Wahrscheinlichkeit: Diskrete Zufallsvariablen und die Binomialverteilung: Unterschied zwischen den Versionen

[+/-]

Widgets

Widgets

Gewünschte Seiten
Wer ist online?
Aus Matura Wiki
Wechseln zu: Navigation, Suche
(→‎Typischer Graph der Wahrscheinlichkeitsfunktion)
(→‎Zufallsvariablen)
 
(84 dazwischenliegende Versionen von 6 Benutzern werden nicht angezeigt)
Zeile 1: Zeile 1:
 +
 +
= Zufallsvariablen =
 +
  
 
== Zufallsvariablen ==
 
== Zufallsvariablen ==
−
{{Vorlage:Definition|1=Das Ergenis eines Zufallsexperimentes kann mithilfe einer "'''''Zufallsvariable'''''" $X$ beschrieben werden.  
+
{{Vorlage:Definition|1=Das Ergebnis eines Zufallsexperimentes kann mithilfe einer '''''„Zufallsvariable“''''' $X$ beschrieben werden.  
  
 
Die '''Zufallsvariable''' ordnet dabei jedem Einzelereignis eine reelle Zahl zu.  
 
Die '''Zufallsvariable''' ordnet dabei jedem Einzelereignis eine reelle Zahl zu.  
  
  
−
Beispiel: Beim Würfeln mit einem Würfel kann die Zufallsvariable die Werte 1, 2, 3, 4, 5 oder 6 zufällig annehmen (d.h. $X\in \{1;2;3;4;5;6\}=$Wertebereich von $X$).  
+
Beispiel: Beim Würfeln mit einem Würfel kann die Zufallsvariable die Werte $1, 2, 3, 4, 5$ oder $6$ zufällig annehmen (d. h. $X\in \{1;2;3;4;5;6\}=$ Wertebereich von $X$).  
−
Die Wahrscheinlichkeit, dass $X$ die Zahl 6 annimmt ist:
+
Die Wahrscheinlichkeit, dass $X$ die Zahl $6$ annimmt ist:
−
$$P(X=6)=P(6er\ würfeln)=\frac{1}{6}$$
+
$$P(X=6)=P(6er\ \text{würfeln})=\frac{1}{6}$$
 
}}
 
}}
  
−
Man unterscheidet zwischen 2 Typen von Zuvallsvariablen:
+
Man unterscheidet $2$ Typen von Zufallsvariablen:
−
* Die '''diskrete Zufallsvariable''' hat einen abzählbaren Wertebereich (z.B. Anzahl von Personen)
+
* Die '''diskrete Zufallsvariable''' hat einen abzählbaren Wertebereich (z. B. Anzahl von Personen).
−
* Die '''stetige Zufallsvariable''' hat als Wertebereich ein Intervall in den [[Theorie Zahlenmengen (1.1.) | reellen Zahlen]] einen nicht abzählbaren Wertebereich
+
* Die [[Wahrscheinlichkeit:_Normalverteilung_und_Stetige_Zufallsvariablen|'''stetige Zufallsvariable''']] hat als Wertebereich ein Intervall in den [[Theorie Zahlenmengen (1.1.) | reellen Zahlen]] und damit einen nicht abzählbaren Wertebereich.
  
 
Mithilfe der Zufallsvariable wird uns nun das Berechnen der folgenden Aufgaben erleichtert.  
 
Mithilfe der Zufallsvariable wird uns nun das Berechnen der folgenden Aufgaben erleichtert.  
 +
<br>
 +
<br>
 +
 +
= Diskrete Zufallsvariablen =
  
 
== Diskrete Zufallsvariablen ==
 
== Diskrete Zufallsvariablen ==
−
Diskrete Zufallsvariablen haben einen abzählbaren Wertebereich (z.B. Anzahl von Personen).  
+
Diskrete Zufallsvariablen haben einen abzählbaren Wertebereich (z. B. Anzahl von Personen).  
 +
<br>
 +
<br>
  
 
=== Wahrscheinlichkeits- und Verteilungsfunktion ===
 
=== Wahrscheinlichkeits- und Verteilungsfunktion ===
Zeile 24: Zeile 33:
 
Die '''''Wahrscheinlichkeitsfunktion $f$'''''  ordnet jedem Einzelereignis seine Wahrscheinlichkeit zu:
 
Die '''''Wahrscheinlichkeitsfunktion $f$'''''  ordnet jedem Einzelereignis seine Wahrscheinlichkeit zu:
 
$$f: f(x_i)=P(X=x_i)$$
 
$$f: f(x_i)=P(X=x_i)$$
−
wobei $x_i$ ein Einzelereignis (z.B.: $x_1...1er\ würfeln,\ x_2...2er\ würfeln$ usw.) und $P(X=x_i)$ die dazugehörige Wahrscheinlichkeit ist: $P(X=x_1)=P(X=1er)=\frac{1}{6}...$)
+
wobei $x_i$ ein Einzelereignis (z. B.: $x_1...1er\ \text{würfeln},\ x_2...2er \text{würfeln}$ usw.) und $P(X=x_i)$ die dazugehörige Wahrscheinlichkeit ist: $P(X=x_1)=P(X=1er)=\frac{1}{6}...$)
 
}}
 
}}
  
−
Die folgende Abbildung zeigt die Verteilungsfunktion für die Zuvallsvariable $X$, die die Augenzahl beim zufälligen Wurf eines Würfels zählt:
+
Die folgende Abbildung zeigt die Wahrscheinlichkeitsfunktion für die Zufallsvariable $X$, die die Augenzahl beim zufälligen Wurf eines Würfels zählt:
−
[[Datei:Diskrete Wahrscheinlichkeitsfkt beim Würfeln.png|400px|miniatur|zentriert|Jedes Ereignis $x_i$ hat als Wahrscheinlichkeit $\frac{1}{6}\approx 0.17$]]
+
<br>
 +
<br>
 +
[[Datei:Diskrete Wahrscheinlichkeitsfkt beim Würfeln.png|400px|miniatur|zentriert|Jedes Ereignis $x_i$ hat als Wahrscheinlichkeit $\frac{1}{6}\approx 0.17$.]]
 +
<br>
  
−
Wollen wir nun wissen, wie groß die Wahrscheinlichkeit ist, dass man beim Würfelwurf eine Zahl $\leq 3$ würfelt, som müssen wir $P(X\leq 3)$ berechnen:
+
Wollen wir nun wissen, wie groß die Wahrscheinlichkeit ist, dass man beim Würfelwurf eine Zahl $\leq 3$ würfelt, so müssen wir $P(X\leq 3)$ berechnen:
 
$$P(X\leq 3)=P(X=1)+P(X=2)+P(X=3)=\frac{1}{6}+\frac{1}{6}+\frac{1}{6}=\frac{3}{6}$$
 
$$P(X\leq 3)=P(X=1)+P(X=2)+P(X=3)=\frac{1}{6}+\frac{1}{6}+\frac{1}{6}=\frac{3}{6}$$
  
Zeile 36: Zeile 48:
  
  
−
Die folgende Graphik zeigt die Verteilungsfunktion für die Zuvallsvariable $X$, die die Augenzahl beim zufälligen Wurf eines Würfels zählt:
+
Die folgende Graphik zeigt die Verteilungsfunktion für die Zufallsvariable $X$, die die Augenzahl beim zufälligen Wurf eines Würfels zählt:
−
[[Datei:Diskrete Verteilungsfunktion beim Würfeln.png|400px|miniatur|zentriert|Verteilungsfunktion $F$ für die das Würfeln eines Würfels, wobei $X$ die Augenzahl angibt. ]]
+
<br>
 +
<br>
 +
[[Datei:Diskrete Verteilungsfunktion beim Würfeln.png|400px|miniatur|zentriert|Verteilungsfunktion $F$ für das Würfeln eines Würfels, wobei $X$ die Augenzahl angibt. ]]
  
 
{{Vorlage:Ausklapp|1=
 
{{Vorlage:Ausklapp|1=
−
'''Hinweise zur Verteilungsfunktion''':
+
'''Hinweise zur Verteilungsfunktion:'''  
 
|2=
 
|2=
 
Die Funktion $F$ macht aus folgenden Gründen immer Sprünge:
 
Die Funktion $F$ macht aus folgenden Gründen immer Sprünge:
−
: - die Wahrscheinlichkeit, dass eine Zahl kleiner als $1$ gewürfelt wird ($=P(X<1)$) ist $0$, somit sind alle Funktionswerte von $F$ links der 1 gleich 0.  
+
: - die Wahrscheinlichkeit, dass eine Zahl kleiner als $1$ gewürfelt wird ($=P(X<1)$) ist $0$, somit sind alle Funktionswerte von $F$ links der $1$ gleich $0$.  
−
: - Bei $X=1$ macht die Verteilungsfkt $F$ einen Sprung. Anschließend ist für alle $X<2$ die Wahrscheinlichkeit $P(X<2)=\frac{1}{6}\approx 0.17$ (die Wahrscheinlichkeit, dass eine Zahl kleiner als 2 gewürfelt wird ist $\frac{1}{6}$)
+
: - Bei $X=1$ macht die Verteilungsfunktion $F$ einen Sprung. Anschließend ist für alle $X<2$ die Wahrscheinlichkeit $P(X<2)=\frac{1}{6}\approx 0.17$ (die Wahrscheinlichkeit, dass eine Zahl kleiner als $2$ gewürfelt wird ist $\frac{1}{6}$).
−
: - Bei $X=2$ macht die Funktion wieder einen Sprung um den Wert $\frac{1}{6}\approx 0.17$, da hier die Wahrscheinlichkeit für eine 2 ($=P(X=2)=\frac{1}{6}$) hinzukommt.  
+
: - Bei $X=2$ macht die Funktion wieder einen Sprung um den Wert $\frac{1}{6}\approx 0.17$, da hier die Wahrscheinlichkeit für eine $2$ ($=P(X=2)=\frac{1}{6}$) hinzukommt.  
−
: - Ab $X=6$ hat die Verteilungsfunktion durchgängig den Wert $1$, da gilt $P(X<=6)=1$ (die Wahrscheinlichkeit, dass ein Wert kleiner oder gleich 6 gewürfelt wird, ist 1).  
+
: - Ab $X=6$ hat die Verteilungsfunktion durchgängig den Wert $1$, da gilt $P(X<=6)=1$ (die Wahrscheinlichkeit, dass ein Wert kleiner oder gleich $6$ gewürfelt wird, ist $1$).  
−
: - Die Höhe der Sprünge entsprichgt gerade der Höhe der Funktionswerte, bei der '''Wahrscheinlichkeitsfunktion''' (siehe oben).  
+
: - Die Höhe der Sprünge entspricht gerade der Höhe der Funktionswerte bei der '''Wahrscheinlichkeitsfunktion''' (siehe oben).  
 
}}
 
}}
−
 
+
<br>
 +
<br>
  
 
=== Erwartungswert und Standardabweichung ===
 
=== Erwartungswert und Standardabweichung ===
Zeile 59: Zeile 74:
 
{| class="wikitable"
 
{| class="wikitable"
 
|-
 
|-
−
! Idee ... !! in der Wahrscheinlichkeitsrechung !! in der Statistik
+
! Idee ... !! In der Wahrscheinlichkeitsrechnung !! in der Statistik
 
|-
 
|-
 
| Prozent || '''Wahrscheinlichkeit''' $$P(X=x_i)$$ || '''relative Häufigkeit''' $$h_i=\frac{H_i}{n}$$
 
| Prozent || '''Wahrscheinlichkeit''' $$P(X=x_i)$$ || '''relative Häufigkeit''' $$h_i=\frac{H_i}{n}$$
Zeile 71: Zeile 86:
 
a) den Erwartungswert
 
a) den Erwartungswert
 
b) die Standardabweichung  
 
b) die Standardabweichung  
−
beim Wurf eines sechsseitigen Würfels, wobei die Zufallsvariable $X$ die Augensumme angibt $($d.h. $X\in \{1;2;3;4;5;6\})$.
+
beim Wurf eines sechsseitigen Würfels, wobei die Zufallsvariable $X$ die Augensumme angibt (d. h. $X\in \{1;2;3;4;5;6\}$).
 
|2=
 
|2=
 
a) Zuerst machen wir uns eine Wertetabelle der Wahrscheinlichkeitsfunktion $f: f(x_i)=P(X=x_i)$:
 
a) Zuerst machen wir uns eine Wertetabelle der Wahrscheinlichkeitsfunktion $f: f(x_i)=P(X=x_i)$:
 
[[Datei:Wertetabelle-wahrscheinlichkeitsfkt-Würfel.png|center|300px]]
 
[[Datei:Wertetabelle-wahrscheinlichkeitsfkt-Würfel.png|center|300px]]
−
Der Erwartungswert $E(X)=mu=\sum_{i=1}^{n}x_i\cdot P(X=x_i)$. Setzen wir die Werte aus der Tabelle in die Formel ein, so erhalten wir:
+
Der Erwartungswert $E(X)=\mu=\sum_{i=1}^{n}x_i\cdot P(X=x_i)$. Setzen wir die Werte aus der Tabelle in die Formel ein, so erhalten wir:
 
$$
 
$$
 
\sum_{i=1}^{n}x_i\cdot P(X=x_i)=\underbrace{1}_{x_1}\cdot \underbrace{\frac{1}{6} }_{P(X=x_1) }+2\cdot \frac{1}{6} +3\cdot \frac{1}{6} +4 \cdot \frac{1}{6}+5\cdot \frac{1}{6}+6\cdot \frac{1}{6}=\underline{\underline{3.5} }$$
 
\sum_{i=1}^{n}x_i\cdot P(X=x_i)=\underbrace{1}_{x_1}\cdot \underbrace{\frac{1}{6} }_{P(X=x_1) }+2\cdot \frac{1}{6} +3\cdot \frac{1}{6} +4 \cdot \frac{1}{6}+5\cdot \frac{1}{6}+6\cdot \frac{1}{6}=\underline{\underline{3.5} }$$
  
−
Der Erwartungswert $\mu$ beträgt also 3.5. Natürlich kann man aber beim einmaligen Würfeln nicht 3.5 Würfeln. Man kann den Erwartungswert aber so interbretieren, dass, wenn man lange genug würfelt, der Durchschnitt bei 3.5 liegen wird.
+
Der Erwartungswert $\mu$ beträgt also $3.5$. Natürlich kann man aber beim einmaligen Würfeln nicht $3.5$ würfeln. Man kann den Erwartungswert aber so interpretieren, dass, wenn man lange genug würfelt, der Durchschnitt bei $3.5$ liegen wird.
  
  
Zeile 90: Zeile 105:
  
 
}}
 
}}
 +
<br>
 +
<br>
  
 
=== Exkurs: Kombinatorik - Die Kunst des Abzählens ===
 
=== Exkurs: Kombinatorik - Die Kunst des Abzählens ===
  
−
Schau dir folgendes Video eines sogenannten [http://de.wikipedia.org/wiki/Galtonbrett Galtonbretts] an:
+
[[Binomialkoeffizient| siehe Binomialkoeffizient]]
 +
<br>
 +
<br>
 +
<br>
  
−
{{Vorlage:Video|1=3m4bxse2JEQ}}
+
=== Exkurs 2: Lotto ===
 +
Mit dieser Überlegung können wir uns nun ganz einfach die Wahrscheinlichkeit für einen Lottogewinn berechnen. Beim Lotto werden insgesamt $6$ von $45$ Kugeln gezogen. Dabei ist die Reihenfolge egal.
  
−
Die Kugeln fallen bei jedem Hölzchen entweder nach links oder nach rechts. Interessant dabei ist, dass alle Kugeln, die am Ende im selben Behälter landen, gleich oft nach links und nach rechts gefallen sind. z.B.:
+
* Die Anzahl der möglichen Ziehungen ist somit $\binom{45}{6}=8.145.060$ (aus $45$ Kugeln werden $6$ gezogen).  
−
* Alle Kugeln, die im den Behälter ganz links  landen, sind bei jedem Hölzchen nach links gefallen (da es sehr unwahrscheinlich ist, immer nach links zu fallen, befinden sich hier auch keine Kugeln).
+
−
* Alle Kugeln, die in den 2. Behälter von links fallen, müssen einmal nach rechts fallen und sonst immer nach links.
+
−
* Alle Kugeln, die in den 3. Behälter von links fallen, müssen zweimal nach rechts fallen und sonst immer nach links.
+
−
*...
+
−
 
+
−
Die Frage ist nun nur, wie viele verschiedene Möglichkeiten gibt es, bei insgesamt $n$ Hölzchen (=Möglichkeiten nach links oder rechts zu fallen) insgesamt $k$-mal nach links und (n-k)-mal nach rechts zu fallen?
+
−
 
+
−
 
+
−
Die Antwort ist
+
−
$$\binom{n}{k} = \frac{n!}{k!\cdot (n-k)!}$$
+
−
wobei
+
−
* $n!$ heißt "n-faktorielle" oder "n-Fakultät" und bedeutet: $n!=1\cdot 2\cdot 3\cdot 4\cdot ...\cdot (n-1)\cdot n$ ist (alle Zahlen von 1 bis $n$ multipliziert).
+
−
* $\binom{n}{k}$ ist der sogenannte Binomialkoeffizient und gibt '''die Anzahl der Möglichkeiten an, bei n Fällen insgesamt k-mal nach links und (n-k)-mal nach rechts zu gehen'''.
+
−
 
+
−
 
+
−
 
+
−
<div class="toccolours mw-collapsible mw-collapsed" style="width:800px">
+
−
 
+
−
<span style="color:#A020F0> '''Begründung für diese Formel:''' </span>
+
−
 
+
−
<div class="mw-collapsible-content">
+
−
'''1. Begründung für $n!$:''' <br>
+
−
Nehmen wir an, wir haben 4 Personen und insgesamt 4 Plätze, auf die wir sie setzen können. Wie viele verschiedene Reihenfolgen gibt es, die Personen zu reihen?
+
−
'''Erklärung:'''  Betrachte zuerst das folgende Video (ab Minute 18:22)
+
−
 
+
−
{{Vorlage:Video|YnoTCliYiOA?t}}
+
−
 
+
−
'''Antwort:''' Es gibt $$4!=4\cdot 3\cdot 2\cdot 1=24$$ Möglichkeiten 4 Personen auf 4 Plätze zu setzen
+
−
(für den ersten Platz gibt es 4 mögliche, für den zweiten Platz noch 3, für den dritten Platz noch 2, und für den letzten Platz noch 1).
+
−
 
+
−
 
+
−
'''2. Begründung für $\frac{n!}{(n-k)!}$:''' <br>
+
−
Nehmen wir nun an, wir haben 9 Personen, aber immer noch 4 Plätze. Wie viele Möglichkeiten gibt es nun aus den 9 Personen 4 zufällig auszuwählen und auf die 4 Plätze zu setzen?
+
−
'''Erklärung:'''  Betrachte zuerst das folgende Video (ab Minute 26:09)
+
−
 
+
−
{{Vorlage:Video|YnoTCliYiOA?t}}
+
−
 
+
−
'''Antwort:''' Es gibt $$\frac{9!}{(9-4)!}=9\cdot 8\cdot 7\cdot 6$$ Möglichkeiten 4 von 9 Personen auf die Plätze zu setzen.
+
−
 
+
−
 
+
−
 
+
−
3. Begründung für $\frac{n!}{k!\cdot (n-k)!}$: <br>
+
−
Nun überlegen wir uns, wir haben 9 Personen und 4 Plätze. Wie viele Möglichkeiten gibt es dann, die Plätze zu besetzen, '''wenn uns die Reihenfolge egal''' ist?
+
−
'''Erklärung:''' Wir wissen bereits, dass es $\frac{9!}{(9-4)!}$ Platzierungsmöglichkeiten gibt. Zwei dieser Möglichkeiten wären die folgenden:
+
−
 
+
−
[[Datei:Binomailverteilung - ziehung - version 1.png|gerahmt|zentriert]]
+
−
und
+
−
[[Datei:Binomailverteilung - ziehung - version 2.png|gerahmt|zentriert]]
+
−
Da uns dieses Mal die Reihenfolge egal ist, gehören beide Bilder zum selben Ergebnis. Genauso gehören alle weiteren Vertauschungen von dieser Ziehung zur selben Kombination.
+
−
Insgesamt können wir diese Kombination auf $4!$-Möglichkeiten vertauschen. Somit erhalten wir als Gesamtformel:
+
−
$$\frac{9!}{(9-4)!}\cdot \frac{1}{4!}$$
+
−
wobei wir mit $\frac{1}{4!}$ alle Variationen, die sich nur in der Reihenfolge unterscheiden, abziehen.
+
−
 
+
−
 
+
−
Zusammenfassend heißt das: Insgesamt gibt es $\frac{9!}{(9-4)!}\cdot \frac{1}{4!}$ möglichkeiten, aus einer Menge von 9 Personen, 4 Leute auszuwählen, ohne dabei die Reihenfolge zu beachten.
+
−
 
+
−
 
+
−
Eine verkürzte Schreibweise ist  nun der sogenannte Binimialkoeffizient
+
−
$$\binom{9}{4}=\frac{9!}{(9-4)!}\cdot \frac{1}{4!}$$
+
−
der angibt, wie viele Möglichkeiten es gibt, 9 Personen auf 4 Plätze zu setzen, wenn die Reihenfolge egal ist.
+
−
 
+
−
Allgemein:
+
−
$$\binom{n}{k}=\frac{n!}{(n-k)!\cdot k!}$$
+
−
gibt die Anzahl der Möglichkeiten an, aus $n$ Elementen $k$ auszuwählen (ohne Berücksichtigung der Reihenfolge).
+
−
</div>
+
−
 
+
−
</div>
+
−
 
+
−
 
+
−
 
+
−
 
+
−
 
+
−
 
+
−
 
+
−
Hier noch eine weitere eine Erklärung mit dem Galton-Brett:
+
−
 
+
−
{{Vorlage:Video|4rNiwedqmmQ}}
+
−
 
+
−
{{Vorlage:Merke|1= Der Binomialkoeffizient
+
−
$$\binom{n}{k} =\frac{n!}{k!\cdot (n−k)!}$$
+
−
gibt die Anzahl der Möglichkeiten an, aus einer Menge mit $n$ Objekten insgesamt $k$ auszuwählen (ohne Berücksichtigung der Reihenfolge). }}
+
−
 
+
−
=== Lotto ===
+
−
Mit dieser Überlegung können wir uns nun ganz einfach die Wahrscheinlichkeit für einen Lottogewinn berechnen. Beim Lotto werden insgesamt 6 von 45 Kugeln gezogen. Dabei ist die Reihenfolge, egal.
+
−
 
+
−
* Die Anzahl der möglichen Ziehungen ist somit $\binom{45}{6}=8.145.060$ (aus 45 Kugeln werden 6 gezogen).  
+
 
* Die Anzahl der günstigen Möglichkeiten $\binom{6}{6}=1$
 
* Die Anzahl der günstigen Möglichkeiten $\binom{6}{6}=1$
  
−
Somit ist die Wahrscheinlichkeit für einen Lotto-6er:  
+
Somit ist die Wahrscheinlichkeit für einen Lotto-$6$er:  
−
$$P(Lotto-6er)=\frac{günstige}{mögliche}=\frac{\binom{6}{6}}{\binom{45}{6}}=\frac{1}{8.145.060}$$
+
$$P(\text{Lotto-}6er)=\frac{günstige}{mögliche}=\frac{\binom{6}{6}}{\binom{45}{6}}=\frac{1}{8.145.060}$$
  
  
−
{{Vorlage:Beispiel|1=Berechnen Sie die Wahrscheinlichkeit, beim Lotto 5 der 6 richtigen auszuwählen.
+
{{Vorlage:Beispiel|1=Berechnen Sie die Wahrscheinlichkeit, beim Lotto $5$ der $6$ richtigen Kugeln auszuwählen.
 
|2= <br>
 
|2= <br>
  
−
* Die Anzahl der möglichen Ziehungen ist wieder $\binom{45}{6}=8.145.060$ (aus 45 Kugeln werden 6 gezogen).
+
* Die Anzahl der möglichen Ziehungen ist wieder $\binom{45}{6}=8.145.060$ (aus $45$ Kugeln werden $6$ gezogen).
−
* Die Anzahl der günstigen Möglichkeiten $\binom{6}{5}=6$ (aus 6 Kugeln werden 5 gezogen).  
+
* Die Anzahl der günstigen Möglichkeiten $\binom{6}{5}=6$ (aus $6$ Kugeln werden $5$ gezogen) Mal $\binom{39}{1}$ (= aus $39$ Kugeln wird eine gezogen).  
−
$$P(5er)=\frac{günstige}{mögliche}=\frac{\binom{6}{5} }{\binom{45}{6} }=\frac{6}{8.145.060}$$
+
$$P(5er)=\frac{günstige}{mögliche}=\frac{\binom{6}{5}\cdot \binom{39}{1} }{\binom{45}{6} }=\frac{6\cdot 39}{8.145.060}\approx 0.00002873 \ \ (= 0.002873 \%)$$
 
}}
 
}}
 +
<br>
 +
<br>
  
−
== Bernoulli-Experiment und die Binomialverteilung ==
+
= Bernoulli-Experimente und die Binomialverteilung =
 +
== Bernoulli-Experimente und die Binomialverteilung ==
 
=== Definition und Formel ===
 
=== Definition und Formel ===
−
Im Folgenden betrachten wir ein sogenanntes:
+
Im Folgenden betrachten wir ein sogenanntes
  
−
{{Vorlage:Definition|1= '''Bernoulli-Experiment'''
+
{{Vorlage:Definition|1= '''Bernoulli-Experiment''' (benannt nach dem schweizer Mathematiker [https://de.wikipedia.org/wiki/Jakob_I._Bernoulli Jakob Bernoulli]).
 
Dies sind Experimente, bei denen es
 
Dies sind Experimente, bei denen es
−
# '''genau zwei mögliche Ergebnisse''' $E$ und $\bar{E}$ (nicht $E$) gibt und  
+
# '''genau zwei mögliche Ergebnisse''' $E$ und $\bar{E}$ ($=$ nicht $E$) gibt und  
−
# sich die '''Wahrscheinlichkeit''' für die einzelnen Ereignisse '''nicht ändert'''. D.h. für alle Versuchsausgänge gilt $P(E)=p$ und $P(\bar{E})=1-p$. }}
+
# sich die '''Wahrscheinlichkeit''' für die einzelnen Ereignisse '''nicht ändert''', d. h. für alle Versuchsausgänge gilt $P(E)=p$ und $P(\bar{E})=1-p$. }}
  
 
Typische Beispiele hierfür wären:  
 
Typische Beispiele hierfür wären:  
−
* Ziehen von roten und blauen Kugeln aus einer Urne '''mit zurücklegen'''. Die Zuvallsvariable $X$ zählt das auftreten von roten Kugeln.  
+
* Ziehen von roten und blauen Kugeln aus einer Urne '''mit Zurücklegen''': Die Zufallsvariable $X$ zählt das Auftreten von roten Kugeln.  
−
* Merhmaliges Würfeln mit einem Würfel. Die Zuvallsvariable $X$ zählt das auftreten eines $6er$.  
+
* Mehrmaliges Würfeln mit einem Würfel: Die Zufallsvariable $X$ zählt das Auftreten eines $6er$.
 +
* Multiple-Choice-Tests: Die Zufallsvariable $X$ zählt die richtigen Antworten.  
  
−
{{Vorlage:Beispiel|1= Sie stehen vor einer Urne mit 7 roten und 13 blauen Kugeln. Wie groß ist die Wahrscheinlichkeit, bei 4 maligem Ziehen, 3 mal eine rote Kugel zu erhalten?
+
{{Vorlage:Beispiel|1= Sie stehen vor einer Urne mit $7$ roten und $13$ blauen Kugeln. Wie groß ist die Wahrscheinlichkeit, bei $4$-maligem Ziehen mit Zurücklegen, $3$-mal eine rote Kugel zu erhalten?
 
|2=  
 
|2=  
 
Die Zufallsvariable $X$ zählt die Anzahl der roten Kugeln. Gefragt ist also  
 
Die Zufallsvariable $X$ zählt die Anzahl der roten Kugeln. Gefragt ist also  
 
$$P(X=3)=?$$
 
$$P(X=3)=?$$
  
−
* Anzahl der Möglichkeiten: Um von 4 Ziehungen 3 mal eine rote Kugel zu ziehen gibt es $\binom{4}{3}=4$-Möglichkeiten, nämlich:
+
[[Datei:Binomialverteilung-Kugeln-mW.png|600px|miniatur|zentriert|Baumdiagramm für das dreimalige Ziehen mit Zurücklegen aus einer Box mit $7$ roten und $13$ blauen Kugeln]]
−
(r,r,r,b); (r,r,b,r); (r,b,r,r,); (b,r,r,r).
+
  
−
* Die Wahrscheinlichkeit für einen solchen Versuch ist $p^3\cdot (1-p)^1$ mit $p=\frac{7}{20}$.  
+
 
−
: Begründung: Nehmen wir zum Beispiel (r,r,r,b).
+
* Anzahl der Pfade zu unserem Ergebnis: Um von $4$ Ziehungen $3$-mal eine rote Kugel zu ziehen gibt es $\binom{4}{3}=4$ Möglichkeiten, nämlich:
 +
$(r,r,r,b)$; $(r,r,b,r)$; $(r,b,r,r,)$; $(b,r,r,r)$.
 +
 
 +
'''Hinweis:''' $\binom{4}{3}$ (gesprochen „$4$ über $3$“) ist der sogenannte [[Binomialkoeffizient]].
 +
<br />
 +
<br>
 +
* Die Wahrscheinlichkeit für dreimal rot und einmal blau ist bei jedem Pfad $p^3\cdot (1-p)^1$ mit $p=\frac{7}{20}$.  
 +
: Begründung: Nehmen wir zum Beispiel $(r,r,r,b)$.
 
Die Wahrscheinlichkeit, eine rote Kugel zu ziehen ist $p=\frac{7}{20}$. Die Wahrscheinlichkeit eine blaue Kugel zu ziehen ist $(1-p)=\frac{13}{20}$.  
 
Die Wahrscheinlichkeit, eine rote Kugel zu ziehen ist $p=\frac{7}{20}$. Die Wahrscheinlichkeit eine blaue Kugel zu ziehen ist $(1-p)=\frac{13}{20}$.  
−
Somit ist die Wahrscheinlichkeit für das Ergebnis (r,r,r,b) aufgrund der [[Wahrscheinlichkeit:Grundlagen#Multiplikationsregel|Multiplikationsregel]]
+
Somit ist die Wahrscheinlichkeit für das Ergebnis $(r,r,r,b)$ aufgrund der [[Wahrscheinlichkeit:_Baumdiagramme_und_Pfadregeln#1._Pfadregel_.28Multiplikationsregel.29|1. Pfadregel/Multiplikationsregel]]
−
$$p\cdot p\cdot p\cdot q=p^3\cdot (1-p)^1$$
+
$$p\cdot p\cdot p\cdot (1-p)=p^3\cdot (1-p)^1$$
−
Für die anderen Ausfälle(r,r,b,r); (r,b,r,r,); (b,r,r,r) kommt man auf dasselbe Resultat. Somit erhalten wir:
+
Für die anderen Möglichkeiten $(r,r,b,r)$; $(r,b,r,r,)$ und $(b,r,r,r)$ kommt man auf dasselbe Resultat. Somit erhalten wir:
−
$$P(X=3)=\underbrace{\binom{4}{3} }_{\textrm{Anzahl der Fälle} }\cdot \underbrace{p^3\cdot (1-p)^1}_{\textrm{Wahrscheinlichkeit für einen dieser Fälle} }=4\cdot (\frac{7}{20})^3\cdot  \frac{13}{20}= 0.1115=11.15\%$$
+
$$P(X=3)=\underbrace{\binom{4}{3} }_{\textrm{Anzahl der Pfade} }\cdot \underbrace{p^3\cdot (1-p)^1}_{\textrm{Wahrscheinlichkeit für einen dieser Pfade} }=4\cdot (\frac{7}{20})^3\cdot  \frac{13}{20}= 0.1115=11.15\%$$
 
}}
 
}}
  
 
{{Vorlage:Definition|1= '''Binomialverteilung und Formel'''
 
{{Vorlage:Definition|1= '''Binomialverteilung und Formel'''
−
Es wird ein Bernoulli-Experiment (2 Ereignisse: Erfolg oder Misserfolg) n-mal durchgeführt, wobei die Erfolgswahrscheinlichkeit $p$ konstant bleibt.
+
Es wird ein Bernoulli-Experiment ($2$ mögliche Ausgänge: Erfolg oder Misserfolg) $n$-mal durchgeführt, wobei die Erfolgswahrscheinlichkeit $p$ konstant bleibt.
  
 
Die Zufallsvariable $X$ zählt die Anzahl der Erfolge.  
 
Die Zufallsvariable $X$ zählt die Anzahl der Erfolge.  
Zeile 246: Zeile 191:
 
* $(1-p)^{n-k}...$ Wahrscheinlichkeit, dass der Erfolg insgesamt $n-k$-mal '''NICHT''' eintritt.  
 
* $(1-p)^{n-k}...$ Wahrscheinlichkeit, dass der Erfolg insgesamt $n-k$-mal '''NICHT''' eintritt.  
 
}}
 
}}
−
 
−
 
  
  
 
{{Vorlage:Merke|1= Für eine Zufallsvariable $X$, die $B(n;p)-$verteilt ist, gilt:
 
{{Vorlage:Merke|1= Für eine Zufallsvariable $X$, die $B(n;p)-$verteilt ist, gilt:
−
* Erwartungswert: $E(x)=\mu=n\cdot p$
+
* Erwartungswert: $E(X)=\mu=n\cdot p$
 +
Der Erwartungswert ist jener Wert, den die Zufallsvariable $X$ im Mittel annimmt.
 
* Standardabweichung: $\sqrt{n\cdot p\cdot (1-p) }$
 
* Standardabweichung: $\sqrt{n\cdot p\cdot (1-p) }$
 +
Die Standardabweichung ist ein Maß für die im Mittel zu erwartende Abweichung der Zufallsvariable $X$ vom Erwartungswert $\mu$.
 
}}
 
}}
  
−
{{Vorlage:Beispiel|1= Ein Würfel wird 30-mal geworfen. Wie groß ist die Wahrscheinlichkeit <br>
+
{{Vorlage:Beispiel|1= Ein Würfel wird $30$-mal geworfen. <br>
−
a) 8-mal eine 6 zu würfeln? <br>
+
:::: a) Wie groß ist die Wahrscheinlichkeit $8$-mal eine $6$ zu würfeln? <br>
−
b) niemals eine 6 zu Würfeln? <br>
+
:::: b) Wie groß ist die Wahrscheinlichkeit niemals eine $6$ zu würfeln? <br>
−
c) maximal einmal eine 6 zu würfeln? <br>
+
:::: c) Wie groß ist die Wahrscheinlichkeit maximal einmal eine $6$ zu würfeln? <br>
−
d) mindestens zweimal eine 6 zu würfeln.
+
:::: d) Wie groß ist die Wahrscheinlichkeit mindestens zweimal eine $6$ zu würfeln? <br>
−
e) Bestimmen Sie den Erwartungswert und die Standardabweichung.  
+
:::: e) Bestimmen Sie den Erwartungswert und die Standardabweichung.  
 
|2=  
 
|2=  
−
Die Zuvallsvariable $X$ zähle das Vorkommen einer 6. Da es sich um ein Bernoulli-Experiment handelt (zwei Ereignisse: 6er oder kein 6er und die Wahrscheinlichkeit für eine 6 bleibt konstant $p=\frac{1}{6}$) ist $X$ verteilt mit $n=30$ und $p=\frac{1}{6}$ und es gilt:
+
Die Zufallsvariable $X$ zähle das Vorkommen einer $6$. Da es sich um ein Bernoulli-Experiment handelt (zwei mögliche Ausgänge: $6$er oder kein $6$er und die Wahrscheinlichkeit für eine $6$ bleibt konstant mit $p=\frac{1}{6}$), ist $X$ binomialverteilt mit $n=30$ und $p=\frac{1}{6}$ und es gilt:
 
$$P(X=k)=\binom{30}{k}\cdot (\frac{1}{6})^k\cdot (\frac{5}{6})^{30-k}$$
 
$$P(X=k)=\binom{30}{k}\cdot (\frac{1}{6})^k\cdot (\frac{5}{6})^{30-k}$$
  
Zeile 268: Zeile 213:
 
a) Gesucht ist $P(X=8)$. Setzen wir das in die Formel ein, so erhalten wir:
 
a) Gesucht ist $P(X=8)$. Setzen wir das in die Formel ein, so erhalten wir:
 
$$P(X=8)=\binom{30}{8}\cdot (\frac{1}{6})^8\cdot (\frac{5}{6})^{30-8}=0.0632=6.32\% $$
 
$$P(X=8)=\binom{30}{8}\cdot (\frac{1}{6})^8\cdot (\frac{5}{6})^{30-8}=0.0632=6.32\% $$
−
[[Datei:Würfel-a.png|400px|miniatur|zentriert|Die Höhe des blauen Balken gibt die Wahrscheinlichkeit für 8 Sechser an. ]]
+
'''Hinweis:''' Zur Berechnung des Binomialkoeffizienten $\binom{30}{8}$ klicke [[Binomialkoeffizient|hier]].
 +
[[Datei:Würfel-a.png|400px|miniatur|zentriert|Die Höhe des blauen Balkens gibt die Wahrscheinlichkeit für $8$ Sechser an. ]]
 +
<br>
  
−
b) Gesucht ist $P(X=0)$, dies kann entweder einfach über die Multiplikationsregel $(P(X=0)=(\frac{5}{6})^30)$ berechnet werden, oder mit der Formel für die Binomialverteílung:
+
b) Gesucht ist $P(X=0)$, dies kann entweder einfach über die [[Wahrscheinlichkeit:_Baumdiagramme_und_Pfadregeln#1._Pfadregel_.28Multiplikationsregel.29|1. Pfadregel (Multiplikationsregel)]] mit $P(X=0)=(\frac{5}{6})^{30}=0.0042=0.42\%$ berechnet werden, oder mit der Formel für die Binomialverteilung:
 
$$P(X=k)=\binom{30}{0}\cdot (\frac{1}{6})^0\cdot (\frac{5}{6})^{30-0}=0.0042=0.42\% $$
 
$$P(X=k)=\binom{30}{0}\cdot (\frac{1}{6})^0\cdot (\frac{5}{6})^{30-0}=0.0042=0.42\% $$
  
 
c) Gesucht ist $P(X\leq 1)$:
 
c) Gesucht ist $P(X\leq 1)$:
 
$$P(X\leq 1)=P(X=0)+P(X=1)=\underbrace{0.0042}_{P(X=0)}+\underbrace{\binom{30}{1}\cdot (\frac{1}{6})^1\cdot (\frac{5}{6})^{30-1} }_{P(X=1)}=0.0042+0.0253=0.0295=2.95\% $$
 
$$P(X\leq 1)=P(X=0)+P(X=1)=\underbrace{0.0042}_{P(X=0)}+\underbrace{\binom{30}{1}\cdot (\frac{1}{6})^1\cdot (\frac{5}{6})^{30-1} }_{P(X=1)}=0.0042+0.0253=0.0295=2.95\% $$
−
[[Datei:Würfel-c.png|400px|miniatur|zentriert|Eingefärbt sind P(X=0) und P(X=1). Zusammen ergeben Sie die gesuchte Wahrscheinlichkeit $P(X\leq 1)$.]]
+
[[Datei:Würfel-c.png|400px|miniatur|zentriert|Eingefärbt sind $P(X=0)$ und $P(X=1)$. Zusammen ergeben Sie die gesuchte Wahrscheinlichkeit $P(X\leq 1)$.]]
  
  
−
d) Betrachten wir die obige Abbildung von Aufgabe c). Dann ist die Wahrscheinlichkeit mindestens zweimal eine 6 zu ziehen $(P(X\geq 2))$gerade die weiß eingefärbte Fläche.  
+
d) Betrachten wir die obige Abbildung von Aufgabe c). Dann ist die Wahrscheinlichkeit mindestens zweimal eine $6$ zu ziehen $(P(X\geq 2))$ gerade die weiß eingefärbte Fläche.  
 
Mithilfe der Gegenwahrscheinlichkeit erhalten wir:
 
Mithilfe der Gegenwahrscheinlichkeit erhalten wir:
 
$$P(X\geq 2)=1-P(X\leq 1)=1-0.0295=0.9705=97.05\% $$
 
$$P(X\geq 2)=1-P(X\leq 1)=1-0.0295=0.9705=97.05\% $$
  
 
e)
 
e)
−
* $E(x)=n\cdot p=30\cdot \frac{1}{6}=5$ (dies kann man auch aus den obigen Graphen herauslesen!)
+
* $E(X)=n\cdot p=30\cdot \frac{1}{6}=5$ (Dies kann man auch aus den obigen Graphen herauslesen!)
 
* $\sigma=\sqrt{n\cdot p\cdot (1-p)}=\sqrt{30\cdot \frac{1}{6}\cdot \frac{5}{6} }=\sqrt{\frac{25}{6} }\approx 2.04$.
 
* $\sigma=\sqrt{n\cdot p\cdot (1-p)}=\sqrt{30\cdot \frac{1}{6}\cdot \frac{5}{6} }=\sqrt{\frac{25}{6} }\approx 2.04$.
 
}}
 
}}
 +
<br>
 +
<br>
  
 
=== Typischer Graph der Wahrscheinlichkeitsfunktion ===
 
=== Typischer Graph der Wahrscheinlichkeitsfunktion ===
 
Die Wahrscheinlichkeitsfunktion der Binomialverteilung wird in der Regel als [[Histogramm]] dargestellt.  
 
Die Wahrscheinlichkeitsfunktion der Binomialverteilung wird in der Regel als [[Histogramm]] dargestellt.  
 +
<br>
 +
<br>
 +
[[Grün: Arbeitsblätter | <span style="background-color:#00CD00"> $Aha!$ </span>]] $\ $ [https://www.geogebra.org/m/u8eFAVNc Im folgenden Arbeitsblatt lernst du den Graphen einer binomialverteilten Zufallsvariable besser kennen.]
  
 +
<ggb_applet width="800" height="450" version="5.0" id="u8eFAVNc" />
 +
<br>
 +
<br>
 +
 +
==== Eigenschaften des Graphen ====
 
<gallery>
 
<gallery>
−
Datei:Wfkt-B(10,0.2)png.png|Linksschiefe Binomialverteilung mit $n=10$ und $p=0.2$. Damit ist $E(x)=2$ und $\sigma=2.26$
+
Datei:Wfkt-B(10,0.2)png.png|Rechtsschiefe Binomialverteilung mit $n=10$ und $p=0.2$. Damit ist $E(X)=2$ und $\sigma=1.26$
−
Datei:Wfkt-B(10,0).png|symmetrische Binomialverteilung mit $n=10$ und $p=0.5$. Damit ist $E(x)=5$ und $\sigma=1.58$
+
Datei:Wfkt-B(10,0).png|Symmetrische Binomialverteilung mit $n=10$ und $p=0.5$. Damit ist $E(X)=5$ und $\sigma=1.58$
−
Datei:Wfkt-B(10,0.7).png|Rechtsschiefe Binomialverteilung mit $n=10$ und $p=0.7$. Damit ist $E(x)=7$ und $\sigma=1.45$
+
Datei:Wfkt-B(10,0.7).png|Linksschiefe Binomialverteilung mit $n=10$ und $p=0.7$. Damit ist $E(X)=7$ und $\sigma=1.45$
 
</gallery>
 
</gallery>
 +
 
{{Merke|1='''Eigenschaften:'''
 
{{Merke|1='''Eigenschaften:'''
 
* Die Höhe und Fläche eines Balkens geben die Wahrscheinlichkeit $P(X=k)$ an.  
 
* Die Höhe und Fläche eines Balkens geben die Wahrscheinlichkeit $P(X=k)$ an.  
−
* Die gesamte Fläche aller Balken beträgt 1 ($=100$%). Rechnerisch: $\sum_{k=0}^{n} P(X=k)=1$
+
* Die gesamte Fläche aller Balken beträgt $1$ ($=100 \%$). Rechnerisch: $\sum_{k=0}^{n} P(X=k)=1$
 
* Der höchste Balken befindet sich immer beim Erwartungswert.
 
* Der höchste Balken befindet sich immer beim Erwartungswert.
−
* Je größer die Standardabweichung ist, desto flacher ist der Graph
+
* Je größer die Standardabweichung ist, desto flacher ist der Graph.
−
* Ist $p\leq 0.5$, so ist der Graph '''linksschief'''
+
* Ist $p\leq 0.5$, so ist der Graph '''rechtsschief'''.
−
* Ist $p\geq 0.5$, so ist der Graph '''rechtsschief'''
+
* Ist $p\geq 0.5$, so ist der Graph '''linksschief'''.
 
}}
 
}}
 +
<br>
 +
<br>
  
 +
== Zusammenfassende Videos ==
 
{{Vorlage:Video|1=ybp1nvHc5fk}}
 
{{Vorlage:Video|1=ybp1nvHc5fk}}
  
  
 
{{Vorlage:Video|1=UkOx8qdLAak}}
 
{{Vorlage:Video|1=UkOx8qdLAak}}
 +
<br>
 +
<br>
 +
 +
== Berechnung mithilfe von Technologie ==
 +
Wähle deine Technologie
 +
* [[GeoGebra|mit GeoGebra (Wahrscheinlichkeitsrechner)]]
 +
* [[TI-Befehle |mit dem TI-8x (binompdf und binomcdf]]
 +
 +
 +
== Musterbeispiel ==
 +
{{Vorlage:Beispiel|1=
 +
Eine Lehrerin erstellt für ihre Schülerinnen und Schüler einen Multiple-Choice-Test, der aus insgesamt $15$ Fragen besteht. Jede Frage beinhaltet $5$ Antwortmöglichkeiten, wobei nur eine davon korrekt ist.
 +
Nun fragt sie sich, welche Chancen ein Schüler hat, wenn er die Aufgaben nur zufällig ankreuzt:
 +
<br />
 +
 +
:::: a) Wie groß ist die Wahrscheinlichkeit genau $3$ Fragen zu beantworten?<br />
 +
 +
:::: b) Wie groß ist die Wahrscheinlichkeit maximal $2$ Fragen richtig zu beantworten?<br />
 +
 +
:::: c) Um den Test zu bestehen, benötigt ein Schüler mindestens $8$ Punkte. Wie groß ist die Wahrscheinlichkeit, den Test (bei zufälligem Ankreuzen) zu bestehen? <br />
 +
 +
:::: d) Wie groß ist die Wahrscheinlichkeit, dass ein Schüler zwischen $4$ und $7$ Punkte erhält?<br />
 +
 +
:::: e) Wie groß ist der Erwartungswert ($E(x)$ bzw. $\mu$) und die Standardabweichung $\sigma$? Interpretiere diese Werte.
 +
 +
|2=
 +
$$ \ $$
 +
* $n=15$
 +
* $p=\frac{1}{5}=0.2$
 +
* Die Zufallsvariable $X$ zählt die Anzahl der richtigen Antworten.
 +
 +
 +
 +
'''a) Wie groß ist die Wahrscheinlichkeit genau $3$ Fragen zu beantworten?'''
 +
<br />
 +
 +
Gesucht sind $k=3$ Erfolge:
 +
$$P(X=3)=\binom{15}{3}\cdot 0.2^3\cdot 0.8^{12}=0.2501=25.01\%$$
 +
Mit dem TI-8x: $P(X=3)=binompdf(15,0.2,3)=0.2501$
 +
[[Datei:Beispiel2a.png|thumb|center|300px|Lösung von a) mithilfe von [[GeoGebra]]]]
 +
<br />
 +
<br />
 +
 +
 +
'''b) Wie groß ist die Wahrscheinlichkeit maximal $2$ Fragen richtig zu beantworten?'''
 +
 +
 +
Gesucht ist $k\leq 2$:
 +
$$P(X\leq 2)=\text{Technologieeinsatz}=0.398=39.8\% $$
 +
Mit dem TI-8x: $P(X\leq 2)=binomcdf(15,0.2,2)=0.398$
 +
[[Datei:Beispiel2b.png|thumb|center|300px|Lösung von b) mithilfe von [[GeoGebra]]]]
 +
<br />
 +
<br />
 +
 +
 +
'''c) Um den Test zu bestehen, benötigt ein Schüler mindestens $8$ Punkte. Wie groß ist die Wahrscheinlichkeit, den Test (bei zufälligem Ankreuzen) zu bestehen?'''
 +
 +
 +
Gesucht ist $k\geq 8$:
 +
$$P(X\geq 8)=\text{Technologieeinsatz}=0.0042=0.42\%$$
 +
Mit dem  TI-8x: $P(X\geq 8) = 1-P(X\leq 7)=1-binomcdf(15,0.2,7)=0.0042$
 +
[[Datei:Beispiel2c.png|thumb|300px|center|Lösung von c) mithilfe von [[GeoGebra]]]]
 +
<br />
 +
<br />
 +
 +
 +
'''d) Wie groß ist die Wahrscheinlichkeit, dass ein Schüler zwischen $4$ und $7$ Punkte erhält?'''<br />
 +
 +
$$P(4\leq X\leq 7)=\text{Technologieeinsatz}=0.3476=34.76\% $$
 +
Mit dem TI-8x:
 +
$$P(4\leq X\leq 7)=P(X\leq 7)-P(X\leq 3)=$$
 +
$$binomcdf(15,0.2,7)-binomcdf(15,0.2,4)=0.3476$$
 +
[[Datei:Beispiel2d.png|thumb|300px|center|Lösung von d) mithilfe von [[GeoGebra]]]]
 +
<br />
 +
<br />
 +
 +
'''e) Wie groß ist der Erwartungswert ($E(x)$ bzw. $\mu$) und die Standardabweichung $\sigma$?'''
 +
 +
*$\mu=n\cdot p=15\cdot 0.2=3$
 +
Der im Durchschnitt zu erwartende Wert von $X$ ist $3$, d. h. die größte Wahrscheinlichkeit liegt bei $3$ richtigen Antworten.
 +
 +
* $\sigma=\sqrt{n\cdot p\cdot (1-p)}=\sqrt{15\cdot 0.2\cdot 0.8}=1.55$
 +
Die im Durchschnitt zu erwartende Abweichung der Zufallsvariable $X$ vom Erwartungswert $\mu$ ist $1.55$.
 +
}}
 +
<br>
 +
<br>
 +
 +
= Übungs- und Maturaaufgaben =
 +
== Interaktive Übungen ==
 +
=== Quiz: Binomialverteilung, Erwartungswert und Standardabweichung (WS 3.1-3.3) ===
 +
 +
{{#widget:Iframe
 +
|url=  https://h5p.org/h5p/embed/763941
 +
|width=  90%
 +
|height=  700
 +
|border=1
 +
}}
 +
<br>
 +
 +
=== Quiz: Weitere Übungsbeispiele zur Binomialverteilung (WS 3.1-3.3) ===
 +
 +
{{#widget:Iframe
 +
|url=  https://h5p.org/h5p/embed/223983
 +
|width=  1090
 +
|height=  700
 +
|border=1
 +
}}
 +
<br>
 +
<br>
 +
<br>
 +
 +
== Online-Übungen ==
 +
* [http://www.mathe-online.at/materialien/Daniela.Eder/files/Lernpfad/Aufgaben_zur_Binomialverteilung.html Beispiele von mathe-online mit Lösungen]
 +
* [http://members.chello.at/gut.jutta.gerhard/kurs/wahrsch2_ueb.htm Beispiele von Jutta Gut mit Lösungen]
 +
 +
<br>
 +
<br>
 +
 +
== Matura-Aufgaben ==
 +
 +
{{Vorlage:Bifie-Aufgabe|1=https://aufgabenpool.srdp.at/bhs/download.php?qid=213&file=Leuchtmittel.pdf Leuchtmittel }}
 +
{{Vorlage:Bifie-Aufgabe|1= http://aufgabenpool.srdp.at/bhs/download.php?qid=141&file=Milchverpackung.pdf Milchverpackung}}(leicht-mittel-mittel)
 +
: Welche Inhalte werden hier noch gefragt:  für a) [[Formeln]] und für b) [[Trigonometrie (2.12 und 3.10)]]
 +
{{Vorlage:Bifie-Aufgabe|1=http://aufgabenpool.srdp.at/bhs/download.php?qid=145&file=Torten.pdf Torten}}(mittel-leicht-leicht-leicht)
 +
: Welche Inhalte werden hier noch gefragt:  [[Gleichungssysteme (2.7.)|Gleichungssysteme]] sowie [[Funktionen]] und [[Formeln]]
 +
{{Vorlage:Bifie-Aufgabe|1= https://aufgabenpool.srdp.at/bhs/download.php?qid=681&file=Hotel.pdf Hotel}}
 +
: Welche Inhalte werden hier noch gefragt:  [[Gleichungssysteme (2.7.)|Gleichungssysteme]] sowie [[Baumdiagramme]]
 +
{{Vorlage:Bifie-Aufgabe|1= https://aufgabenpool.srdp.at/bhs/download.php?qid=601&file=Batterien.pdf Batterien}}
 +
{{Vorlage:Bifie-Aufgabe|1= https://aufgabenpool.srdp.at/bhs/download.php?qid=314&file=Diabetes.pdf Diabetes}}
 +
: Welche Inhalte werden hier noch gefragt: [[Prozentrechnung]]
 +
{{Vorlage:Bifie-Aufgabe|1= https://aufgabenpool.srdp.at/bhs/download.php?qid=592&file=Porduktion_von_Rucksaecken.pdf Produktion von Rucksäcken}}
 +
: Welche Inhalte werden hier noch gefragt: [[Baumdiagramme]]
 +
{{Vorlage:Bifie-Aufgabe|1= https://aufgabenpool.srdp.at/bhs/download.php?qid=568&file=Rampe_fuer_Rollstuehle.pdf Rampe für Rollstühle}}
 +
: Welche Inhalte werden hier noch gefragt:  [[Trigonometrie]]
 +
{{Vorlage:Bifie-Aufgabe|1= https://aufgabenpool.srdp.at/bhs/download.php?qid=560&file=Wuerfelspiele.pdf Würfelspiele }}
 +
{{Vorlage:Bifie-Aufgabe|1=https://aufgabenpool.srdp.at/bhs/download.php?qid=257&file=Netzwerkadministration.pdf Netzwerkadministration }}
 +
: Welche Inhalte werden hier noch gefragt:  [[Baumdiagramme]] sowie [[Direkte Proportion | Direkte Proportion/Schlussrechnung]]
 +
{{Vorlage:Bifie-Aufgabe|1= https://www.mathago.at/wp-content/uploads/PDF/B_145.pdf Hotelrenovierung}}
 +
: Welche Inhalte werden hier noch gefragt: [[Beschreibende Statistik]] sowie [[Rentenrechnung]]
 +
{{Vorlage:Bifie-Aufgabe|1= https://www.mathago.at/wp-content/uploads/PDF/B_158.pdf Cebit }}
 +
: Welche Inhalte werden hier noch gefragt: [[Regression]] sowie [[Integration]]
 +
{{Vorlage:Bifie-Aufgabe|1= https://aufgabenpool.srdp.at/bhs/download.php?qid=428&file=Erweiterung_der_Produktpalette.pdf Erweiterung der Produktionspalette  }}
 +
: Welche Inhalte werden hier noch gefragt: [[Umkehraufgaben]] bzw. [[Kosten- und Preistheorie]] sowie [[Rentenrechnung]] und [[Baumdiagramme]]
 +
{{Vorlage:Bifie-Aufgabe|1= https://aufgabenpool.srdp.at/bhs/download.php?qid=462&file=Produzent_von_landwirtschaftlichen_Geraeten.pdf Produzent von landwirtschaftlichen Geräten }}
 +
: Welche Inhalte werden hier noch gefragt: [[Umkehraufgaben]] bzw. [[Kosten- und Preistheorie]] sowie [[Rentenrechnung]]
 +
{{Vorlage:Bifie-Aufgabe|1= http://mathestunde.at/pool/pdf/Hoehentraining-160826.pdf Höhentraining }}
 +
: Welche Inhalte werden hier noch gefragt: [[Beschreibende Statistik]] bzw. [[Binomialverteilung]]
 +
 +
[[Kategorie:Wahrscheinlichkeit und Statistik]]

Aktuelle Version vom 2. Februar 2021, 18:05 Uhr

Zufallsvariablen

Definition
Grün rufezeichen.png
Das Ergebnis eines Zufallsexperimentes kann mithilfe einer „Zufallsvariable“ $X$ beschrieben werden.

Die Zufallsvariable ordnet dabei jedem Einzelereignis eine reelle Zahl zu.


Beispiel: Beim Würfeln mit einem Würfel kann die Zufallsvariable die Werte $1, 2, 3, 4, 5$ oder $6$ zufällig annehmen (d. h. $X\in \{1;2;3;4;5;6\}=$ Wertebereich von $X$). Die Wahrscheinlichkeit, dass $X$ die Zahl $6$ annimmt ist: $$P(X=6)=P(6er\ \text{würfeln})=\frac{1}{6}$$


Man unterscheidet $2$ Typen von Zufallsvariablen:

  • Die diskrete Zufallsvariable hat einen abzählbaren Wertebereich (z. B. Anzahl von Personen).
  • Die stetige Zufallsvariable hat als Wertebereich ein Intervall in den reellen Zahlen und damit einen nicht abzählbaren Wertebereich.

Mithilfe der Zufallsvariable wird uns nun das Berechnen der folgenden Aufgaben erleichtert.

Diskrete Zufallsvariablen

Diskrete Zufallsvariablen haben einen abzählbaren Wertebereich (z. B. Anzahl von Personen).

Wahrscheinlichkeits- und Verteilungsfunktion

Definition
Grün rufezeichen.png
Die Wahrscheinlichkeitsfunktion $f$ ordnet jedem Einzelereignis seine Wahrscheinlichkeit zu:

$$f: f(x_i)=P(X=x_i)$$ wobei $x_i$ ein Einzelereignis (z. B.: $x_1...1er\ \text{würfeln},\ x_2...2er \text{würfeln}$ usw.) und $P(X=x_i)$ die dazugehörige Wahrscheinlichkeit ist: $P(X=x_1)=P(X=1er)=\frac{1}{6}...$)


Die folgende Abbildung zeigt die Wahrscheinlichkeitsfunktion für die Zufallsvariable $X$, die die Augenzahl beim zufälligen Wurf eines Würfels zählt:

Jedes Ereignis $x_i$ hat als Wahrscheinlichkeit $\frac{1}{6}\approx 0.17$.


Wollen wir nun wissen, wie groß die Wahrscheinlichkeit ist, dass man beim Würfelwurf eine Zahl $\leq 3$ würfelt, so müssen wir $P(X\leq 3)$ berechnen: $$P(X\leq 3)=P(X=1)+P(X=2)+P(X=3)=\frac{1}{6}+\frac{1}{6}+\frac{1}{6}=\frac{3}{6}$$


Definition
Grün rufezeichen.png
Die Verteilungsfunktion $F$ ist definiert als $F(x_i)=P(X\leq x_i)$. Sie gibt also immer die Wahrscheinlichkeit an, dass die Zufallsvariable $X$ einen Wert kleiner oder gleich dem Wert von $x_i$ annimmt.


Die folgende Graphik zeigt die Verteilungsfunktion für die Zufallsvariable $X$, die die Augenzahl beim zufälligen Wurf eines Würfels zählt:

Verteilungsfunktion $F$ für das Würfeln eines Würfels, wobei $X$ die Augenzahl angibt.


Hinweise zur Verteilungsfunktion:

Die Funktion $F$ macht aus folgenden Gründen immer Sprünge:
- die Wahrscheinlichkeit, dass eine Zahl kleiner als $1$ gewürfelt wird ($=P(X<1)$) ist $0$, somit sind alle Funktionswerte von $F$ links der $1$ gleich $0$.
- Bei $X=1$ macht die Verteilungsfunktion $F$ einen Sprung. Anschließend ist für alle $X<2$ die Wahrscheinlichkeit $P(X<2)=\frac{1}{6}\approx 0.17$ (die Wahrscheinlichkeit, dass eine Zahl kleiner als $2$ gewürfelt wird ist $\frac{1}{6}$).
- Bei $X=2$ macht die Funktion wieder einen Sprung um den Wert $\frac{1}{6}\approx 0.17$, da hier die Wahrscheinlichkeit für eine $2$ ($=P(X=2)=\frac{1}{6}$) hinzukommt.
- Ab $X=6$ hat die Verteilungsfunktion durchgängig den Wert $1$, da gilt $P(X<=6)=1$ (die Wahrscheinlichkeit, dass ein Wert kleiner oder gleich $6$ gewürfelt wird, ist $1$).
- Die Höhe der Sprünge entspricht gerade der Höhe der Funktionswerte bei der Wahrscheinlichkeitsfunktion (siehe oben).



Erwartungswert und Standardabweichung

Im Kapitel Beschreibende Statistik haben wir bereits Begriffe wie die relative Häufigkeit, das arithmetische Mittel und die Standardabweichung kennen gelernt. Auch in der Wahrscheinlichkeitsrechnung gibt es ähnliche Konzepte: Wahrscheinlichkeit, Erwartungswert und Standardabweichung:

Idee ... In der Wahrscheinlichkeitsrechnung in der Statistik
Prozent Wahrscheinlichkeit $$P(X=x_i)$$ relative Häufigkeit $$h_i=\frac{H_i}{n}$$
Mittel/Durchschnitt Erwartungswert $E(X)$ oder $\mu$ $$\mu=\sum_{i=1}^{n}x_i\cdot P(X=x_i)$$ Arithmetisches Mittel $$\bar{x}=\sum_{i=1}^{n}x_i\cdot h_i$$
Streuung/Abweichung vom Mittel Standardabweichung $$\sigma=\sqrt{\sum_{i=1}^{n}(x_i-\mu)^2\cdot P(X=x_i)}$$ Standardabweichung $$\sigma=\sqrt{\sum_{i=1}^{n}(x_i-\bar{x})^2\cdot h_i}$$


Bsp.png

Berechnen Sie a) den Erwartungswert b) die Standardabweichung beim Wurf eines sechsseitigen Würfels, wobei die Zufallsvariable $X$ die Augensumme angibt (d. h. $X\in \{1;2;3;4;5;6\}$).

a) Zuerst machen wir uns eine Wertetabelle der Wahrscheinlichkeitsfunktion $f: f(x_i)=P(X=x_i)$:
Wertetabelle-wahrscheinlichkeitsfkt-Würfel.png

Der Erwartungswert $E(X)=\mu=\sum_{i=1}^{n}x_i\cdot P(X=x_i)$. Setzen wir die Werte aus der Tabelle in die Formel ein, so erhalten wir: $$ \sum_{i=1}^{n}x_i\cdot P(X=x_i)=\underbrace{1}_{x_1}\cdot \underbrace{\frac{1}{6} }_{P(X=x_1) }+2\cdot \frac{1}{6} +3\cdot \frac{1}{6} +4 \cdot \frac{1}{6}+5\cdot \frac{1}{6}+6\cdot \frac{1}{6}=\underline{\underline{3.5} }$$

Der Erwartungswert $\mu$ beträgt also $3.5$. Natürlich kann man aber beim einmaligen Würfeln nicht $3.5$ würfeln. Man kann den Erwartungswert aber so interpretieren, dass, wenn man lange genug würfelt, der Durchschnitt bei $3.5$ liegen wird.


b) Die Standardabweichung $\sigma=\sqrt{\sum_{i=1}^{n}(x_i-\mu)^2\cdot P(X=x_i)}$

Setzen wir wieder alles in die Formel ein (siehe obige Wertetabelle und $\mu=3.5$): $$\sigma=\sqrt{\sum_{i=1}^{n}(x_i-\mu)^2\cdot P(X=x_i)}=\\ \sqrt{(1-3.5)^2\cdot \frac{1}{6}+(2-3.5)^2\cdot \frac{1}{6}+(3-3.5)^2\cdot \frac{1}{6}+(4-3.5)^2\cdot \frac{1}{6}+(5-3.5)^2\cdot \frac{1}{6}+(6-3.5)^2\cdot \frac{1}{6} }\\ =\underline{\underline{1.71} }$$



Exkurs: Kombinatorik - Die Kunst des Abzählens

siehe Binomialkoeffizient


Exkurs 2: Lotto

Mit dieser Überlegung können wir uns nun ganz einfach die Wahrscheinlichkeit für einen Lottogewinn berechnen. Beim Lotto werden insgesamt $6$ von $45$ Kugeln gezogen. Dabei ist die Reihenfolge egal.

  • Die Anzahl der möglichen Ziehungen ist somit $\binom{45}{6}=8.145.060$ (aus $45$ Kugeln werden $6$ gezogen).
  • Die Anzahl der günstigen Möglichkeiten $\binom{6}{6}=1$

Somit ist die Wahrscheinlichkeit für einen Lotto-$6$er: $$P(\text{Lotto-}6er)=\frac{günstige}{mögliche}=\frac{\binom{6}{6}}{\binom{45}{6}}=\frac{1}{8.145.060}$$


Bsp.png

Berechnen Sie die Wahrscheinlichkeit, beim Lotto $5$ der $6$ richtigen Kugeln auszuwählen.


  • Die Anzahl der möglichen Ziehungen ist wieder $\binom{45}{6}=8.145.060$ (aus $45$ Kugeln werden $6$ gezogen).
  • Die Anzahl der günstigen Möglichkeiten $\binom{6}{5}=6$ (aus $6$ Kugeln werden $5$ gezogen) Mal $\binom{39}{1}$ (= aus $39$ Kugeln wird eine gezogen).

$$P(5er)=\frac{günstige}{mögliche}=\frac{\binom{6}{5}\cdot \binom{39}{1} }{\binom{45}{6} }=\frac{6\cdot 39}{8.145.060}\approx 0.00002873 \ \ (= 0.002873 \%)$$



Bernoulli-Experimente und die Binomialverteilung

Definition und Formel

Im Folgenden betrachten wir ein sogenanntes


Definition
Grün rufezeichen.png
Bernoulli-Experiment (benannt nach dem schweizer Mathematiker Jakob Bernoulli).

Dies sind Experimente, bei denen es

  1. genau zwei mögliche Ergebnisse $E$ und $\bar{E}$ ($=$ nicht $E$) gibt und
  2. sich die Wahrscheinlichkeit für die einzelnen Ereignisse nicht ändert, d. h. für alle Versuchsausgänge gilt $P(E)=p$ und $P(\bar{E})=1-p$.


Typische Beispiele hierfür wären:

  • Ziehen von roten und blauen Kugeln aus einer Urne mit Zurücklegen: Die Zufallsvariable $X$ zählt das Auftreten von roten Kugeln.
  • Mehrmaliges Würfeln mit einem Würfel: Die Zufallsvariable $X$ zählt das Auftreten eines $6er$.
  • Multiple-Choice-Tests: Die Zufallsvariable $X$ zählt die richtigen Antworten.


Bsp.png

Sie stehen vor einer Urne mit $7$ roten und $13$ blauen Kugeln. Wie groß ist die Wahrscheinlichkeit, bei $4$-maligem Ziehen mit Zurücklegen, $3$-mal eine rote Kugel zu erhalten?

Die Zufallsvariable $X$ zählt die Anzahl der roten Kugeln. Gefragt ist also

$$P(X=3)=?$$

Baumdiagramm für das dreimalige Ziehen mit Zurücklegen aus einer Box mit $7$ roten und $13$ blauen Kugeln


  • Anzahl der Pfade zu unserem Ergebnis: Um von $4$ Ziehungen $3$-mal eine rote Kugel zu ziehen gibt es $\binom{4}{3}=4$ Möglichkeiten, nämlich:

$(r,r,r,b)$; $(r,r,b,r)$; $(r,b,r,r,)$; $(b,r,r,r)$.

Hinweis: $\binom{4}{3}$ (gesprochen „$4$ über $3$“) ist der sogenannte Binomialkoeffizient.

  • Die Wahrscheinlichkeit für dreimal rot und einmal blau ist bei jedem Pfad $p^3\cdot (1-p)^1$ mit $p=\frac{7}{20}$.
Begründung: Nehmen wir zum Beispiel $(r,r,r,b)$.

Die Wahrscheinlichkeit, eine rote Kugel zu ziehen ist $p=\frac{7}{20}$. Die Wahrscheinlichkeit eine blaue Kugel zu ziehen ist $(1-p)=\frac{13}{20}$. Somit ist die Wahrscheinlichkeit für das Ergebnis $(r,r,r,b)$ aufgrund der 1. Pfadregel/Multiplikationsregel $$p\cdot p\cdot p\cdot (1-p)=p^3\cdot (1-p)^1$$ Für die anderen Möglichkeiten $(r,r,b,r)$; $(r,b,r,r,)$ und $(b,r,r,r)$ kommt man auf dasselbe Resultat. Somit erhalten wir: $$P(X=3)=\underbrace{\binom{4}{3} }_{\textrm{Anzahl der Pfade} }\cdot \underbrace{p^3\cdot (1-p)^1}_{\textrm{Wahrscheinlichkeit für einen dieser Pfade} }=4\cdot (\frac{7}{20})^3\cdot \frac{13}{20}= 0.1115=11.15\%$$


Definition
Grün rufezeichen.png
Binomialverteilung und Formel

Es wird ein Bernoulli-Experiment ($2$ mögliche Ausgänge: Erfolg oder Misserfolg) $n$-mal durchgeführt, wobei die Erfolgswahrscheinlichkeit $p$ konstant bleibt.

Die Zufallsvariable $X$ zählt die Anzahl der Erfolge.

Dann ist $X$ binomialverteilt (kurz: $B(n;p)$) mit der Wahrscheinlichkeitsfunktion $$P(X=k)=\binom{n}{k}\cdot p^k\cdot (1-p)^{n-k}$$


Merke
Rotes rufezeichen.png
Die Formel für die Wahrscheinlichkeitsfunktion der Binomialverteilung:

$$P(X=k)=\binom{n}{k}\cdot p^k\cdot (1-p)^{n-k}$$

setzt sich folgendermaßen zusammen:

  • $\binom{n}{k}...$ Anzahl der Möglichkeiten, dass von $n$ Versuchen der Erfolg insgesamt $k$-mal eintritt.
  • $p^k...$ Wahrscheinlichkeit, dass der Erfolg insgesamt $k$-mal eintritt.
  • $(1-p)^{n-k}...$ Wahrscheinlichkeit, dass der Erfolg insgesamt $n-k$-mal NICHT eintritt.



Merke
Rotes rufezeichen.png
Für eine Zufallsvariable $X$, die $B(n;p)-$verteilt ist, gilt:
  • Erwartungswert: $E(X)=\mu=n\cdot p$

Der Erwartungswert ist jener Wert, den die Zufallsvariable $X$ im Mittel annimmt.

  • Standardabweichung: $\sqrt{n\cdot p\cdot (1-p) }$

Die Standardabweichung ist ein Maß für die im Mittel zu erwartende Abweichung der Zufallsvariable $X$ vom Erwartungswert $\mu$.


Bsp.png

Ein Würfel wird $30$-mal geworfen.

a) Wie groß ist die Wahrscheinlichkeit $8$-mal eine $6$ zu würfeln?
b) Wie groß ist die Wahrscheinlichkeit niemals eine $6$ zu würfeln?
c) Wie groß ist die Wahrscheinlichkeit maximal einmal eine $6$ zu würfeln?
d) Wie groß ist die Wahrscheinlichkeit mindestens zweimal eine $6$ zu würfeln?
e) Bestimmen Sie den Erwartungswert und die Standardabweichung.


Die Zufallsvariable $X$ zähle das Vorkommen einer $6$. Da es sich um ein Bernoulli-Experiment handelt (zwei mögliche Ausgänge: $6$er oder kein $6$er und die Wahrscheinlichkeit für eine $6$ bleibt konstant mit $p=\frac{1}{6}$), ist $X$ binomialverteilt mit $n=30$ und $p=\frac{1}{6}$ und es gilt:

$$P(X=k)=\binom{30}{k}\cdot (\frac{1}{6})^k\cdot (\frac{5}{6})^{30-k}$$


a) Gesucht ist $P(X=8)$. Setzen wir das in die Formel ein, so erhalten wir: $$P(X=8)=\binom{30}{8}\cdot (\frac{1}{6})^8\cdot (\frac{5}{6})^{30-8}=0.0632=6.32\% $$ Hinweis: Zur Berechnung des Binomialkoeffizienten $\binom{30}{8}$ klicke hier.

Die Höhe des blauen Balkens gibt die Wahrscheinlichkeit für $8$ Sechser an.


b) Gesucht ist $P(X=0)$, dies kann entweder einfach über die 1. Pfadregel (Multiplikationsregel) mit $P(X=0)=(\frac{5}{6})^{30}=0.0042=0.42\%$ berechnet werden, oder mit der Formel für die Binomialverteilung: $$P(X=k)=\binom{30}{0}\cdot (\frac{1}{6})^0\cdot (\frac{5}{6})^{30-0}=0.0042=0.42\% $$

c) Gesucht ist $P(X\leq 1)$: $$P(X\leq 1)=P(X=0)+P(X=1)=\underbrace{0.0042}_{P(X=0)}+\underbrace{\binom{30}{1}\cdot (\frac{1}{6})^1\cdot (\frac{5}{6})^{30-1} }_{P(X=1)}=0.0042+0.0253=0.0295=2.95\% $$

Eingefärbt sind $P(X=0)$ und $P(X=1)$. Zusammen ergeben Sie die gesuchte Wahrscheinlichkeit $P(X\leq 1)$.


d) Betrachten wir die obige Abbildung von Aufgabe c). Dann ist die Wahrscheinlichkeit mindestens zweimal eine $6$ zu ziehen $(P(X\geq 2))$ gerade die weiß eingefärbte Fläche. Mithilfe der Gegenwahrscheinlichkeit erhalten wir: $$P(X\geq 2)=1-P(X\leq 1)=1-0.0295=0.9705=97.05\% $$

e)

  • $E(X)=n\cdot p=30\cdot \frac{1}{6}=5$ (Dies kann man auch aus den obigen Graphen herauslesen!)
  • $\sigma=\sqrt{n\cdot p\cdot (1-p)}=\sqrt{30\cdot \frac{1}{6}\cdot \frac{5}{6} }=\sqrt{\frac{25}{6} }\approx 2.04$.



Typischer Graph der Wahrscheinlichkeitsfunktion

Die Wahrscheinlichkeitsfunktion der Binomialverteilung wird in der Regel als Histogramm dargestellt.

$Aha!$ $\ $ Im folgenden Arbeitsblatt lernst du den Graphen einer binomialverteilten Zufallsvariable besser kennen.



Eigenschaften des Graphen


Merke
Rotes rufezeichen.png
Eigenschaften:
  • Die Höhe und Fläche eines Balkens geben die Wahrscheinlichkeit $P(X=k)$ an.
  • Die gesamte Fläche aller Balken beträgt $1$ ($=100 \%$). Rechnerisch: $\sum_{k=0}^{n} P(X=k)=1$
  • Der höchste Balken befindet sich immer beim Erwartungswert.
  • Je größer die Standardabweichung ist, desto flacher ist der Graph.
  • Ist $p\leq 0.5$, so ist der Graph rechtsschief.
  • Ist $p\geq 0.5$, so ist der Graph linksschief.



Zusammenfassende Videos




Berechnung mithilfe von Technologie

Wähle deine Technologie


Musterbeispiel

Bsp.png

Eine Lehrerin erstellt für ihre Schülerinnen und Schüler einen Multiple-Choice-Test, der aus insgesamt $15$ Fragen besteht. Jede Frage beinhaltet $5$ Antwortmöglichkeiten, wobei nur eine davon korrekt ist. Nun fragt sie sich, welche Chancen ein Schüler hat, wenn er die Aufgaben nur zufällig ankreuzt:

a) Wie groß ist die Wahrscheinlichkeit genau $3$ Fragen zu beantworten?
b) Wie groß ist die Wahrscheinlichkeit maximal $2$ Fragen richtig zu beantworten?
c) Um den Test zu bestehen, benötigt ein Schüler mindestens $8$ Punkte. Wie groß ist die Wahrscheinlichkeit, den Test (bei zufälligem Ankreuzen) zu bestehen?
d) Wie groß ist die Wahrscheinlichkeit, dass ein Schüler zwischen $4$ und $7$ Punkte erhält?
e) Wie groß ist der Erwartungswert ($E(x)$ bzw. $\mu$) und die Standardabweichung $\sigma$? Interpretiere diese Werte.


$$ \ $$
  • $n=15$
  • $p=\frac{1}{5}=0.2$
  • Die Zufallsvariable $X$ zählt die Anzahl der richtigen Antworten.


a) Wie groß ist die Wahrscheinlichkeit genau $3$ Fragen zu beantworten?

Gesucht sind $k=3$ Erfolge: $$P(X=3)=\binom{15}{3}\cdot 0.2^3\cdot 0.8^{12}=0.2501=25.01\%$$ Mit dem TI-8x: $P(X=3)=binompdf(15,0.2,3)=0.2501$

Lösung von a) mithilfe von GeoGebra




b) Wie groß ist die Wahrscheinlichkeit maximal $2$ Fragen richtig zu beantworten?


Gesucht ist $k\leq 2$: $$P(X\leq 2)=\text{Technologieeinsatz}=0.398=39.8\% $$ Mit dem TI-8x: $P(X\leq 2)=binomcdf(15,0.2,2)=0.398$

Lösung von b) mithilfe von GeoGebra




c) Um den Test zu bestehen, benötigt ein Schüler mindestens $8$ Punkte. Wie groß ist die Wahrscheinlichkeit, den Test (bei zufälligem Ankreuzen) zu bestehen?


Gesucht ist $k\geq 8$: $$P(X\geq 8)=\text{Technologieeinsatz}=0.0042=0.42\%$$ Mit dem TI-8x: $P(X\geq 8) = 1-P(X\leq 7)=1-binomcdf(15,0.2,7)=0.0042$

Lösung von c) mithilfe von GeoGebra




d) Wie groß ist die Wahrscheinlichkeit, dass ein Schüler zwischen $4$ und $7$ Punkte erhält?

$$P(4\leq X\leq 7)=\text{Technologieeinsatz}=0.3476=34.76\% $$ Mit dem TI-8x: $$P(4\leq X\leq 7)=P(X\leq 7)-P(X\leq 3)=$$ $$binomcdf(15,0.2,7)-binomcdf(15,0.2,4)=0.3476$$

Lösung von d) mithilfe von GeoGebra



e) Wie groß ist der Erwartungswert ($E(x)$ bzw. $\mu$) und die Standardabweichung $\sigma$?

  • $\mu=n\cdot p=15\cdot 0.2=3$

Der im Durchschnitt zu erwartende Wert von $X$ ist $3$, d. h. die größte Wahrscheinlichkeit liegt bei $3$ richtigen Antworten.

  • $\sigma=\sqrt{n\cdot p\cdot (1-p)}=\sqrt{15\cdot 0.2\cdot 0.8}=1.55$

Die im Durchschnitt zu erwartende Abweichung der Zufallsvariable $X$ vom Erwartungswert $\mu$ ist $1.55$.



Interaktive Übungen

Quiz: Binomialverteilung, Erwartungswert und Standardabweichung (WS 3.1-3.3)


Quiz: Weitere Übungsbeispiele zur Binomialverteilung (WS 3.1-3.3)




Online-Übungen



Matura-Aufgaben

$Bifie$ Leuchtmittel


$Bifie$ Milchverpackung (leicht-mittel-mittel)

Welche Inhalte werden hier noch gefragt: für a) Formeln und für b) Trigonometrie (2.12 und 3.10)

$Bifie$ Torten (mittel-leicht-leicht-leicht)

Welche Inhalte werden hier noch gefragt: Gleichungssysteme sowie Funktionen und Formeln

$Bifie$ Hotel

Welche Inhalte werden hier noch gefragt: Gleichungssysteme sowie Baumdiagramme

$Bifie$ Batterien


$Bifie$ Diabetes

Welche Inhalte werden hier noch gefragt: Prozentrechnung

$Bifie$ Produktion von Rucksäcken

Welche Inhalte werden hier noch gefragt: Baumdiagramme

$Bifie$ Rampe für Rollstühle

Welche Inhalte werden hier noch gefragt: Trigonometrie

$Bifie$ Würfelspiele


$Bifie$ Netzwerkadministration

Welche Inhalte werden hier noch gefragt: Baumdiagramme sowie Direkte Proportion/Schlussrechnung

$Bifie$ Hotelrenovierung

Welche Inhalte werden hier noch gefragt: Beschreibende Statistik sowie Rentenrechnung

$Bifie$ Cebit

Welche Inhalte werden hier noch gefragt: Regression sowie Integration

$Bifie$ Erweiterung der Produktionspalette

Welche Inhalte werden hier noch gefragt: Umkehraufgaben bzw. Kosten- und Preistheorie sowie Rentenrechnung und Baumdiagramme

$Bifie$ Produzent von landwirtschaftlichen Geräten

Welche Inhalte werden hier noch gefragt: Umkehraufgaben bzw. Kosten- und Preistheorie sowie Rentenrechnung

$Bifie$ Höhentraining

Welche Inhalte werden hier noch gefragt: Beschreibende Statistik bzw. Binomialverteilung