Aufgabenbeispiele von Wiederholung aus 9/10

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Binomialvert. mit variablem n (mind)

Beispiel:

Bei einem Glücksrad, ist die Wahrscheinlichkeit in den grünen Bereich zu kommen p=0,25. Wie oft muss man dieses Glückrad mindestens drehen, um mit einer Wahrscheinlichkeit von mindestens 80% 29 mal oder öfters in den grünen Bereich zu kommen?

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nP(X≤k)
......
1260.2722
1270.2559
1280.2401
1290.2251
1300.2106
1310.1968
......

Die Zufallsgröße X gibt Anzahl der Drehungen, die im grünen Bereich landen an und ist im Idealfall binomialverteilt mit p = 0.25 und variablem n.

Es muss gelten: P0.25n (X≥29) ≥ 0.8

Weil man ja aber P0.25n (X≥29) nicht in den WTR eingeben kann, müssen wir diese Wahrscheinlichkeit über die Gegenwahrscheinlichkeit berechnen:

P0.25n (X≥29) = 1 - P0.25n (X≤28) ≥ 0.8 |+ P0.25n (X≤28) - 0.8

0.2 ≥ P0.25n (X≤28) oder P0.25n (X≤28) ≤ 0.2

Jetzt müssen wir eben so lange mit verschiedenen Werten von n probieren, bis diese Gleichung erstmals erfüllt wird:

Dabei stellt sich nun natürlich die Frage, mit welchem Wert für n wir dabei beginnen. Im Normalfall enden 25% der Versuche mit einem Treffer. Also müssten dann doch bei 29 0.25 ≈ 116 Versuchen auch ungefähr 29 (≈0.25⋅116) Treffer auftreten.

Wir berechnen also mit unserem ersten n=116:
P0.25n (X≤28) ≈ 0.4644 (TI-Befehl: Binomialcdf ...)

Je nachdem, wie weit nun dieser Wert noch von den gesuchten 0.2 entfernt ist, erhöhen bzw. verkleinern wir das n eben in größeren oder kleineren Schrittweiten.

Dies wiederholen wir solange, bis wir zwei aufeinanderfolgende Werte von n gefunden haben, bei denen die 0.2 überschritten wird.

Aus der Werte-Tabelle (siehe links) erkennt man dann, dass erstmals bei n=131 die gesuchte Wahrscheinlichkeit unter 0.2 ist.

n muss also mindestens 131 sein, damit P0.25n (X≤28) ≤ 0.2 oder eben P0.25n (X≥29) ≥ 0.8 gilt.

Binomialverteilung X>=k

Beispiel:

Bei einem Glücksrad ist die Wahrscheinlichkeit im grünen Bereich zu landen bei p=0,95. Wie groß ist die Wahrscheinlichkeit bei 95 Versuchen mindestens 81 mal im grünen Bereich zu landen?
(Bitte auf 4 Stellen nach dem Komma runden)

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Die Zufallsgröße X gibt die Anzahl der Treffer an. X ist binomialverteilt mit n=95 und p=0.95.

...
78
79
80
81
82
83
...

P0.9595 (X≥81) = 1 - P0.9595 (X≤80) = 0.9999
(TI-Befehl: 1-binomcdf(95,0.95,80))

Binomialvert. mit variablem p (diskret)

Beispiel:

In einer Urne sind 4 rote und einige schwarze Kugeln. Es soll 14 mal mit Zurücklegen gezogen werden. Wie viele schwarze Kugeln müssen in der Urne mindestens sein, damit mit einer Wahrscheinlichkeit von mindestens 75% unter den 14 gezogenen Kugeln nicht mehr als 6 rote sind?

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pP(X≤6)
......
4 9 0.563
4 10 0.6925
4 11 0.7856
......

Die Zufallsgröße X gibt die Anzahl der gezogenen Kugeln mit der Farbe rot an. X ist binomialverteilt mit n=14 und unbekanntem Parameter p.

Es muss gelten: Pp14 (X≤6) =0.75 (oder mehr)

Wir wissen, dass der Zähler bei unserer Einzelwahrscheinlichkeit p 4 sein muss, da es ja genau 4 günstige Fälle gibt.

Wir müssen nun bei verschiedenen Nennern untersuchen, wie hoch die gesuchte Wahrscheinlichkeit Pp14 (X≤6) ('höchstens 6 Treffer bei 14 Versuchen') bei diesen Nennern wird (siehe Tabelle links)

Um einen günstigen Startwert zu finden wählen wir mal als p= 6 14 . Mit diesem p wäre ja 6= 6 14 ⋅14 der Erwartungswert und somit Pp14 (X≤6) irgendwo in der nähe von 50%. Wenn wir nun p= 6 14 mit 4 6 erweitern (so dass wir auf den Zähler 4 kommen) und den Nenner abrunden, müssten wir mit p= 4 9 einen brauchbaren Einstiegswert für dieses Probieren erhalten.

In dieser Tabelle erkennen wir, dass erstmals bei der Einzelwahrscheinlichkeit p= 4 11 die gesuchte Wahrscheinlichkeit über 75% steigt.
Der Nenner, also die Anzahl aller Kugeln, muss also mindestens 11 sein.

Also werden noch 7 zusätzliche Optionen (also schwarze Kugeln) benötigt.

Binomialvert. mit variabl. p (höchstens) nur GTR

Beispiel:

Bei einem Zufallsexperiment ist die Wahrscheinlichkeit für einen Treffer unbekannt. Das Zufallsexperinment wird 70 mal wiederholt (bzw. die Stichprobe hat die Größe 70).Wie hoch darf die Einzelwahrscheinlichkeit p höchstens sein, dass mit einer Wahrscheinlichkeit von mind. 70% höchstens 60 Treffer erzielt werden?

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pP(X≥k)=1-P(X≤k-1)
......
0.790.9422
0.80.9155
0.810.8794
0.820.8323
0.830.773
0.840.7011
0.850.6174
......

Es muss gelten: Pp70 (X≤60) =0.7 (oder mehr)

Diese Gleichung gibt man also in den GTR als Funktion ein, wobei das variable p eben als X gesetzt werden muss.
(TI-Befehl: y1=binomcdf(70,X,60) - dabei darauf achten, dass X nur zwischen 0 und 1 sein darf - bei TblSet sollte deswegen Δtable auf 0.01 gesetzt werden)

Aus der Werte-Tabelle (siehe links) erkennt man dann, dass letztmals bei p=0.84 die gesuchte Wahrscheinlichkeit über 0.7 ist.

kumulierte Binomialverteilung

Beispiel:

Eine Münze wird 56 mal geworfen. Wie groß ist die Wahrscheinlichkeit dass weniger als 25 mal "Zahl" (p=0,5) geworfen wird?

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Die Zufallsgröße X gibt die Anzahl der Würfe mit Zahl an. X ist binomialverteilt mit n=56 und p=0.5.

P0.556 (X<25) = P0.556 (X≤24) = P0.556 (X=0) + P0.556 (X=1) + P0.556 (X=2) +... + P0.556 (X=24) = 0.17484097649184 ≈ 0.1748
(TI-Befehl: binomcdf(56,0.5,24))

Wahrscheinlichkeit von σ-Intervall um μ

Beispiel:

Ein Würfel wird 96 mal geworfen. Wie groß ist die Wahrscheinlichkeit, dass die Anzahl der gewürfelten 6er nicht mehr als eine Standardabweichung vom Erwartungswert abweicht?

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Den Erwartungswert berechnet man mit μ = n⋅p = 96⋅ 1 6 ≈ 16,
die Standardabweichung mit σ = n ⋅ p ⋅ (1-p) = 96 ⋅ 1 6 ⋅ 5 6 ≈ 3.65

19.65 (16 + 3.65) und 12.35 (16 - 3.65) sind also jeweils eine Standardabweichung vom Erwartungswert μ = 16 entfernt.

Das bedeutet, dass genau die Zahlen zwischen 13 und 19 nicht mehr als eine Standardabweichung vom Erwartungswert entfernt sind.

Gesucht ist also die Wahrscheinlichkeit, dass die Trefferanzahl zwischen 13 und 19 liegt.

Die Zufallsgröße X gibt die Anzahl der Treffer an. X ist binomialverteilt mit n=96 und p= 1 6 .

P 1 6 96 (13≤X≤19) =

...
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
...

P 1 6 96 (X≤19) - P 1 6 96 (X≤12) ≈ 0.832 - 0.1693 ≈ 0.6627
(TI-Befehl: binomcdf(96, 1 6 ,19) - binomcdf(96, 1 6 ,12))