaniu, ile może powstać w ten sposób substancji zapachowych. Przydatna też była umiejętność określania liczby różnych zestawów obiadowych z przygotowanych potraw.
W średniowieczu powstały pierwsze diagramy, pokazujące graficzne zależności między wynikami doświadczeń losowych, ale stopniowo były wypierane przez coraz bardziej skomplikowane wzory.
Użycie komputerów spowodowało, że zaczęto wracać do wykonywania obliczeń sposobami algorytmicznymi, a grafy stały się już nie tylko ozdobnikami, ale szybkimi elementami przekazywania informacji.
W sytuacjach z życia codziennego przeprowadzamy wiele doświadczeń, zaś w kombinatoryce mówimy o doświadczeniach losowych.
Doświadczenie losoweDoświadczenie losowe to doświadczenie, które może być powtarzane dowolnie wiele razy w identycznych (lub zbliżonych) warunkach, które ma kilka możliwych wyników i którego wyniku nie daje się jednoznacznie przewidzieć. Mówimy, że doświadczenie jest losowe, gdy ma więcej niż jeden możliwy wynik.
Do rozwiązania wielu zagadnień wystarcza znajomość reguły mnożenia.
Reguła, na podstawie której określa się liczbę wszystkich możliwych wyników doświadczenia losowego, polegającego na wykonaniu po kolei czynności, z których pierwsza może zakończyć się na jeden z sposobów, druga – na jeden z sposobów, trzecia – na jeden z sposobów i tak dalej do tej czynności, która może zakończyć się na jeden z sposobów. Liczba ta jest równa .
Załóżmy, że mamy do dyspozycji cyfry ze zbioru . Najpierw losujemy jedną liczbę i ją zapisujemy, a następnie drugą liczbą i ją też zapisujemy. Ile liczb dwucyfrowych możemy otrzymać z cyfr z tego zbioru, przy założeniu, że cyfry mogą się powtarzać?
Zauważmy, że jeśli:
na pierwszym miejscu mamy cyfrę , to na drugim miejscu możemy wybrać jedną z pięciu cyfr ,
na pierwszym miejscu mamy cyfrę , to na drugim miejscu możemy wybrać jedną z pięciu cyfr ,
na pierwszym miejscu mamy cyfrę , to na drugim miejscu możemy wybrać jedną z pięciu cyfr ,
na pierwszym miejscu mamy cyfrę , to na drugim miejscu możemy wybrać jedną z pięciu cyfr ,
na pierwszym miejscu mamy cyfrę , to na drugim miejscu możemy wybrać jedną z pięciu cyfr .
Zatem liczba możliwych liczb dwucyfrowych, które możemy otrzymać ze zbioru cyfr wynosi:
W opisanym przykładzie mamy do czynienia z losowaniem ze zwracaniem. W losowaniu ze zwracaniem (tzw. losowaniu z powtórzeniami) wylosowany obiekt trafia z powrotem do puli przed następnym powtórzeniem losowania. Wobec tego dany obiekt może być wylosowany wielokrotnie.
Przykładami doświadczeń losowych, które przedstawiają losowanie ze zwracaniem są np.:
wielokrotny rzut symetryczną sześcienną kostką do gry, ponieważ za każdym razem można wyrzucić jedną z sześciu ścian kostki,
wielokrotny rzut symetryczną monetą, ponieważ za każdym razem można wyrzucić jedną z dwóch stron monety,
wielokrotne losowanie kuli z pojemnika w taki sposób, że za każdym razem zwracamy kulę po wylosowaniu do pojemnika.
W kolejnych przykładach omówimy kilka zastosowań losowania ze zwracaniem w różnych doświadczeniach losowych.
Obliczymy, ile jest możliwych wyników doświadczenia polegającego na:
a) dwukrotnym rzucie symetryczną, sześcienną kostką do gry,
b) trzykrotnym rzucie symetryczną monetą.
Rozwiązanie:
a) Jeżeli rzucamy jeden raz symetryczną, sześcienną kostką do gry, to możemy otrzymać jeden z sześciu różnych wyników: , , , , , . Wobec tego, liczba wszystkich wyników przy dwukrotnym rzucie symetryczną sześcienną kostką do gry wynosi:
b) Jeżeli rzucamy jeden raz symetryczną monetą, to możemy otrzymać jeden z dwóch różnych wyników: orła lub reszkę. Wobec tego, liczba wszystkich wyników przy trzykrotnym rzucie symetryczną monetą wynosi:
Obliczymy, na ile sposobów można rozmieścić:
a) kul w szufladach, przy czym kule i szuflady rozróżniamy,
b) kule w szufladach, przy czym kule i szuflady rozróżniamy.
Rozwiązanie:
a) Ponieważ mamy rozmieścić kul w szufladach, zatem każda kula może trafić do szuflad na różne sposoby. Wobec tego, wszystkich możliwości jest:
b) Ponieważ mamy rozmieścić kule w szufladach, zatem każda kula może trafić do szuflad na różnych sposobów. Wobec tego wszystkich możliwości jest:
Szyfr do sejfu tworzymy z trzech cyfr wybranych spośród następujących: , , , , , , , przy czym cyfry te mogą się powtarzać. Obliczymy, ile jest takich szyfrów.
Rozwiązanie:
Zauważmy, że na każdym z trzech miejsc szyfru możemy wpisać jedną z siedmiu cyfr.
Wobec tego liczba wszystkich możliwych szyfrów jest równa:
Obliczymy, ile jest:
a) wszystkich liczb czterocyfrowych, w których zapisie nie występuje cyfra zero i cyfry mogą się powtarzać,
b) wszystkich liczb czterocyfrowych o powtarzających się cyfrach, jeśli pierwsza cyfra jest nieparzysta, a pozostałe cyfry są parzyste.
Rozwiązanie:
a) Ponieważ w rozpatrywanych liczbach czterocyfrowych nie występuje cyfra , zatem wszystkich liczb czterocyfrowych, w których cyfry się powtarzają jest:
b) W rozpatrywanej liczbie pierwsza cyfra musi być nieparzysta, zatem możemy wybrać jedną z cyfr: , , , , . Następne trzy cyfry muszą być parzyste, więc wybieramy z cyfr: , , , , . Ponieważ cyfry mogą się powtarzać, zatem takich liczb jest:
Obliczymy, na ile sposobów:
a) osób może wysiąść z windy, która zatrzymuje się na piętrach,
b) osób może wysiąść z windy, która zatrzymuje się na piętrach.
Rozwiązanie:
a) Liczba sposobów, na które osób może wysiąść z windy, która zatrzymuje się na piętrach wynosi:
b) Liczba sposobów, na które osób może wysiąść z windy, która zatrzymuje się na piętrach wynosi:
Czasami do wyznaczenia liczby wszystkich zdarzeń elementarnych używamy reguły dodawaniareguły dodawania.
Z urny, w której znajduje się kul, w tym białych i kul czarnych losujemy dwie kule ze zwracaniem. Wyznaczymy, ile jest możliwości wylosowania kul o różnych kolorach.
Rozwiązanie:
Przedstawmy rozwiązanie zadania za pomocą drzewa. Niech oznacza kulę białą, a kulę czarną.

W poniższym schemacie przedstawiono drzewko stochastyczne ilustrujące możliwości wylosowania czarnej i białej kuli w dwóch kolejnych losowaniach ze zwracaniem. Literą B oznaczono sytuację, w której wylosowana kula ma kolor biały, natomiast literami C Z oznaczono sytuację, w której wylosowana kula ma kolor czarny. Lista elementów:
Nazwa kategorii: START
Na tym etapie jest 6 kul białych i 5 kul czarnych.
Elementy należące do kategorii STARTNazwa kategorii: B ( losowanie).
Na tym etapie jest 6 kul białych i 5 kul czarnych.
Elementy należące do kategorii B ( losowanie)Nazwa kategorii: B ( losowanie).
Nazwa kategorii: C Z ( losowanie).
Nazwa kategorii: C Z ( losowanie).
Na tym etapie jest 6 kul białych i 5 kul czarnych.
Elementy należące do kategorii C Z ( losowanie)Nazwa kategorii: B ( losowanie). Na tym etapie jest 7 białych kul.
Nazwa kategorii: C Z ( losowanie) Na tym etapie jest 7 czarnych kul.
Ponieważ losujemy dwie kule ze zwracaniem, zatem do rozwiązania zadania bierzemy dwie możliwości:
. Ze wszystkich kul wylosujemy najpierw kulę białą, wrzucamy ją do puli wszystkich i wybieramy kulę czarną. Takich możliwości jest:
. Ze wszystkich kul wylosujemy najpierw kulę czarną, wrzucamy ją do puli wszystkich i wybieramy kulę białą. Takich możliwości jest:
Wobec tego, stosując regułę dodawania, liczba wszystkich możliwych wyników doświadczenia losowego, polegającego na wylosowaniu ze zwracaniem kul o różnych kolorach wynosi:
Z talii kart losujemy ze zwracaniem dwie karty. Obliczymy, ile jest możliwych wyników wybrania co najmniej jednego trefla.
Rozwiązanie:
W talii kart jest trefli oraz kart w pozostałych kolorach. Oznaczmy przez – karty w kolorze trefl, a przez – karty w pozostałych kolorach. Przedstawmy doświadczenie losowe za pomocą drzewa:

W poniższym schemacie przedstawiono drzewko stochastyczne ilustrujące możliwości wylosowania karty w kolorze trefl i wylosowania karty w innym kolorze w dwóch kolejnych losowaniach bez zwracania. Literą T oznaczono sytuację, w której wylosowana karta jest treflem, natomiast literą P oznaczono sytuację, w której wylosowana karta ma inny kolor. Lista elementów:
Nazwa kategorii: START
Na tym etapie mamy 13 trefli i 39 kart pozostałego koloru.
Elementy należące do kategorii STARTNazwa kategorii: T ( losowanie)
Na tym etapie mamy 13 trefli i 39 kart pozostałego koloru.
Elementy należące do kategorii T ( losowanie)Nazwa kategorii: T ( losowanie)
Nazwa kategorii: P ( losowanie)
Nazwa kategorii: P ( losowanie)
Na tym etapie mamy 13 trefli i 39 kart pozostałego koloru.
Elementy należące do kategorii P ( losowanie)Nazwa kategorii: T ( losowanie)
Nazwa kategorii: P ( losowanie)
Jeżeli wylosujemy dwa trefle, to liczba wyników wynosi:
.
Jeżeli wylosujemy jednego trefla, to liczba wyników wynosi:
Wobec tego, jeżeli losujemy dwie karty ze zwracaniem i mamy wybrać co najmniej jednego trefla, to liczba wszystkich możliwych wyników wynosi:
Animacja
Zapoznaj się z poniższą animacją, dotyczącą losowania ze zwracaniem.

Film dostępny pod adresem /preview/resource/R1EiFxk3CMHaT
Animacja dotycząca losowania ze zwracaniem.
Oblicz, ile jest wyników doświadczenia losowego, które polega na rzucie dwa razy symetryczną sześcienną kostką do gry, a następnie rzucie dwa razy symetryczną monetą.
Oblicz, ile jest wyników doświadczenia losowego, które polega na:
a) czterokrotnym rzucie symetryczną sześcienną kostką do gry,
b) sześciokrotnym rzucie symetryczną monetą.
Oblicz, ile jest wyników doświadczenia losowego, które polega na rzucie jeden raz symetryczną monetą, a następnie rzucie trzy razy symetryczną ośmiościenną kostką do gry.
Zestaw ćwiczeń interaktywnych
- liczb trzycyfrowych, w których zapisie występują tylko te cyfry jest 1. , 2. , 3. , 4. , 5. ,
- liczb czterocyfrowych nieparzystych złożonych z tych cyfr jest 1. , 2. , 3. , 4. , 5. ,
- liczb pięciocyfrowych parzystych złożonych z tych cyfr jest 1. , 2. , 3. , 4. , 5. .
Oblicz, których liczb jest więcej:
a) trzycyfrowych, w których zapisie występują cyfry , , , , czy czterocyfrowych, w których zapisie występują cyfry , , ,
b) czterocyfrowych, w których zapisie występują cyfry , , , , , czy pięciocyfrowych, w których zapisie występują cyfry , , ,
Kamil zapomniał trzech ostatnich cyfr dziewięciocyfrowego numeru telefonu komórkowego. Ile maksymalnie prób musi wykonać aby podać poprawny numer, jeżeli wie, że były to cyfry parzyste?
Słownik
dział matematyki, zajmujący się zbiorami skończonymi oraz odwzorowaniami między nimi
procedura, którą można powtarzać wielokrotnie, mająca określony zbiór wyników
przy wyborze pewnego elementu z dwóch zbiorów, z których pierwszy ma elementów, a drugi elementów oraz żaden element nie jest wspólny dla obu tych zbiorów, można to zrobić na sposobów
Notatnik
Możesz skorzystać z poniższego pola tekstowego do zapisania swoich notatek, rozwiązań zadań i innych informacji, które uważasz za potrzebne.