Aufgabenbeispiele von Wiederholung aus 9/10

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Binomialvert. mit variablem n (mind)

Beispiel:

Der, dessen Name nicht genannt werden darf, testet Zauber um seine Nase wiederherzustellen. Ein solcher Versuch endet zu 45% mit einer Konfettiexplosion. Wie viele Versuche muss er mindestens machen, damit er mit einer Wahrscheinlichkeit von mindestens 60% mindestens 24 Nasen hat.

Lösung einblenden
nP(X≤k)
......
440.4143
450.3526
......

Die Zufallsgröße X gibt die Anzahl der geglückten Nasen-Zauberversuche an und ist im Idealfall binomialverteilt mit p = 0.55 und variablem n.

Es muss gelten: P0.55n (X24) ≥ 0.6

Weil man ja aber P0.55n (X24) nicht in den WTR eingeben kann, müssen wir diese Wahrscheinlichkeit über die Gegenwahrscheinlichkeit berechnen:

P0.55n (X24) = 1 - P0.55n (X23) ≥ 0.6 |+ P0.55n (X23) - 0.6

0.4 ≥ P0.55n (X23) oder P0.55n (X23) ≤ 0.4

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 55% der Versuche mit einem Treffer. Also müssten dann doch bei 24 0.55 ≈ 44 Versuchen auch ungefähr 24 (≈0.55⋅44) Treffer auftreten.

Wir berechnen also mit unserem ersten n=44:
P0.55n (X23) ≈ 0.4143 (TI-Befehl: Binomialcdf ...)

Je nachdem, wie weit nun dieser Wert noch von den gesuchten 0.4 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 0.4 überschritten wird.

Aus der Werte-Tabelle (siehe links) erkennt man dann, dass erstmals bei n=45 die gesuchte Wahrscheinlichkeit unter 0.4 ist.

n muss also mindestens 45 sein, damit P0.55n (X23) ≤ 0.4 oder eben P0.55n (X24) ≥ 0.6 gilt.

Binomialverteilung X ∈ [l;k]

Beispiel:

Ein Würfel wird 60 mal geworfen. Wie groß ist die Wahrscheinlichkeit, dass mehr als 7 mal, aber weniger als 16 mal eine sechs gewürfelt wird?

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Die Zufallsgröße X gibt die Anzahl der Treffer an. X ist binomialverteilt mit n=60 und p= 1 6 .

P 1 6 60 (8X15) =

...
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
...

P 1 6 60 (X15) - P 1 6 60 (X7) ≈ 0.9662 - 0.1958 ≈ 0.7704
(TI-Befehl: binomcdf(60, 1 6 ,15) - binomcdf(60, 1 6 ,7))

Binomialvert. mit variablem p (diskret)

Beispiel:

In einer Urne sind 3 rote und einige schwarze Kugeln. Es soll 25 mal mit Zurücklegen gezogen werden. Wie viele schwarze Kugeln dürfen in der Urne höchstens sein, damit mit einer Wahrscheinlichkeit von mindestens 70% unter den 25 gezogenen Kugeln nicht mehr als 24 schwarze sind?

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pP(X≤24)
......
8 11 0.9997
9 12 0.9992
10 13 0.9986
11 14 0.9976
12 15 0.9962
13 16 0.9944
14 17 0.9922
15 18 0.9895
16 19 0.9864
17 20 0.9828
18 21 0.9788
19 22 0.9744
20 23 0.9696
21 24 0.9645
22 25 0.9591
23 26 0.9533
24 27 0.9474
25 28 0.9412
26 29 0.9348
27 30 0.9282
28 31 0.9215
29 32 0.9147
30 33 0.9077
31 34 0.9007
32 35 0.8936
33 36 0.8864
34 37 0.8792
35 38 0.872
36 39 0.8648
37 40 0.8576
38 41 0.8504
39 42 0.8432
40 43 0.836
41 44 0.8289
42 45 0.8218
43 46 0.8147
44 47 0.8077
45 48 0.8008
46 49 0.7939
47 50 0.7871
48 51 0.7803
49 52 0.7736
50 53 0.767
51 54 0.7604
52 55 0.754
53 56 0.7475
54 57 0.7412
55 58 0.7349
56 59 0.7287
57 60 0.7226
58 61 0.7166
59 62 0.7106
60 63 0.7047
61 64 0.6989
......

Die Zufallsgröße X gibt die Anzahl der gezogenen Kugeln mit der Farbe schwarz an. X ist binomialverteilt mit n=25 und unbekanntem Parameter p.

Es muss gelten: Pp25 (X24) = 0.7 (oder mehr)

Wir wissen, dass der Nenner bei unserer Einzelwahrscheinlichkeit p immer um 3 größer sein muss als der Zähler.

Deswegen erhöhen wir nun schrittweise immer den Zähler und Nenner bei der Einzelwahrscheinlichkeit um 1 und probieren aus, wie sich das auf die gesuchte Wahrscheinlichkeit Pp25 (X24) ('höchstens 24 Treffer bei 25 Versuchen') auswirkt (siehe Tabelle links)

Als Startwert wählen wir als p= 8 11 . (Durch Ausprobieren erkennt man, dass vorher die Wahrscheinlichkeit immer fast 1 ist)

In dieser Tabelle erkennen wir, dass letztmals bei der Einzelwahrscheinlichkeit p= 60 63 die gesuchte Wahrscheinlichkeit über 70% bleibt.
Die Anzahl der schwarzen Kugeln, die hinzugefügt wird, darf also höchstens 60 sein.

Binomialvert. mit variabl. p (mind.) nur GTR

Beispiel:

Ein Basketballtrainer sucht einen neuen Spieler, der mit 70% Wahrscheinlichkeit von 64 Freiwürfen mindestens 46 mal trifft. Welche Trefferquote braucht solch ein Spieler mindestens?

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pP(X≥46)=1-P(X≤45)
......
0.690.3644
0.70.4313
0.710.5012
0.720.5719
0.730.6414
0.740.7075
......

Es muss gelten: Pp64 (X46) =0.7 (oder mehr)

oder eben: 1- Pp64 (X45) =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=1-binomcdf(64,X,45) - 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 erstmals bei p=0.74 die gesuchte Wahrscheinlichkeit über 0.7 ist.

Formel v. Bernoulli

Beispiel:

Ein Scherzkeks in einer Glückskeksfabrik backt in jeden achten Glückskeks eine scharfe Peperoni ein. Wie groß ist die Wahrscheinlichkeit, genau 5 Glückskekse mit einer Peproni zu erwischen, wenn man 42 Glückskekse kauft?

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Die Zufallsgröße X gibt die Anzahl der Treffer an. X ist binomialverteilt mit n=42 und p= 1 8 .

P 1 8 42 (X=5) = ( 42 5 ) ( 1 8 )5 ( 7 8 )37 =0.18561288578281≈ 0.1856
(TI-Befehl: binompdf(42,1/8,5))

Erwartungswert, Standardabweichung best.

Beispiel:

Eine Zufallsgröße ist binomialverteilt mit den Parametern n = 68 und p = 0.15
Bestimme den Erwartungswert μ und die Standardabweichung σ von X .

Lösung einblenden

Für Erwartungswert und Standardabweichung bei der Binomialverteilung gibt es ja einfache Formeln, in die man einfach n = 68 und p = 0.15 einsetzen muss:

Erwartungswert E(X) = n ⋅ p = 68 ⋅ 0.15 = 10.2

Standardabweichung S(X) = n ⋅ p ⋅ (1-p) = 68 ⋅ 0.15 ⋅ 0.85 = 8.67 2.94