Wahrscheinlichkeit: Diskrete Zufallsvariablen und die Binomialverteilung: Unterschied zwischen den Versionen
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= Zufallsvariablen = | = Zufallsvariablen = | ||
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== Zufallsvariablen == | == Zufallsvariablen == | ||
| − | {{Vorlage:Definition|1=Das Ergebnis eines Zufallsexperimentes kann mithilfe einer | + | {{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: |
| − | $$P(X=6)=P(6er\ würfeln)=\frac{1}{6}$$ | + | $$P(X=6)=P(6er\ \text{würfeln})=\frac{1}{6}$$ |
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| − | Man unterscheidet | + | 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]] und damit 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. | ||
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| + | = 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). |
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=== Wahrscheinlichkeits- und Verteilungsfunktion === | === Wahrscheinlichkeits- und Verteilungsfunktion === | ||
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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: $P(X=x_1)=P(X=1er)=\frac{1}{6}...$) |
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| − | Die folgende Abbildung zeigt die | + | 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> |
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| + | [[Datei:Diskrete Wahrscheinlichkeitsfkt beim Würfeln.png|400px|miniatur|zentriert|Jedes Ereignis $x_i$ hat als Wahrscheinlichkeit $\frac{1}{6}\approx 0.17$.]] | ||
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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: | 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: | ||
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| − | Die folgende Graphik zeigt die Verteilungsfunktion für die | + | 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 | + | <br> |
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| + | [[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 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 $X=1$ 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 entspricht 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). | ||
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| − | + | <br> | |
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=== Erwartungswert und Standardabweichung === | === Erwartungswert und Standardabweichung === | ||
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{| class="wikitable" | {| class="wikitable" | ||
|- | |- | ||
| − | ! Idee ... !! | + | ! Idee ... !! In der Wahrscheinlichkeitsrechnung !! in der Statistik |
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| Prozent || '''Wahrscheinlichkeit''' $$P(X=x_i)$$ || '''relative Häufigkeit''' $$h_i=\frac{H_i}{n}$$ | | Prozent || '''Wahrscheinlichkeit''' $$P(X=x_i)$$ || '''relative Häufigkeit''' $$h_i=\frac{H_i}{n}$$ | ||
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a) den Erwartungswert | a) den Erwartungswert | ||
b) die Standardabweichung | b) die Standardabweichung | ||
| − | beim Wurf eines sechsseitigen Würfels, wobei die Zufallsvariable $X$ die Augensumme angibt | + | 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 $f: f(x_i)=P(X=x_i)$: | ||
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\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 interpretieren, 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. |
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=== Exkurs: Kombinatorik - Die Kunst des Abzählens === | === Exkurs: Kombinatorik - Die Kunst des Abzählens === | ||
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[[Binomialkoeffizient| siehe Binomialkoeffizient]] | [[Binomialkoeffizient| siehe Binomialkoeffizient]] | ||
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=== Exkurs 2: Lotto === | === 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 | + | 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 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- | + | 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) Mal $\binom{39}{1}$ (=aus 39 Kugeln | + | * 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). |
| − | $$P(5er)=\frac{günstige}{mögliche}=\frac{\binom{6}{5}\cdot \binom{39}{1} }{\binom{45}{6} }=\frac{6\cdot 39}{8.145.060}$$ | + | $$P(5er)=\frac{günstige}{mögliche}=\frac{\binom{6}{5}\cdot \binom{39}{1} }{\binom{45}{6} }=\frac{6\cdot 39}{8.145.060}\approx 0.00002873 \ \ (= 0.002873 \%)$$ |
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| + | <br> | ||
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| − | = Bernoulli- | + | = Bernoulli-Experimente und die Binomialverteilung = |
| − | == Bernoulli- | + | == 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''' | + | # 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''' | + | * 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 | + | * Mehrmaliges Würfeln mit einem Würfel: Die Zufallsvariable $X$ zählt das Auftreten eines $6er$. |
| − | * Multiple-Choice-Tests | + | * 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 mit Zurücklegen, 3 | + | {{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 | ||
$$P(X=3)=?$$ | $$P(X=3)=?$$ | ||
| − | [[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]] | + | [[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]] |
| − | * 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: | + | * 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). | + | $(r,r,r,b)$; $(r,r,b,r)$; $(r,b,r,r,)$; $(b,r,r,r)$. |
| − | * Die Wahrscheinlichkeit für dreimal rot ist $p^3\cdot (1-p)^1$ mit $p=\frac{7}{20}$. | + | '''Hinweis:''' $\binom{4}{3}$ (gesprochen „$4$ über $3$“) ist der sogenannte [[Binomialkoeffizient]]. |
| − | : Begründung: | + | <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: | + | Somit ist die Wahrscheinlichkeit für das Ergebnis $(r,r,r,b)$ aufgrund der [[Wahrscheinlichkeit:_Baumdiagramme_und_Pfadregeln#1._Pfadregel_.28Multiplikationsregel.29|1. Pfadregel/Multiplikationsregel]] |
$$p\cdot p\cdot p\cdot (1-p)=p^3\cdot (1-p)^1$$ | $$p\cdot p\cdot p\cdot (1-p)=p^3\cdot (1-p)^1$$ | ||
| − | Für die anderen | + | 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: |
| − | $$P(X=3)=\underbrace{\binom{4}{3} }_{\textrm{Anzahl der | + | $$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 | + | 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 167: | 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. | ||
}} | }} | ||
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{{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. | + | {{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 | + | :::: 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 | + | 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}$$ | ||
| Zeile 189: | Zeile 213: | ||
a) Gesucht ist $P(X=8)$. Setzen wir das in die Formel ein, so erhalten wir: | a) Gesucht ist $P(X=8)$. Setzen wir das in die Formel ein, so erhalten wir: | ||
$$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\% $$ | ||
| − | [[Datei:Würfel-a.png|400px|miniatur|zentriert|Die Höhe des blauen | + | '''Hinweis:''' Zur Berechnung des Binomialkoeffizienten $\binom{30}{8}$ klicke [[Binomialkoeffizient|hier]]. |
| + | [[Datei:Würfel-a.png|400px|miniatur|zentriert|Die Höhe des blauen Balkens gibt die Wahrscheinlichkeit für $8$ Sechser an. ]] | ||
| + | <br> | ||
| − | b) Gesucht ist $P(X=0)$, dies kann entweder einfach über die Multiplikationsregel $ | + | b) Gesucht ist $P(X=0)$, dies kann entweder einfach über die [[Wahrscheinlichkeit:_Baumdiagramme_und_Pfadregeln#1._Pfadregel_.28Multiplikationsregel.29|1. Pfadregel (Multiplikationsregel)]] mit $P(X=0)=(\frac{5}{6})^{30}=0.0042=0.42\%$ berechnet werden, oder mit der Formel für die Binomialverteilung: |
$$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$ ( | + | * $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> | ||
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=== 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> | ||
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| + | [[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|Rechtsschiefe Binomialverteilung mit $n=10$ und $p=0.2$. Damit ist $E(X)=2$ und $\sigma= | + | 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| | + | 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|Linksschiefe 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 | + | * 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 ''' | + | * Ist $p\leq 0.5$, so ist der Graph '''rechtsschief'''. |
| − | * Ist $p\geq 0.5$, so ist der Graph '''linksschief''' | + | * 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 | ||
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| + | }} | ||
| + | <br> | ||
| + | |||
| + | === Quiz: Weitere Übungsbeispiele zur Binomialverteilung (WS 3.1-3.3) === | ||
| + | |||
| + | {{#widget:Iframe | ||
| + | |url= https://h5p.org/h5p/embed/223983 | ||
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| + | }} | ||
| + | <br> | ||
| + | <br> | ||
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| + | == 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] | ||
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| + | <br> | ||
| + | <br> | ||
== Matura-Aufgaben == | == Matura-Aufgaben == | ||
| − | |||
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| − | + | {{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]] | ||
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| + | [[Kategorie:Wahrscheinlichkeit und Statistik]] | ||

