Wahrscheinlichkeit: Diskrete Zufallsvariablen und die Binomialverteilung: Unterschied zwischen den Versionen
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| + | = Zufallsvariablen = | ||
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== Zufallsvariablen == | == Zufallsvariablen == | ||
| − | {{Vorlage:Definition|1=Das | + | {{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]] 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, | + | 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: |
$$P(X\leq 3)=P(X=1)+P(X=2)+P(X=3)=\frac{1}{6}+\frac{1}{6}+\frac{1}{6}=\frac{3}{6}$$ | $$P(X\leq 3)=P(X=1)+P(X=2)+P(X=3)=\frac{1}{6}+\frac{1}{6}+\frac{1}{6}=\frac{3}{6}$$ | ||
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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> |
| + | <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 | + | : - 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 | + | : - 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 | + | 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 === | ||
| − | + | [[Binomialkoeffizient| siehe Binomialkoeffizient]] | |
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| − | + | === 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). | |
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| − | * 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). | + | * 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). |
| − | $$P(5er)=\frac{günstige}{mögliche}=\frac{\binom{6}{5} }{\binom{45}{6} }=\frac{6}{8.145.060}$$ | + | $$P(5er)=\frac{günstige}{mögliche}=\frac{\binom{6}{5}\cdot \binom{39}{1} }{\binom{45}{6} }=\frac{6\cdot 39}{8.145.060}\approx 0.00002873 \ \ (= 0.002873 \%)$$ |
}} | }} | ||
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| − | == Bernoulli- | + | = 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''' | + | # 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 | + | * 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 | + | * 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 | ||
$$P(X=3)=?$$ | $$P(X=3)=?$$ | ||
| − | [[Datei:Binomialverteilung-Kugeln-mW.png|600px|miniatur|zentriert|Baumdiagramm für das dreimalige Ziehen 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 $\binom{4}{3}=4$ | + | * 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. | ||
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* $(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}$$ | ||
| Zeile 272: | Zeile 213: | ||
a) Gesucht ist $P(X=8)$. Setzen wir das in die Formel ein, so erhalten wir: | a) Gesucht ist $P(X=8)$. Setzen wir das in die Formel ein, so erhalten wir: | ||
$$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> | ||
| + | <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|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> | ||
| + | <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] | ||
| + | |||
| + | <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]] | |
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