Q3-Kurs

Bedingte Wahrscheinlichkeit und stochastische Unabhängigkeit

Zuerst kommt die Erklärung, danach 13 Aufgaben zum Rechnen und Anwenden und eine Aufgabe im Klausurformat. Zu jeder Aufgabe kannst du dir Hilfen aufdecken, und darunter steht die Lösung.

Erklärung

1. Worum es geht

Eine Wahrscheinlichkeit hängt davon ab, was du schon weißt. Kommt eine Information dazu, rechnest du nur noch in der Gruppe, auf die sie zutrifft. Das ist eine bedingte Wahrscheinlichkeit. Das Beispiel für dieses Blatt: 400 Jugendliche wurden befragt. H heißt „nutzt das Handy nach 23 Uhr“, M heißt „ist in der ersten Stunde müde“.

MM̄Summe
H12030150
H̄80170250
Summe200200400

Ohne Zusatzwissen ist jede zweite befragte Person morgens müde. Weißt du, dass jemand nach 23 Uhr am Handy war, zählen nur noch die 150 Personen der Zeile H, und von ihnen sind 120 müde.

P(M) = 200400 = 0,5 PH(M) = 120150 = 0,8

PH(M) liest du „Wahrscheinlichkeit von M unter der Bedingung H“. Die Bedingung steht unten, das gefragte Ereignis in der Klammer. Davon zu unterscheiden ist die Wahrscheinlichkeit, dass beides zutrifft. Sie bezieht sich weiter auf alle 400:

P(H ∩ M) = 120400 = 0,3
Dieselben 120 Personen, zwei Bezugsmengen: alle 400 beim Schnitt, die 150 aus H bei der Bedingung. Hat ein Merkmal mehr als zwei Ausprägungen, wird aus der Vierfeldertafel eine Mehrfeldertafel; gerechnet wird genauso.

✎ Mini-Aufgabe: Bestimme PH̄(M) aus der Tafel und sag in einem Satz, was die Zahl bedeutet.

Lösung zeigen

PH̄(M) = 80250 = 0,32. Von den Jugendlichen, die nach 23 Uhr nicht am Handy sind, ist knapp ein Drittel in der ersten Stunde müde.

2. Die Formel und der Multiplikationssatz

Statt Anzahlen kannst du auch Wahrscheinlichkeiten teilen. Oben steht der Schnitt, unten die Bedingung:

PB(A) = P(A ∩ B)P(B)
Beispiel: Handy und Müdigkeit
P(H) = 150400 = 0,375 P(H ∩ M) = 0,3
PH(M) = 0,30,375 = 0,8

Nach dem Schnitt aufgelöst heißt die Formel Multiplikationssatz. Du brauchst ihn, wenn der Schnitt gesucht ist:

P(A ∩ B) = P(B) · PB(A)

Im Baumdiagramm stehen die bedingten Wahrscheinlichkeiten an der zweiten Stufe. Die erste Pfadregel ist genau der Multiplikationssatz.

✎ Mini-Aufgabe: In einem Kino sind 30 % der Besucher Studierende. Von ihnen kaufen 40 % Popcorn. Wie wahrscheinlich studiert ein zufällig ausgewählter Besucher und kauft Popcorn?

Lösung zeigen

P(S ∩ K) = P(S) · PS(K) = 0,3 · 0,4 = 0,12

3. Insgesamt und umgekehrt

Oft kennst du nur den Baum: P(H) = 0,375, PH(M) = 0,8 und PH̄(M) = 0,32. Zu M führen zwei Pfade, denn eine müde Person war nach 23 Uhr am Handy oder nicht. Beide Pfade addierst du (totale Wahrscheinlichkeit):

P(M) = P(H) · PH(M) + P(H̄) · PH̄(M)
Beispiel: alle Müden
P(M) = 0,375 · 0,8 + 0,625 · 0,32 = 0,3 + 0,2 = 0,5

Jetzt die umgekehrte Frage: Eine Person ist müde. Wie wahrscheinlich war sie nach 23 Uhr am Handy? Gesucht ist PM(H), bekannt war PH(M). Die beiden sind nicht gleich. Du teilst den Schnitt durch die neue Bedingung:

PM(H) = P(H ∩ M)P(M) = 0,30,5 = 0,6
M0,3M̄0,0750,80,2HM0,2M̄0,4250,320,68H̄0,3750,625
H0,3H̄0,20,60,4MH0,075H̄0,4250,150,85M̄0,50,5
Links der Baum nach dem Handy, rechts der umgekehrte Baum nach der Müdigkeit. Am Ende der Pfade stehen dieselben vier Zahlen, nur anders sortiert.

✎ Mini-Aufgabe: Im Kino aus Abschnitt 2 kaufen von den übrigen Besuchern 60 % Popcorn. Berechne P(K). Wie wahrscheinlich studiert jemand, der Popcorn kauft?

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P(K) = 0,3 · 0,4 + 0,7 · 0,6 = 0,12 + 0,42 = 0,54

PK(S) = 0,120,54 = 29 ≈ 0,22

4. Stochastisch unabhängig

Manchmal ändert die Zusatzinformation nichts. Dann heißen A und B stochastisch unabhängig:

PB(A) = P(A) ⇔ P(A ∩ B) = P(A) · P(B)

Die rechte Form prüfst du in der Klausur, sie kommt ohne Teilen aus.

Beispiel: Handy und Müdigkeit
P(H ∩ M) = 0,3 P(H) · P(M) = 0,375 · 0,5 = 0,1875
0,3 ≠ 0,1875, also sind H und M abhängig: Wer spät am Handy ist, ist häufiger müde (80 % statt 50 %).
Beispiel: ein Würfel
A: gerade Augenzahl (2; 4; 6) B: Augenzahl größer als 4 (5; 6)
P(A) · P(B) = 12 · 13 = 16 = P(A ∩ B), denn nur die 6 gehört zu beiden. A und B sind unabhängig.
Unvereinbar heißt: A und B treten nie zusammen auf, P(A ∩ B) = 0. Das ist nicht dasselbe wie unabhängig. Haben beide eine Wahrscheinlichkeit größer als 0, sind unvereinbare Ereignisse sogar immer abhängig: Tritt A ein, ist B ausgeschlossen.

✎ Mini-Aufgabe: Prüfe, ob A und B unabhängig sind: P(A) = 0,4, P(B) = 0,25 und P(A ∩ B) = 0,1.

Lösung zeigen

P(A) · P(B) = 0,4 · 0,25 = 0,1 = P(A ∩ B). A und B sind unabhängig.

5. So steht es in der Aufgabe

In der Aufgabe steht …Gemeint ist …Achtung
„von den …“, „unter den …“, „bei den …“bedingte Wahrscheinlichkeit, Bedingung ist die genannte GruppeDie Gruppe kommt nach unten, ihre Größe in den Nenner.
„… und …“, „sowohl … als auch …“Schnitt P(A ∩ B)Bezugsmenge sind alle.
„Eine Person mit … wird ausgewählt. Wie wahrscheinlich …?“bedingte Wahrscheinlichkeit, Bedingung ist das, was man schon weißnicht das, was im Text zuerst steht
„Anteil der Raucher an den Männern“PM(R)„an den …“ ist die Bedingung.
„insgesamt“, „aller“, „überhaupt“totale Wahrscheinlichkeitalle Pfade zu dem Ereignis addieren
„hängt nicht ab von“, „in beiden Gruppen gleich häufig“UnabhängigkeitP(A ∩ B) = P(A) · P(B) prüfen
„schließen sich aus“, „nie gleichzeitig“unvereinbar, P(A ∩ B) = 0nicht dasselbe wie unabhängig

6. Was nirgends steht

  • Die Bedingung ist das, was man schon weiß. Die Reihenfolge im Text sagt darüber nichts.
  • Wer eine Bedingung umdreht, braucht fast immer zuerst die totale Wahrscheinlichkeit für den Nenner.
  • Gruppen verschiedener Größe vergleichst du über Anteile, nicht über Anzahlen.
  • Abhängig heißt nicht „verursacht“. Oft steckt eine gemeinsame Ursache dahinter.
  • „Unabhängig“ ist in vielen Aufgaben eine Annahme des Modells. Ob sie stimmt, prüfen Daten.

7. Ein Sachbeispiel

Ein Mailprogramm sortiert Spam aus. 20 % aller eingehenden Mails sind Spam. Der Filter schiebt 95 % der Spam-Mails in den Spam-Ordner, aber auch 5 % der normalen Mails. Wie wahrscheinlich ist eine Mail im Spam-Ordner wirklich Spam?

  1. Was ist gefragt? S heißt „ist Spam“, O heißt „landet im Spam-Ordner“. Ich weiß, dass die Mail im Ordner liegt. Gesucht ist PO(S).
  2. Was steht nicht da? Der Text nennt PS(O) = 0,95, also die umgekehrte Richtung. Für PO(S) brauche ich zuerst P(O), und dazu gehören zwei Pfade: Spam und normale Mails.
  3. Rechnen P(S ∩ O) = 0,2 · 0,95 = 0,19. P(S̄ ∩ O) = 0,8 · 0,05 = 0,04. P(O) = 0,19 + 0,04 = 0,23. PO(S) = 0,190,23 ≈ 0,826
  4. Antwortsatz Eine Mail im Spam-Ordner ist mit rund 83 % Wahrscheinlichkeit wirklich Spam. Etwa jede sechste Mail dort ist eine normale Mail.
  5. Prüfen Der Wert liegt unter 95 %, weil es viermal so viele normale Mails gibt wie Spam. Schon 5 % davon fallen ins Gewicht. Das passt.

8. Typische Fehler

  • P(A ∩ B) und PB(A) verwechseln: Beim Schnitt teilst du durch alle, bei der Bedingung nur durch die Gruppe B.
  • Die Bedingung vertauschen: PH(M) = 0,8 ist nicht PM(H) = 0,6.
  • Bei der totalen Wahrscheinlichkeit einen Pfad vergessen.
  • Unvereinbar und unabhängig gleichsetzen.
  • Anzahlen aus verschieden großen Gruppen vergleichen statt Anteile.
  • Die Zahl ohne Satz stehen lassen: Zu 0,8 gehört, wer gemeint ist und unter welcher Bedingung.

Rechnen

2.1Aus der Vierfeldertafel

Die Vierfeldertafel im Material zeigt, wie sich 200 Personen auf die Ereignisse A und B verteilen. Eine Person wird zufällig ausgewählt.

BB̄Summe
A4872120
Ā126880
Summe60140200
Material

a) Berechne P(A ∩ B) und PA(B).

Hilfe 1

Welche Personen zählen beim Schnitt, welche bei der Bedingung A?

Hilfe 2

Der Nenner ist beim Schnitt die Gesamtzahl, bei PA(B) die Summe der Zeile A.

b) Berechne PB(A) und erläutere, warum sich der Wert von PA(B) unterscheidet.

Hilfe 1

Welche Personen bilden jetzt die Gruppe, in der du rechnest?

Hilfe 2

Vergleiche die beiden Nenner.

Lösung zeigen

a) Ein Schnitt und eine bedingte Wahrscheinlichkeit aus derselben Zelle: gleicher Zähler, verschiedener Nenner.

P(A ∩ B) = 48200 = 0,24

PA(B) = 48120 = 0,4

b) Bedingung vertauscht: Jetzt ist die Spalte B die Bezugsgruppe.

PB(A) = 4860 = 0,8

Beide Werte haben den Zähler 48, aber verschiedene Bezugsgruppen: Bei PB(A) sind es die 60 Personen aus B, bei PA(B) die 120 Personen aus A.

2.2Schnitt oder Bedingung

a) Es gilt P(B) = 0,4 und PB(A) = 0,35. Berechne P(A ∩ B).

Hilfe 1

Gesucht ist der Schnitt. Welche Formel verbindet Schnitt, Bedingung und P(B)?

Hilfe 2

Löse PB(A) = P(A ∩ B)P(B) nach dem Schnitt auf.

b) Es gilt P(A ∩ B) = 0,18 und P(A) = 0,6. Berechne PA(B).

Hilfe 1

Welches Ereignis ist hier die Bedingung?

Hilfe 2

Die Wahrscheinlichkeit der Bedingung kommt in den Nenner.

c) Es gilt P(A ∩ B) = 0,2 und PB(A) = 0,25. Berechne P(B).

Hilfe 1

Gesucht ist die Wahrscheinlichkeit der Bedingung.

Hilfe 2

Setze in den Multiplikationssatz ein und löse nach P(B) auf.

Lösung zeigen

a) Bedingung und ihre Wahrscheinlichkeit gegeben, Schnitt gesucht.

P(A ∩ B) = P(B) · PB(A) = 0,4 · 0,35 = 0,14

b) Schnitt und Bedingung gegeben: teilen.

PA(B) = P(A ∩ B)P(A) = 0,180,6 = 0,3

c) Dieselbe Formel, diesmal nach der Bedingung aufgelöst.

0,2 = P(B) · 0,25 ⇔ P(B) = 0,20,25 = 0,8

2.3Den Baum umdrehen

Das Baumdiagramm im Material beschreibt einen zweistufigen Zufallsversuch.

BB̄0,60,4ABB̄0,20,8Ā0,30,7
Material

a) Bestimme P(B).

Hilfe 1

Wie viele Pfade enden bei B?

Hilfe 2

Multipliziere entlang jedes Pfads und addiere die Pfade.

b) Zeichne das Baumdiagramm, das auf der ersten Stufe B und B̄ hat, und beschrifte alle Zweige.

Hilfe 1

Berechne zuerst alle vier Pfadwahrscheinlichkeiten des gegebenen Baums.

Hilfe 2

An die zweite Stufe gehören bedingte Wahrscheinlichkeiten mit B oder B̄ als Bedingung.

Hilfe 3

Teile jede Pfadwahrscheinlichkeit durch die Wahrscheinlichkeit ihres neuen ersten Zweigs.

Lösung zeigen

a) B steht auf der zweiten Stufe: Alle Pfade zu B sammeln.

P(B) = 0,3 · 0,6 + 0,7 · 0,2 = 0,18 + 0,14 = 0,32

b) Umgekehrter Baum: Die vier Schnitte bleiben, die Zweige der zweiten Stufe entstehen durch Teilen.

Schnitte: P(A ∩ B) = 0,18; P(Ā ∩ B) = 0,14; P(A ∩ B̄) = 0,3 · 0,4 = 0,12; P(Ā ∩ B̄) = 0,7 · 0,8 = 0,56

Erste Stufe: P(B) = 0,32 und P(B̄) = 0,68

PB(A) = 0,180,32 = 0,5625; PB(Ā) = 0,140,32 = 0,4375

PB̄(A) = 0,120,68 ≈ 0,176; PB̄(Ā) = 0,560,68 ≈ 0,824

A0,18Ā0,140,56250,4375BA0,12Ā0,56≈ 0,176≈ 0,824B̄0,320,68
Umgekehrter Baum

2.4Lückenhafte Tafel

Für zwei Ereignisse A und B gilt P(A) = 0,4, PA(B) = 0,3 und PĀ(B̄) = 0,75.

BB̄Summe
A
Ā
Summe1
Material

a) Vervollständige die Vierfeldertafel im Material.
Zur Kontrolle: P(B) = 0,27.

Hilfe 1

Bedingte Wahrscheinlichkeiten stehen nicht in der Tafel. Welche Formel macht aus ihnen einen Schnitt?

Hilfe 2

Beginne mit P(Ā) und den beiden Schnitten mit A bzw. Ā.

Hilfe 3

Den Rest liefern die Summen der Zeilen und Spalten.

b) Berechne PB(Ā).

Hilfe 1

Welches Ereignis ist die Bedingung, welches Feld der Tafel gehört in den Zähler?

Hilfe 2

Nimm P(B) aus der Kontrollangabe.

Lösung zeigen

a) Bedingte Wahrscheinlichkeiten gegeben, die Tafel braucht Schnitte: Multiplikationssatz, dann Summen.

P(A ∩ B) = 0,4 · 0,3 = 0,12; P(A ∩ B̄) = 0,4 − 0,12 = 0,28

P(Ā) = 0,6; P(Ā ∩ B̄) = 0,6 · 0,75 = 0,45; P(Ā ∩ B) = 0,6 − 0,45 = 0,15

P(B) = 0,12 + 0,15 = 0,27; P(B̄) = 0,73

BB̄Summe
A0,120,280,4
Ā0,150,450,6
Summe0,270,731
Vollständige Tafel

b) Mit dem Kontrollwert weiterrechnen: Schnitt durch Bedingung.

PB(Ā) = P(Ā ∩ B)P(B) = 0,150,27 = 59 ≈ 0,556

2.5Unabhängig oder nicht

Teilaufgabe a) bezieht sich auf die Vierfeldertafel im Material; sie zeigt Anzahlen von 200 Personen.

BB̄Summe
A3684120
Ā245680
Summe60140200
Material

a) Untersuche, ob A und B stochastisch unabhängig sind.

Hilfe 1

Welche drei Wahrscheinlichkeiten brauchst du für das Kriterium?

Hilfe 2

Vergleiche P(A ∩ B) mit P(A) · P(B).

b) Für zwei andere Ereignisse C und D gilt P(C) = 0,35, P(D) = 0,6 und P(C ∪ D) = 0,75. Untersuche, ob C und D stochastisch unabhängig sind.

Hilfe 1

Für das Kriterium fehlt eine Wahrscheinlichkeit. Welche?

Hilfe 2

Der Additionssatz verbindet Vereinigung und Schnitt.

Lösung zeigen

a) „stochastisch unabhängig“: Schnitt mit dem Produkt der Randwahrscheinlichkeiten vergleichen.

P(A) = 120200 = 0,6; P(B) = 60200 = 0,3; P(A ∩ B) = 36200 = 0,18

P(A) · P(B) = 0,6 · 0,3 = 0,18 = P(A ∩ B). A und B sind stochastisch unabhängig.

b) Die Vereinigung ist gegeben, das Kriterium braucht den Schnitt: erst der Additionssatz.

P(C ∩ D) = P(C) + P(D) − P(C ∪ D) = 0,35 + 0,6 − 0,75 = 0,2

P(C) · P(D) = 0,35 · 0,6 = 0,21 ≠ 0,2. C und D sind nicht stochastisch unabhängig.

Ohne Taschenrechner

2.6Unvereinbar

Die Ereignisse A und B mit P(A) = 0,3 und P(B) = 0,5 sind unvereinbar.

a) Zeige, dass A und B nicht stochastisch unabhängig sind.

Hilfe 1

Was bedeutet „unvereinbar“ für den Schnitt?

Hilfe 2

Setze beide Seiten des Kriteriums ein.

b) Gib PA(B) an und deute den Wert.

Hilfe 1

Was weiß man über B, wenn A eingetreten ist?

Lösung zeigen

a) „unvereinbar“ legt den Schnitt fest; das Kriterium entscheidet.

Unvereinbar heißt P(A ∩ B) = 0.

P(A) · P(B) = 0,3 · 0,5 = 0,15 ≠ 0. Also sind A und B nicht stochastisch unabhängig.

b) Deuten: Was die Information „A ist eingetreten“ mit B macht.

PA(B) = 00,3 = 0. Tritt A ein, ist B ausgeschlossen, obwohl B sonst mit 0,5 eintritt. Die Information ändert die Wahrscheinlichkeit also stark.

2.7Unabhängig machen

Die Vierfeldertafel im Material zeigt Anzahlen von 100 Personen; x ist eine Anzahl.

BB̄Summe
A121830
Āx70 − x70
Summe12 + x88 − x100
Material

Bestimme x so, dass A und B stochastisch unabhängig sind.

Hilfe 1

Unabhängig heißt: Der Anteil von B ist in der Gruppe A so groß wie insgesamt.

Hilfe 2

Den Anteil von B in der Gruppe A kannst du ohne x ausrechnen.

Lösung zeigen

Parameter gesucht: Kriterium als Gleichung aufschreiben und nach x lösen.

Unabhängig heißt PA(B) = P(B).

PA(B) = 1230 = 0,4, also muss P(B) = 12 + x100 = 0,4 gelten.

12 + x = 40 ⇔ x = 28

2.8Rückwärts im Baum

Für zwei Ereignisse A und B gilt P(B) = 0,4, PB(A) = 0,5 und P(A) = 0,44.

a) Bestimme PB̄(A).

Hilfe 1

Skizziere den Baum mit B und B̄ auf der ersten Stufe.

Hilfe 2

P(A) setzt sich aus zwei Pfaden zusammen. Einer davon enthält die Unbekannte.

b) Entscheide ohne weitere Rechnung, ob A und B stochastisch unabhängig sind.

Hilfe 1

Vergleiche eine bedingte Wahrscheinlichkeit von A mit P(A).

Lösung zeigen

a) Totale Wahrscheinlichkeit rückwärts: P(A) ist bekannt, ein Zweig fehlt.

P(A) = P(B) · PB(A) + P(B̄) · PB̄(A)

0,44 = 0,4 · 0,5 + 0,6 · PB̄(A) ⇔ 0,24 = 0,6 · PB̄(A) ⇔ PB̄(A) = 0,4

b) Eine Bedingung, die die Wahrscheinlichkeit verschiebt, reicht als Begründung.

PB(A) = 0,5 ≠ 0,44 = P(A). A und B sind nicht stochastisch unabhängig.

Anwenden

3.1Erst ansetzen

a) In einer Kletterhalle betrachtet man für einen zufällig ausgewählten Besucher die Ereignisse E: „ist zum ersten Mal da“ und L: „leiht Kletterschuhe“. Notiere zu jeder Zeile, welche Wahrscheinlichkeit gemeint ist, und bei der Frage den Ansatz. Rechne nicht.
(1) Von den Erstbesuchern leihen 90 % Kletterschuhe.
(2) 18 % aller Besucher sind Erstbesucher, die Kletterschuhe leihen.
(3) Ein Besucher hat Kletterschuhe geliehen. Wie wahrscheinlich ist er zum ersten Mal da?

Hilfe 1

Frage bei jeder Zeile: Auf welche Gruppe bezieht sich die Prozentangabe?

Hilfe 2

„von den …“ nennt eine Bedingung, „aller“ meint alle Besucher.

Hilfe 3

Bei (3): Was weiß man über den Besucher schon?

b) In der Kletterhalle sind 20 % der Besucher zum ersten Mal da. Von ihnen leihen 90 % Kletterschuhe, von den übrigen Besuchern 25 %. Die Halle hat 120 Paar Leihschuhe. Beim Kletterfestival bleiben alle 400 angemeldeten Besucher von 10 bis 16 Uhr in der Halle. Reichen die Leihschuhe? Fülle die Lücken:
1. Gefragt ist, ob …
2. Was nicht dasteht: Leihschuhe brauchen … Ich nehme an, dass die Anteile …
3. Rechnen: P(L) = …; erwartete Anzahl: …
4. Antwortsatz: …
5. Prüfen: …

Hilfe 1

Wer leiht überhaupt Schuhe? Denke an beide Gruppen.

Hilfe 2

Skizziere einen Baum mit E und Ē auf der ersten Stufe.

Hilfe 3

Aus der Wahrscheinlichkeit wird mit der Besucherzahl eine erwartete Anzahl.

Lösung zeigen

a) Drei Formulierungen, drei Objekte: Bedingung, Schnitt und eine umgekehrte Bedingung.

(1) PE(L) = 0,9: Die Bedingung ist „Erstbesucher“.

(2) P(E ∩ L) = 0,18: Bezugsmenge sind alle Besucher, beides trifft zu.

(3) Gesucht ist PL(E), denn bekannt ist, dass er Schuhe geliehen hat. Ansatz: PL(E) = P(E ∩ L)P(L); P(L) braucht beide Pfade, Erstbesucher und andere Besucher.

b) „Reichen die Schuhe?“ fragt nach allen Leihenden: totale Wahrscheinlichkeit, dann mal 400.

1. Gefragt ist, ob die erwartete Zahl der Besucher, die Schuhe leihen, höchstens 120 ist.

2. Leihschuhe brauchen Erstbesucher und andere Besucher, also gehören zu L zwei Pfade. Ich nehme an, dass die Anteile beim Festival dieselben sind wie sonst.

3. P(L) = 0,2 · 0,9 + 0,8 · 0,25 = 0,18 + 0,2 = 0,38; erwartete Anzahl: 0,38 · 400 = 152

4. Erwartet werden etwa 152 Besucher mit Leihschuhen. Die 120 Paar reichen voraussichtlich nicht, es fehlen rund 32 Paar.

5. 152 liegt zwischen 0,25 · 400 = 100 und 0,9 · 400 = 360, wie es bei einer Mischung beider Gruppen sein muss. Das passt.

3.2Tempo 30

Eine Stadt befragt 800 Bürgerinnen und Bürger, ob in der Innenstadt Tempo 30 gelten soll. 480 der Befragten besitzen ein Auto. Von den Autobesitzern stimmen 35 % zu. Insgesamt stimmen 380 Befragte zu. Betrachtet werden für eine zufällig ausgewählte befragte Person die Ereignisse A: „besitzt ein Auto“ und Z: „stimmt Tempo 30 zu“.

a) Stelle die Ergebnisse in einer vollständig ausgefüllten Vierfeldertafel mit Anzahlen dar.

Hilfe 1

Ordne jede Zahl im Text einem Feld zu: Randfeld oder Innenfeld?

Hilfe 2

Die 35 % beziehen sich auf eine Gruppe. Auf welche?

Hilfe 3

Den Rest liefern Zeilen- und Spaltensummen.

b) In der Lokalzeitung steht: „Wer kein Auto hat, ist fast immer für Tempo 30.“ Beurteile diese Aussage.

Hilfe 1

Welche Gruppe ist mit „wer kein Auto hat“ gemeint?

Hilfe 2

Welcher Anteil wäre „fast immer“?

c) Ein Stadtrat sagt: „Die meisten Befürworter haben gar kein Auto.“ Beurteile diese Aussage.

Hilfe 1

Jetzt ist eine andere Gruppe gemeint. Welche?

Hilfe 2

Vergleiche mit der Bedingung aus b).

d) Untersuche, ob A und Z stochastisch unabhängig sind, und deute dein Ergebnis im Sachzusammenhang.

Hilfe 1

Welche drei Wahrscheinlichkeiten liefert die Tafel?

Hilfe 2

Vergleiche auch den Anteil der Zustimmenden unter den Autobesitzern mit dem Anteil insgesamt.

Lösung zeigen

a) Prozent „von den Autobesitzern“ ist eine Bedingung; erst daraus wird ein Innenfeld.

A ∩ Z: 0,35 · 480 = 168; A ∩ Z̄: 480 − 168 = 312

Ā: 800 − 480 = 320; Ā ∩ Z: 380 − 168 = 212; Ā ∩ Z̄: 320 − 212 = 108; Z̄: 420

ZZ̄Summe
A168312480
Ā212108320
Summe380420800
Vierfeldertafel

b) Die Aussage handelt von einer Gruppe: bedingte Wahrscheinlichkeit mit Ā als Bedingung.

PĀ(Z) = 212320 ≈ 0,66

Rund zwei Drittel der Befragten ohne Auto stimmen zu, ein Drittel nicht. „Fast immer“ übertreibt; richtig wäre „meistens“.

c) Bedingung umgedreht: Bezugsgruppe sind die Befürworter.

PZ(Ā) = 212380 ≈ 0,56

Rund 56 % der Befürworter haben kein Auto. Die Aussage stimmt, aber knapp.

d) Kriterium prüfen und in Worte über die beiden Gruppen fassen.

P(A ∩ Z) = 168800 = 0,21; P(A) · P(Z) = 0,6 · 0,475 = 0,285 ≠ 0,21

A und Z sind abhängig. Autobesitzer stimmen seltener zu: 35 % gegenüber 47,5 % unter allen Befragten.

3.3Leergutautomat

Ein Leergutautomat im Supermarkt prüft jede eingelegte Flasche und lehnt Flaschen ohne Pfand ab. Er irrt sich manchmal. Das Baumdiagramm im Material beschreibt die eingelegten Flaschen. Dabei bedeutet F: „die Flasche hat kein Pfand“ und R: „der Automat lehnt die Flasche ab“.

RR̄0,950,05FRR̄0,020,98F̄0,040,96
Material

a) Bestimme den Anteil der eingelegten Flaschen, die der Automat ablehnt.

Hilfe 1

Welche Flaschen kann der Automat ablehnen?

Hilfe 2

Lies im Baum alle Pfade ab, die bei R enden.

b) Eine Kundin ärgert sich: „Der Automat hat meine Flasche abgelehnt, dabei hat sie Pfand.“ Bestimme die Wahrscheinlichkeit dafür, dass eine abgelehnte Flasche Pfand hat, und beurteile damit, ob solche Fälle selten sind.

Hilfe 1

Was weiß man über die Flasche schon, und was ist gefragt?

Hilfe 2

Gesucht ist eine bedingte Wahrscheinlichkeit, deren Richtung nicht im Baum steht.

Hilfe 3

Teile den passenden Pfad durch das Ergebnis aus a).

c) Der Hersteller will erreichen, dass mindestens 90 % der abgelehnten Flaschen wirklich kein Pfand haben. Der Wert 0,95 im Baum bleibt gleich. Ermittle, wie groß der Anteil der Pfandflaschen, die der Automat ablehnt, dafür höchstens sein darf.

Hilfe 1

Ersetze im Baum den Wert 0,02 durch eine Unbekannte q.

Hilfe 2

Stelle PR(F) mit q auf und fordere mindestens 0,9.

Hilfe 3

Multipliziere mit dem Nenner und löse nach q auf.

Lösung zeigen

a) Alle abgelehnten Flaschen: Pfade zu R im Baum sammeln.

P(R) = 0,04 · 0,95 + 0,96 · 0,02 = 0,038 + 0,0192 = 0,0572

Der Automat lehnt rund 5,7 % der Flaschen ab.

b) „eine abgelehnte Flasche hat Pfand“: Bedingung R, gefragt F̄. Der Baum hat die umgekehrte Richtung.

PR(F̄) = P(F̄ ∩ R)P(R) = 0,01920,0572 ≈ 0,336

Rund ein Drittel der abgelehnten Flaschen hat Pfand. Solche Fälle sind also nicht selten, obwohl der Automat nur 2 % der Pfandflaschen ablehnt. Der Grund: Pfandflaschen sind 24-mal so häufig wie Flaschen ohne Pfand. Bezogen auf alle eingelegten Flaschen ist der Fall dagegen selten: P(F̄ ∩ R) = 0,0192. Gewertet wird jede Beurteilung, die die Bezugsgruppe nennt.

c) Ein Zweig wird zur Unbekannten; die Zielbedingung ist eine bedingte Wahrscheinlichkeit.

Mit q als Anteil der Pfandflaschen, die der Automat ablehnt: PR(F) = 0,0380,038 + 0,96 · q

0,0380,038 + 0,96 · q ≥ 0,9 ⇔ 0,038 ≥ 0,0342 + 0,864 · q ⇔ q ≤ 0,00380,864 ≈ 0,0044

Der Automat darf höchstens etwa 0,44 % der Pfandflaschen ablehnen statt bisher 2 %.

3.4Zwei Wecker

Jonas stellt an jedem Schulmorgen zwei Wecker: den Wecker seines Handys und einen Radiowecker am Stromnetz. Er verschläft nur, wenn beide nicht klingeln. An 400 Schulmorgen hat er notiert: Der Handywecker klingelte an 10 Morgen nicht, der Radiowecker an 20 Morgen nicht, und an 6 Morgen klingelten beide nicht. Betrachtet werden für einen zufällig ausgewählten Morgen H: „der Handywecker klingelt nicht“ und R: „der Radiowecker klingelt nicht“.

a) Jonas rechnet: „Die Wecker fallen unabhängig voneinander aus. Also verschlafe ich nur an einem von 800 Morgen.“ Beurteile seine Überlegung anhand seiner Aufzeichnungen.

Hilfe 1

Woher kommt die Zahl 800? Rechne Jonas nach.

Hilfe 2

Prüfe mit den Daten, ob seine Annahme stimmt.

b) Berechne PR(H) und deute den Wert im Sachzusammenhang.

Hilfe 1

An wie vielen Morgen hat der Radiowecker nicht geklingelt?

Hilfe 2

Vergleiche mit P(H).

c) Nenne eine mögliche Ursache dafür, dass die Ausfälle zusammenhängen, und erläutere, wie Jonas den Zusammenhang verringern könnte.

Hilfe 1

Was könnte beide Wecker in derselben Nacht treffen?

Hilfe 2

Was haben Handy und Radiowecker gemeinsam?

Lösung zeigen

a) Jonas’ Rechnung setzt Unabhängigkeit voraus. Die Daten prüfen genau diese Annahme.

P(H) = 10400 = 0,025; P(R) = 20400 = 0,05; P(H) · P(R) = 0,00125 = 1800. So kommt Jonas auf seine Zahl.

Aus den Daten: P(H ∩ R) = 6400 = 0,015 ≠ 0,00125. H und R sind nicht unabhängig.

Tatsächlich hat er an etwa einem von 67 Morgen verschlafen, zwölfmal so oft wie gedacht. Seine Überlegung ist falsch.

b) Bedingte Wahrscheinlichkeit aus Anzahlen, dann Vergleich mit dem Wert ohne Bedingung.

PR(H) = 620 = 0,3

An Morgen, an denen der Radiowecker ausfällt, fällt in 30 % der Fälle auch der Handywecker aus. Sonst passiert das nur an 2,5 % aller Morgen.

c) Abhängigkeit deuten: eine gemeinsame Ursache suchen.

Mögliche Ursache: ein Stromausfall in der Nacht. Der Radiowecker geht aus, und das Handy hängt am Ladekabel, lädt nicht und ist morgens leer. Ebenso möglich: Jonas vergisst abends, beide Wecker zu stellen.

Abhilfe: einen Wecker nehmen, der nicht vom Stromnetz abhängt (Batterie), oder das Handy schon abends voll laden. Dann fallen die Wecker eher unabhängig voneinander aus.

3.5Musikschule

Eine Musikschule hat 240 Schülerinnen und Schüler. Jede Person lernt genau ein Instrument. Die Mehrfeldertafel im Material zeigt die Verteilung nach Alter und Instrument. Eine Person wird zufällig ausgewählt.

KlavierGitarreSchlagzeugSumme
unter 12 Jahre36441696
ab 12 Jahre545634144
Summe9010050240
Material

a) Ein Lehrer sagt: „Gitarre ist bei den Älteren beliebter als bei den Jüngeren, denn 56 Ältere spielen Gitarre, aber nur 44 Jüngere.“ Beurteile diese Aussage.

Hilfe 1

Sind beide Altersgruppen gleich groß?

Hilfe 2

„beliebter bei“ meint einen Anteil in der jeweiligen Gruppe.

b) Untersuche, ob die Ereignisse K: „spielt Klavier“ und U: „ist unter 12 Jahre“ stochastisch unabhängig sind, und deute dein Ergebnis.

Hilfe 1

Lies P(K), P(U) und P(K ∩ U) aus der Tafel ab.

Hilfe 2

Was bedeutet das Ergebnis für den Anteil der Klavierschüler in beiden Altersgruppen?

c) Eine zufällig ausgewählte Person lernt nicht Klavier. Bestimme die Wahrscheinlichkeit dafür, dass sie unter 12 Jahre ist, und vergleiche mit P(U).

Hilfe 1

Wie viele Personen lernen nicht Klavier, und wie viele davon sind unter 12?

Lösung zeigen

a) Zwei verschieden große Gruppen: Anteile in jeder Gruppe vergleichen, nicht Anzahlen.

Unter 12 Jahre: 4496 ≈ 0,458 spielen Gitarre. Ab 12 Jahre: 56144 ≈ 0,389.

Die Aussage ist falsch. Anteilig ist Gitarre bei den Jüngeren beliebter. Es gibt nur mehr Ältere, deshalb ist ihre Anzahl größer.

b) Kriterium an einer Mehrfeldertafel: eine Spalte gegen eine Zeile.

P(K) = 90240 = 0,375; P(U) = 96240 = 0,4; P(K ∩ U) = 36240 = 0,15

P(K) · P(U) = 0,375 · 0,4 = 0,15 = P(K ∩ U). K und U sind stochastisch unabhängig.

In beiden Altersgruppen lernen gleich viele Prozent Klavier: 3696 = 54144 = 37,5 %.

c) Bedingung „nicht Klavier“: zwei Spalten zusammenfassen.

PK̄(U) = 44 + 16100 + 50 = 60150 = 0,4 = P(U)

Auch ohne Klavier ist der Anteil der Jüngeren derselbe wie insgesamt. Das passt zu b): Sind K und U unabhängig, gilt das auch für K̄ und U.

Klausuraufgabe

4.1Stadtlauf

Bei einem Stadtlauf starten 1200 Personen auf der 5-km-Strecke und 800 Personen auf der 10-km-Strecke. Von den Startenden über 5 km sind 15 % Mitglied in einem Laufverein, von denen über 10 km 40 %. Unter allen Startenden wird eine Person zufällig ausgewählt. Betrachtet werden die Ereignisse
Z: „Die Person läuft 10 km.“
V: „Die Person ist Mitglied in einem Laufverein.“

a) Stelle den Sachzusammenhang in einer vollständig ausgefüllten Vierfeldertafel mit Anzahlen dar.4 BE

Hilfe 1

Die Prozentangaben beziehen sich auf je eine Strecke.

Hilfe 2

Rechne für jede Strecke die Vereinsmitglieder aus, dann die Summen.

b) Beschreibe die Bedeutung von PZ(V) und P(Z ∩ V) im Sachzusammenhang und gib beide Werte an.2 BE

Hilfe 1

Welche Gruppe ist bei PZ(V) die Bezugsmenge?

Hilfe 2

Bei P(Z ∩ V) sind es alle Startenden.

c) Unter den Vereinsmitgliedern wird eine Person zufällig ausgewählt. Gib die Wahrscheinlichkeit dafür an, dass sie 10 km läuft.2 BE

Hilfe 1

Welche Gruppe ist jetzt die Bezugsmenge?

d) Prüfe Z und V auf stochastische Unabhängigkeit und deute dein Ergebnis im Sachzusammenhang.3 BE

Hilfe 1

Vergleiche P(Z ∩ V) mit dem Produkt der Randwahrscheinlichkeiten.

Hilfe 2

Was sagt das Ergebnis über Vereinsmitglieder und die Streckenwahl?

e) Im nächsten Jahr starten wieder 1200 Personen über 5 km, davon 180 Vereinsmitglieder, und 800 Personen über 10 km. Ermittle, wie viele Vereinsmitglieder dann über 10 km starten müssten, damit Z und V stochastisch unabhängig wären.3 BE

Hilfe 1

Bezeichne die gesuchte Anzahl mit x.

Hilfe 2

Unabhängig heißt: Der Anteil der Vereinsmitglieder ist auf der 10-km-Strecke so groß wie unter allen Startenden.

Lösung zeigen

a) Zwei Gruppen mit je einem Anteil: Innenfelder über die Gruppengröße, dann Ränder.

Z ∩ V: 0,4 · 800 = 320; Z ∩ V̄: 480; Z̄ ∩ V: 0,15 · 1200 = 180; Z̄ ∩ V̄: 1020

V: 500; V̄: 1500; gesamt 2000

VV̄Summe
Z320480800
Z̄18010201200
Summe50015002000
Vierfeldertafel

b) Zwei Terme in Worte fassen: einmal mit Bedingung, einmal ohne.

PZ(V) = 0,4: Eine Person, die 10 km läuft, ist mit 40 % Wahrscheinlichkeit Vereinsmitglied.

P(Z ∩ V) = 3202000 = 0,16: Eine zufällig ausgewählte startende Person läuft 10 km und ist Vereinsmitglied.

c) „Unter den Vereinsmitgliedern“: Bedingung V, Nenner aus der Spalte V.

PV(Z) = 320500 = 0,64

d) Kriterium mit den Werten der Tafel, dann ein Satz zur Streckenwahl.

P(Z) = 0,4; P(V) = 0,25; P(Z) · P(V) = 0,1 ≠ 0,16 = P(Z ∩ V)

Z und V sind abhängig. Vereinsmitglieder wählen häufiger die 10-km-Strecke: 64 % von ihnen gegenüber 40 % aller Startenden.

e) Anzahl gesucht, damit das Kriterium gilt: Gleichung mit einer Unbekannten.

Mit x Vereinsmitgliedern über 10 km: PZ(V) = x800 und P(V) = 180 + x2000.

x800 = 180 + x2000 ⇔ 2000x = 800 · (180 + x) ⇔ 1200x = 144 000 ⇔ x = 120

Ebenso richtig: Unabhängig heißt, der Anteil ist auf beiden Strecken gleich, also x800 = 1801200 = 0,15 und x = 120.

Es müssten 120 Vereinsmitglieder über 10 km starten.

Dieses Thema im Kurs.

Es gehört zum Q3-Kurs, in den Abschnitt „Vierfeldertafel und bedingte Wahrscheinlichkeit“. Im Kurs rechnen wir solche Aufgaben zusammen, und du siehst jeden Schritt am Whiteboard.

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