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Diagnostik-Aufgaben mit bedingten Wahrscheinlichkeiten

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41477311
In einer Fabrik für LED-Leuchtmittel werden die fertigen Lampen durch eine automatisierte Lichtschranke geprüft. Von \(5\,000\) produzierten Lampen sind erfahrungsgemäß \(150\) defekt. Die Lichtschranke erkennt \(140\) dieser defekten Lampen und sortiert sie aus. Allerdings werden auch \(200\) eigentlich einwandfreie Lampen fälschlicherweise als „defekt“ markiert und aussortiert. a) Erstelle eine vollständige Vierfeldertafel für diesen Sachverhalt. b) Eine Lampe wurde aussortiert. Berechne die Wahrscheinlichkeit, dass sie in Wirklichkeit gar nicht defekt ist. c) Erläutere kurz, welche wirtschaftliche Folge die unter b) berechnete Wahrscheinlichkeit für den Betrieb hat.

Denkanstöße

- Welche Informationen sind direkt gegeben und welche musst du durch Subtraktion bestimmen? - Überlege dir, welche Ereignisse in die Zeilen und welche in die Spalten der Tabelle gehören. - Achte bei der Wahrscheinlichkeit darauf, welche Gruppe die „Basis“ bildet (alle Lampen oder nur die aussortierten?). - Was bedeutet es für eine Firma, wenn funktionierende Produkte im Müll landen?

Lösung

1. Bestimmung der Grundgesamtheit und der Teilmengen: Gesamtzahl \(N = 5\,000\). Anzahl defekt \(D = 150\), Anzahl intakt \(\bar{D} = 4\,850\). 2. Zuordnung der Testwerte: Richtig positiv (defekt und aussortiert) \(N(D \cap A) = 140\). Falsch positiv (intakt und aussortiert) \(N(\bar{D} \cap A) = 200\). 3. Berechnung der restlichen Werte für die Vierfeldertafel: Falsch negativ (defekt, nicht aussortiert) \(N(D \cap \bar{A}) = 150 - 140 = 10\). Richtig negativ (intakt, nicht aussortiert) \(N(\bar{D} \cap \bar{A}) = 4\,850 - 200 = 4\,650\). 4. Summenbildung für die Testausgänge: Gesamtzahl aussortiert \(N(A) = 140 + 200 = 340\). Gesamtzahl nicht aussortiert \(N(\bar{A}) = 10 + 4\,650 = 4\,660\). 5. Berechnung der bedingten Wahrscheinlichkeit für b): \(P(\bar{D}|A) = \frac{N(\bar{D} \cap A)}{N(A)} = \frac{200}{340} = \frac{10}{17} \approx 0{,}5882\). 6. Interpretation für c): Da ca. \(58{,}8\,\%\) der aussortierten Lampen eigentlich funktionieren, entstehen dem Betrieb unnötige Kosten durch Materialverlust oder zusätzlichen Prüfaufwand.

Antwort

a) Die Vierfeldertafel sieht wie folgt aus: <table> <tr><th></th><th>Aussortiert (A)</th><th>Nicht aussortiert (\(\bar{A}\))</th><th>Gesamt</th></tr> <tr><th>Defekt (D)</th><td>140</td><td>10</td><td>150</td></tr> <tr><th>Intakt (\(\bar{D}\))</th><td>200</td><td>4650</td><td>4850</td></tr> <tr><th>Gesamt</th><td>340</td><td>4660</td><td>5000</td></tr> </table> b) Die Wahrscheinlichkeit beträgt \(P(\bar{D}|A) = \frac{200}{340} \approx 58{,}82\,\%\). c) Die hohe Fehlerquote bei der Aussortierung führt dazu, dass mehr als die Hälfte der weggeworfenen oder nachzubearbeitenden Lampen eigentlich gut waren, was die Effizienz senkt und Kosten verursacht.
41477411
Ein Chorleiter führt bei \(200\) Kindern ein kurzes Screening durch, um besondere Talente für das Singen sehr hoher Töne zu finden. Aus Erfahrung weiß man, dass \(40\) dieser Kinder die nötigen Töne singen können. Der Schnelltest des Chorleiters erkennt \(36\) dieser Kinder korrekt. Allerdings stuft der Test auch \(10\) Kinder als „talentiert“ ein, die die hohen Töne eigentlich nicht sauber treffen. a) Stelle die Daten in einer Vierfeldertafel dar. b) Wie hoch ist die Wahrscheinlichkeit, dass ein Kind, das den Test nicht bestanden hat, tatsächlich nicht die hohen Töne singen kann? c) Vergleiche die Zuverlässigkeit der Testergebnisse: Ist ein positives oder ein negatives Testergebnis zuverlässiger? Begründe mathematisch.

Denkanstöße

- Trage zuerst die absoluten Häufigkeiten in die Tabelle ein. - Was ist die Grundgesamtheit bei der Frage nach den Kindern, die den Test nicht bestanden haben? - Vergleiche für die Zuverlässigkeit zwei verschiedene bedingte Wahrscheinlichkeiten. - Überlege, was „sicher ausschließen“ im Kontext der Tabelle bedeutet.

Lösung

1. Grundwerte: \(N = 200\). Talentierte Kinder \(T = 40\), nicht talentiert \(\bar{T} = 160\). 2. Testergebnisse: Richtig positiv \(N(T \cap +) = 36\). Falsch positiv \(N(\bar{T} \cap +) = 10\). 3. Fehlende Werte: Falsch negativ \(N(T \cap -) = 40 - 36 = 4\). Richtig negativ \(N(\bar{T} \cap -) = 160 - 10 = 150\). 4. Spaltensummen: Test positiv \(N(+) = 36 + 10 = 46\). Test negativ \(N(-) = 4 + 150 = 154\). 5. Wahrscheinlichkeit für b): \(P(\bar{T}|-) = \frac{N(\bar{T} \cap -)}{N(-)} = \frac{150}{154} \approx 0{,}9740\). 6. Vergleich für c): Wahrscheinlichkeit für Talent bei positivem Test: \(P(T|+) = \frac{36}{46} \approx 0{,}7826\). Da \(P(\bar{T}|-) \approx 97{,}4\,\%\) deutlich höher ist als \(P(T|+) \approx 78{,}3\,\%\), ist der Test zuverlässiger darin, ungeeignete Kinder auszuschließen.

Antwort

a) Vierfeldertafel: <table> <tr><th></th><th>Test positiv (+)</th><th>Test negativ (-)</th><th>Gesamt</th></tr> <tr><th>Kann hoch singen (T)</th><td>36</td><td>4</td><td>40</td></tr> <tr><th>Kann nicht hoch singen (\(\bar{T}\))</th><td>10</td><td>150</td><td>160</td></tr> <tr><th>Gesamt</th><td>46</td><td>154</td><td>200</td></tr> </table> b) Die Wahrscheinlichkeit beträgt \(P(\bar{T}|-) = \frac{150}{154} \approx 97{,}40\,\%\). c) Der Test ist besser darin, Nicht-Talente auszuschließen. Die Wahrscheinlichkeit, dass ein negativ getestetes Kind wirklich nicht singen kann, liegt bei ca. \(97{,}4\,\%\). Die Wahrscheinlichkeit, dass ein positiv getestetes Kind wirklich talentiert ist, liegt nur bei ca. \(78{,}3\,\%\).
41477511
In einem großen Lagerhaus wurde ein neues Brandschutzsystem installiert. Über einen Zeitraum von \(365\) Tagen wurde das System beobachtet. Es gab in dieser Zeit an \(5\) Tagen tatsächlich Entstehungsbrände, die alle vom System sofort gemeldet wurden. An \(10\) Tagen gab es jedoch einen Fehlalarm, obwohl kein Feuer vorlag. a) Überführe diese Beobachtungen in eine Vierfeldertafel. b) Wie groß ist die Wahrscheinlichkeit, dass es bei einem Alarm tatsächlich brennt? c) Ein Mitarbeiter sagt: „Das System ist perfekt, es hat jeden Brand erkannt.“ Diskutiere diese Aussage unter Berücksichtigung deines Ergebnisses aus b).

Denkanstöße

- Wie viele Tage gab es insgesamt ohne Alarm und ohne Brand? - Was bedeutet „jeden Brand erkannt“ für die Zahl der verpassten Brände in deiner Tabelle? - Berechne die Wahrscheinlichkeit für einen echten Brand, wenn die Sirene schrillt. - Überlege, warum viele Fehlalarme die Sicherheit gefährden könnten, auch wenn kein Brand verpasst wird.

Lösung

1. Analyse der Daten: Gesamttage \(N = 365\). Tage mit Brand \(B = 5\), Tage ohne Brand \(\bar{B} = 360\). 2. Alarme: Richtig positiv (Alarm bei Brand) \(N(B \cap A) = 5\). Falsch positiv (Alarm ohne Brand) \(N(\bar{B} \cap A) = 10\). 3. Restliche Felder: Falsch negativ (kein Alarm bei Brand) \(N(B \cap \bar{A}) = 5 - 5 = 0\). Richtig negativ (kein Alarm ohne Brand) \(N(\bar{B} \cap \bar{A}) = 360 - 10 = 350\). 4. Summe Alarme: \(N(A) = 5 + 10 = 15\). 5. Wahrscheinlichkeit für b): \(P(B|A) = \frac{N(B \cap A)}{N(A)} = \frac{5}{15} = \frac{1}{3} \approx 0{,}3333\). 6. Diskussion für c): Die Aussage ist technisch korrekt bezüglich der Sensitivität (alle Brände erkannt), aber im Alltag problematisch, da bei einem Alarm nur mit einer Wahrscheinlichkeit von \(33{,}3\,\%\) wirklich ein Feuer vorliegt. Zwei von drei Alarmen sind Fehlalarme.

Antwort

a) Vierfeldertafel: <table> <tr><th></th><th>Alarm (A)</th><th>Kein Alarm (\(\bar{A}\))</th><th>Gesamt</th></tr> <tr><th>Brand (B)</th><td>5</td><td>0</td><td>5</td></tr> <tr><th>Kein Brand (\(\bar{B}\))</th><td>10</td><td>350</td><td>360</td></tr> <tr><th>Gesamt</th><td>15</td><td>350</td><td>365</td></tr> </table> b) Die Wahrscheinlichkeit beträgt \(P(B|A) = \frac{5}{15} = \frac{1}{3} \approx 33{,}33\,\%\). c) Die Aussage ist einseitig. Zwar ist die Trefferquote bei Bränden \(100\,\%\) (kein Brand wurde übersehen), aber die Vorhersagekraft eines Alarms ist gering. Da nur jeder dritte Alarm echt ist, besteht die Gefahr, dass Mitarbeiter Alarme irgendwann ignorieren (Gewöhnungseffekt).
42209211
In einer Manufaktur werden 100 hochwertige Bauteile einer Qualitätsprüfung unterzogen. Bekannt ist, dass 8 dieser Bauteile defekt sind. Ein automatischer Schnelltest schlägt bei 7 der defekten Bauteile Alarm. Allerdings gibt der Test auch bei 5 der einwandfreien Bauteile eine Fehlermeldung aus. Ein Bauteil wird zufällig zur Prüfung ausgewählt. a) Mit welcher Wahrscheinlichkeit gibt der Schnelltest bei dem ausgewählten Bauteil Alarm? b) Wie groß ist die Wahrscheinlichkeit, dass das Bauteil tatsächlich defekt ist, wenn der Test Alarm gibt? c) Bestimme die Wahrscheinlichkeit dafür, dass das Bauteil defekt ist, obwohl der Test keinen Alarm gegeben hat.

Denkanstöße

- Welche Kombinationen aus „defekt/einwandfrei“ und „Alarm/kein Alarm“ gibt es? - Wie viele Bauteile lösen insgesamt einen Alarm aus? - Achte bei der bedingten Wahrscheinlichkeit darauf, welche Information bereits bekannt ist – das ist deine neue Grundmenge. - Könnte ein Baumdiagramm helfen, die Pfade für „defekt“ und „nicht defekt“ sowie die darauf folgenden Testreaktionen zu visualisieren?

Lösung

1. Definition der Ereignisse: \(D\): „Bauteil ist defekt“, \(A\): „Test gibt Alarm“. Gegeben sind \(n = 100\), \(|D| = 8\), \(|A \cap D| = 7\) und \(|A \cap \bar{D}| = 5\). 2. Berechnung für a): Die Gesamtzahl der Alarme setzt sich aus den Alarmen bei defekten und einwandfreien Bauteilen zusammen: \(|A| = |A \cap D| + |A \cap \bar{D}| = 7 + 5 = 12\). Somit ist \(P(A) = \frac{12}{100} = 0{,}12\). 3. Berechnung für b): Gesucht ist die bedingte Wahrscheinlichkeit \(P(D|A) = \frac{|D \cap A|}{|A|} = \frac{7}{12} \approx 0{,}5833\). 4. Berechnung für c): Die Anzahl der Fälle ohne Alarm ist \(|\bar{A}| = 100 - 12 = 88\). Die Anzahl der defekten Bauteile, bei denen kein Alarm ausgelöst wurde, ist \(|D \cap \bar{A}| = |D| - |D \cap A| = 8 - 7 = 1\). Die gesuchte Wahrscheinlichkeit ist \(P(D|\bar{A}) = \frac{|D \cap \bar{A}|}{|\bar{A}|} = \frac{1}{88} \approx 0{,}0114\).

Antwort

a) \(P(A) = 0{,}12\) b) \(P(D|A) = \frac{7}{12} \approx 0{,}5833\) c) \(P(D|\bar{A}) = \frac{1}{88} \approx 0{,}0114\)
42211511
Ein Pharmaunternehmen entwickelt einen neuen Schnelltest für eine bestimmte Allergie. In einer klinischen Studie werden die Ergebnisse des Schnelltests mit einer gesicherten Labordiagnose verglichen. Dabei bezeichne \(A\) das Ereignis „Allergie vorhanden“ und \(T\) das Ereignis „Schnelltest zeigt Allergie an“ (positives Testergebnis). a) Beschreibe die folgenden bedingten Wahrscheinlichkeiten im Sachkontext: (1) \(P_A(T)\) (2) \(P_A(\bar{T})\) (3) \(P_{\bar{A}}(\bar{T})\) (4) \(P_T(A)\) (5) \(P_T(\bar{A})\) (6) \(P_{\bar{T}}(\bar{A})\) b) Ein Patient hat gerade sein Testergebnis erhalten. Erläutere, welche der Wahrscheinlichkeiten aus Teil a) für ihn besonders groß sein sollten, damit er dem Ergebnis vertrauen kann – unterscheide dabei zwischen einem positiven und einem negativen Testergebnis.

Denkanstöße

- Überlege dir bei \(P_X(Y)\) immer zuerst: Was ist die Voraussetzung (was wissen wir schon) und was ist das Ereignis, dessen Wahrscheinlichkeit wir suchen? - Wer ist die Zielperson der Untersuchung und was ist ihr größtes Interesse (Sicherheit der Diagnose vs. Fehlervermeidung)? - Was bedeutet das Symbol mit dem Querstrich über dem Buchstaben in der Wahrscheinlichkeitsrechnung? - Stell dir vor, du bist selbst der Patient: Welches Wissen hättest du nach dem Test gern über deinen tatsächlichen Gesundheitszustand?

Lösung

1. Beschreibung der Wahrscheinlichkeiten: (1) Wahrscheinlichkeit, dass der Test positiv ausfällt, wenn die Allergie tatsächlich vorliegt (Sensitivität). (2) Wahrscheinlichkeit, dass der Test negativ ausfällt, obwohl eine Allergie vorliegt (Falsch-negativ-Rate). (3) Wahrscheinlichkeit, dass der Test negativ ausfällt, wenn keine Allergie vorliegt (Spezifität). (4) Wahrscheinlichkeit, dass bei einem positiven Testergebnis tatsächlich eine Allergie vorliegt (positiver Prädiktionswert). (5) Wahrscheinlichkeit, dass der Test fälschlicherweise eine Allergie anzeigt, obwohl keine vorliegt (Irrtumswahrscheinlichkeit bei positivem Befund). (6) Wahrscheinlichkeit, dass bei einem negativen Testergebnis tatsächlich keine Allergie vorliegt (negativer Prädiktionswert). 2. Bewertung aus Patientensicht: Hat der Patient ein positives Ergebnis (\(T\)), ist für sein Vertrauen in die Diagnose \(P_T(A)\) entscheidend; diese sollte möglichst groß sein. Hat der Patient ein negatives Ergebnis (\(\bar{T}\)), möchte er sicher sein, gesund zu sein; daher sollte \(P_{\bar{T}}(\bar{A})\) möglichst groß sein.

Antwort

a) (1) Wahrscheinlichkeit für einen positiven Test bei vorliegender Allergie. (2) Wahrscheinlichkeit für einen negativen Test trotz Allergie. (3) Wahrscheinlichkeit für einen negativen Test, wenn keine Allergie vorliegt. (4) Wahrscheinlichkeit, dass man bei positivem Test wirklich allergisch ist. (5) Wahrscheinlichkeit, dass man trotz positivem Test nicht allergisch ist. (6) Wahrscheinlichkeit, dass man bei negativem Test wirklich nicht allergisch ist. b) Bei einem positiven Test sollte \(P_T(A)\) möglichst groß sein, damit die Diagnose zuverlässig ist. Bei einem negativen Test sollte \(P_{\bar{T}}(\bar{A})\) möglichst groß sein, damit eine Allergie sicher ausgeschlossen werden kann.
42211611
In der Endkontrolle einer Glasfabrik werden Flaschen automatisch auf Risse untersucht. Das Ereignis \(R\) beschreibt, dass eine Flasche einen Riss hat, und das Ereignis \(S\) beschreibt, dass der Sensor einen Defekt meldet. a) Gib für die folgenden Beschreibungen die zugehörige bedingte Wahrscheinlichkeit in der Notation \(P_X(Y)\) an: (1) Eine defekte Flasche wird vom Sensor fälschlicherweise nicht als solche erkannt. (2) Eine einwandfreie Flasche wird vom Sensor fälschlicherweise als defekt gemeldet. (3) Eine Flasche, bei der der Sensor einen Defekt meldet, ist tatsächlich beschädigt. (4) Eine Flasche, die der Sensor als „einwandfrei“ eingestuft hat, ist in Wahrheit fehlerfrei. (5) Eine tatsächlich beschädigte Flasche wird vom Sensor korrekt erkannt. (6) Eine Flasche, bei der der Sensor Alarm schlägt, ist eigentlich ohne Riss. b) Der Fabrikleiter möchte zwei Ziele erreichen: Erstens sollen keine defekten Flaschen an Kunden ausgeliefert werden. Zweitens soll der Ausschuss von eigentlich guten Flaschen minimiert werden. Erläutere, welche Wahrscheinlichkeiten aus Teil a) für das jeweilige Ziel möglichst groß bzw. klein sein sollten.

Denkanstöße

- Achte genau darauf, welche Bedingung im Text zuerst genannt wird – das ist die Gruppe, auf die wir uns beziehen (der Index an der Wahrscheinlichkeit \(P\)). - Überlege, was „Ausschuss“ in diesem Kontext bedeutet: Welche Kombination aus tatsächlichem Zustand und Sensormeldung führt dazu, dass eine gute Flasche weggeworfen wird? - Wie gelangen Flaschen zum Kunden? Nur wenn der Sensor „kein Defekt“ meldet. Was darf in diesem Fall nicht vorliegen?

Lösung

1. Zuordnung der Notationen: (1) \(P_R(\bar{S})\), (2) \(P_{\bar{R}}(S)\), (3) \(P_S(R)\), (4) \(P_{\bar{S}}(\bar{R})\), (5) \(P_R(S)\), (6) \(P_S(\bar{R})\). 2. Analyse Ziel 1 (keine defekten Flaschen beim Kunden): Kunden erhalten Flaschen, die als einwandfrei eingestuft wurden (\(\bar{S}\)). Damit diese nicht defekt sind, muss \(P_{\bar{S}}(R)\) minimal (nahe \(0\)) oder die Sicherheit \(P_{\bar{S}}(\bar{R})\) maximal (nahe \(1\)) sein. Alternativ muss die Erkennungsrate \(P_R(S)\) möglichst groß sein. 3. Analyse Ziel 2 (Ausschuss minimieren): Ausschuss entsteht, wenn gute Flaschen (\(\bar{R}\)) als defekt gemeldet werden (\(S\)). Daher muss \(P_{\bar{R}}(S)\) möglichst klein sein.

Antwort

a) (1) \(P_R(\bar{S})\); (2) \(P_{\bar{R}}(S)\); (3) \(P_S(R)\); (4) \(P_{\bar{S}}(\bar{R})\); (5) \(P_R(S)\); (6) \(P_S(\bar{R})\). b) Um keine defekten Flaschen auszuliefern, sollte die Erkennungsrate \(P_R(S)\) (5) möglichst groß bzw. die Fehlerrate \(P_R(\bar{S})\) (1) möglichst klein sein. Um den unnötigen Ausschuss zu minimieren, sollte die Wahrscheinlichkeit für einen Fehlalarm \(P_{\bar{R}}(S)\) (2) möglichst klein sein.
42212711
Ein Diagnoseverfahren zur Früherkennung einer Stoffwechselstörung weist eine Sensitivität von \(98\,\%\) und eine Spezifität von \(96\,\%\) auf. Die Ereignisse sind \(S\): „Die Person hat die Stoffwechselstörung“ und \(P\): „Das Testergebnis ist positiv“. a) Berechne die Wahrscheinlichkeit, dass eine positiv getestete Person tatsächlich erkrankt ist, wenn die Prävalenz (Anteil der Erkrankten in der Bevölkerung) bei \(0{,}5\,\%\) liegt. b) Ermittle die Wahrscheinlichkeit für eine Erkrankung bei positivem Test unter der Annahme, dass die Prävalenz auf \(5\,\%\) ansteigt. c) Vergleiche die Ergebnisse aus a) und b) und erläutere kurz den Einfluss der Prävalenz auf die Aussagekraft eines positiven Testergebnisses.

Denkanstöße

- Stelle die Situation in einem Baumdiagramm dar. - Welche Pfade führen zu einem positiven Testergebnis? - Überlege, was genau gesucht ist: Die Wahrscheinlichkeit der Krankheit unter der Bedingung, dass der Test positiv war. - Wie verändern sich die Anteile im Baumdiagramm, wenn die Grundhäufigkeit der Krankheit steigt?

Lösung

1. Berechnung der Wahrscheinlichkeit für ein positives Testergebnis bei einer Prävalenz von \(P(S) = 0{,}005\): \(P(P) = P(P|S) \cdot P(S) + P(P|\bar{S}) \cdot P(\bar{S}) = 0{,}98 \cdot 0{,}005 + 0{,}04 \cdot 0{,}995 = 0{,}0447\). 2. Berechnung der bedingten Wahrscheinlichkeit \(P(S|P) = \frac{P(P|S) \cdot P(S)}{P(P)} = \frac{0{,}0049}{0{,}0447} \approx 0{,}1096\). 3. Berechnung für eine Prävalenz von \(P(S) = 0{,}05\): \(P(P) = 0{,}98 \cdot 0{,}05 + 0{,}04 \cdot 0{,}95 = 0{,}087\). 4. Berechnung der bedingten Wahrscheinlichkeit \(P(S|P) = \frac{0{,}049}{0{,}087} \approx 0{,}5632\). 5. Vergleich und Interpretation: Der positive Vorhersagewert steigt mit zunehmender Prävalenz massiv an (von ca. \(11\,\%\) auf ca. \(56\,\%\)). Bei einer sehr geringen Prävalenz ist die Wahrscheinlichkeit für ein falsch-positives Ergebnis im Vergleich zu den echt-positiven Fällen sehr hoch, was die Aussagekraft eines positiven Tests mindert.

Antwort

a) Die Wahrscheinlichkeit beträgt ca. \(11{,}0\,\%\). b) Die Wahrscheinlichkeit beträgt ca. \(56{,}3\,\%\). c) Mit steigender Prävalenz nimmt die Zuverlässigkeit eines positiven Testergebnisses deutlich zu, da das Verhältnis von richtig-positiven zu falsch-positiven Ergebnissen günstiger wird.
42212811
Bei einer Untersuchung auf eine bestimmte Allergie wird ein Test mit einer Sensitivität von \(90\,\%\) und einer Spezifität von \(95\,\%\) eingesetzt. In einer Gruppe von \(10\,000\) Personen leiden erfahrungsgemäß \(2\,\%\) unter dieser Allergie. a) Stelle die absoluten Häufigkeiten für diese Personengruppe in einer Vierfeldertafel dar. b) Bestimme die Wahrscheinlichkeit dafür, dass eine Person gesund ist, obwohl der Test positiv ausfällt. c) Bestimme die Wahrscheinlichkeit dafür, dass eine Person die Allergie hat, obwohl der Test negativ ausfällt.

Denkanstöße

- Beginne damit, die Gesamtzahl der Personen auf die Kategorien „Allergie“ und „keine Allergie“ aufzuteilen. - Nutze die Prozentangaben des Tests, um die vier inneren Felder der Tabelle mit absoluten Zahlen zu füllen. - Achte bei den Fragen b) und c) genau darauf, auf welche Teilgruppe (die positiv Getesteten oder die negativ Getesteten) sich die Wahrscheinlichkeit bezieht.

Lösung

1. Erstellung der Vierfeldertafel für \(10\,000\) Personen: Allergiker (\(A\)) sind \(2\,\%\) von \(10\,000 = 200\), Nicht-Allergiker (\(\bar{A}\)) sind \(9800\). 2. Richtig-positiv (\(T \cap A\)): \(200 \cdot 0{,}90 = 180\). Falsch-negativ (\(\bar{T} \cap A\)): \(200 - 180 = 20\). 3. Richtig-negativ (\(\bar{T} \cap \bar{A}\)): \(9800 \cdot 0{,}95 = 9310\). Falsch-positiv (\(T \cap \bar{A}\)): \(9800 - 9310 = 490\). 4. Summen bilden: Test positiv (\(T\)): \(180 + 490 = 670\). Test negativ (\(\bar{T}\)): \(20 + 9310 = 9330\). 5. Wahrscheinlichkeit gesund bei positivem Test: \(P(\bar{A}|T) = \frac{490}{670} \approx 0{,}7313\). 6. Wahrscheinlichkeit allergisch bei negativem Test: \(P(A|\bar{T}) = \frac{20}{9330} \approx 0{,}0021\).

Antwort

a) Vierfeldertafel: <table> <tr><td></td><td>Allergie (\(A\))</td><td>Keine Allergie (\(\bar{A}\))</td><td>Gesamt</td></tr> <tr><td>Test positiv (\(T\))</td><td>180</td><td>490</td><td>670</td></tr> <tr><td>Test negativ (\(\bar{T}\))</td><td>20</td><td>9310</td><td>9330</td></tr> <tr><td>Gesamt</td><td>200</td><td>9800</td><td>\(10\,000\)</td></tr> </table> b) Die Wahrscheinlichkeit beträgt ca. \(73{,}1\,\%\). c) Die Wahrscheinlichkeit beträgt ca. \(0{,}2\,\%\).
42213311
Ein Unternehmen führt für seine \(20\,000\) Mitarbeitenden einen Schnelltest auf eine seltene allergische Reaktion (\(A\)) durch. Es ist bekannt, dass etwa \(1\,\%\) der Belegschaft diese Reaktion zeigt. Der Test identifiziert Personen mit der Reaktion in \(98\,\%\) der Fälle korrekt mit einem positiven Ergebnis (\(pos\)). Bei Personen ohne diese Reaktion gibt der Test jedoch in \(3\,\%\) der Fälle fälschlicherweise ebenfalls ein positives Ergebnis aus. a) Bestimme die Wahrscheinlichkeit dafür, dass ein zufällig ausgewählter Mitarbeitender ein positives Testergebnis erhält. b) Berechne die Wahrscheinlichkeit \(P(A|pos)\) und interpretiere das Ergebnis im Sachzusammenhang. c) Untersuche die Ereignisse \(A\) und \(pos\) auf stochastische Unabhängigkeit. d) Erläutere, warum der Anteil der Personen, die positiv getestet wurden, aber keine Reaktion \(A\) haben, an allen positiven Testergebnissen in diesem Fall so hoch ist.

Denkanstöße

- Stelle die Situation in einem Baumdiagramm dar, um die Pfade zu visualisieren. - Überlege, welche Pfade zu einem positiven Testergebnis führen. - Was bedeutet es für die Abhängigkeit, wenn das Eintreten eines Tests die Wahrscheinlichkeit für das Vorliegen der Allergie verändert? - Vergleiche die absoluten Anteile der „richtig positiven“ und „falsch positiven“ Pfade im Baumdiagramm.

Lösung

1. Berechnung der Gesamtwahrscheinlichkeit für ein positives Testergebnis mittels des Satzes der totalen Wahrscheinlichkeit: \(P(pos) = P(A) \cdot P(pos|A) + P(\bar{A}) \cdot P(pos|\bar{A}) = 0{,}01 \cdot 0{,}98 + 0{,}99 \cdot 0{,}03 = 0{,}0098 + 0{,}0297 = 0{,}0395\). 2. Berechnung der bedingten Wahrscheinlichkeit \(P(A|pos)\) mit der Bayes-Formel: \(P(A|pos) = \frac{P(A \cap pos)}{P(pos)} = \frac{0{,}0098}{0{,}0395} \approx 0{,}2481\). Interpretation: Von allen Personen mit positivem Testergebnis weisen tatsächlich nur etwa \(24{,}8\,\%\) die allergische Reaktion auf. 3. Prüfung auf Unabhängigkeit: \(P(A) \cdot P(pos) = 0{,}01 \cdot 0{,}0395 = 0{,}000395\). Da \(P(A \cap pos) = 0{,}0098 \neq 0{,}000395\), sind die Ereignisse stochastisch abhängig. 4. Erläuterung: Da die Reaktion in der Bevölkerung sehr selten ist (\(1\,\%\)), ist die Gruppe der Personen ohne Reaktion (\(99\,\%\)) sehr groß. Selbst eine kleine Fehlerquote von \(3\,\%\) führt in dieser großen Gruppe zu einer absolut höheren Anzahl an (falsch-)positiven Ergebnissen (\(0{,}0297\)) als die korrekten positiven Ergebnisse in der kleinen Gruppe der Allergiker (\(0{,}0098\)).

Antwort

a) \(P(pos) = 0{,}0395\) (oder \(3{,}95\,\%\)). b) \(P(A|pos) \approx 0{,}2481\); nur etwa jede vierte positiv getestete Person hat die Reaktion tatsächlich. c) Die Ereignisse sind stochastisch abhängig, da \(P(A \cap pos) \neq P(A) \cdot P(pos)\). d) Die geringe Basisrate der Allergie (\(1\,\%\)) führt dazu, dass die \(3\,\%\) Fehlerrate bei den \(99\,\%\) Nicht-Allergikern schwerer ins Gewicht fällt als die hohe Trefferquote bei den wenigen Allergikern.
42213711
Ein neuartiger Schnelltest für eine bestimmte Infektionskrankheit wird in einer Studie untersucht. Es ist bekannt, dass etwa \(8\,\%\) der Bevölkerung diese Infektion tragen (Ereignis \(K\)). Der Test liefert bei einer infizierten Person mit einer Wahrscheinlichkeit von \(95\,\%\) ein positives Ergebnis (Ereignis \(T\)). Bei einer gesunden Person zeigt der Test jedoch in \(3\,\%\) der Fälle fälschlicherweise ebenfalls ein positives Ergebnis an. a) Erstelle eine Vierfeldertafel mit absoluten Häufigkeiten für eine Gruppe von \(10\,000\) Personen. b) Eine Person wird zufällig ausgewählt und erhält ein positives Testergebnis. Berechne die Wahrscheinlichkeit \(P_T(K)\), dass diese Person tatsächlich infiziert ist. c) Bestimme die Wahrscheinlichkeit dafür, dass (1) eine Person infiziert ist, der Test aber negativ ausfällt. (2) eine Person gesund ist, wenn ihr Testergebnis negativ ist. d) In einer Teststation erhalten \(500\) Personen ein positives Ergebnis. Wie viele dieser Personen sind statistisch gesehen gesund?

Denkanstöße

- Stelle die gegebenen Anteile und bedingten Wahrscheinlichkeiten zunächst übersichtlich dar. - Überlege dir für die Vierfeldertafel, wie viele Personen insgesamt infiziert sind und wie viele davon positiv getestet werden. - Achte bei den bedingten Wahrscheinlichkeiten genau darauf, welche Information bereits bekannt ist (die Bedingung) und was gesucht wird. - Nutze für die Berechnung der Teilgruppe in d) die entsprechende bedingte Wahrscheinlichkeit aus den vorherigen Schritten.

Lösung

1. Berechnung der absoluten Häufigkeiten für \(N = 10\,000\): - Infizierte (\(K\)): \(0{,}08 \cdot 10\,000 = 800\) - Gesunde (\(\bar{K}\)): \(10\,000 - 800 = 9\,200\) - Richtig positiv (\(K \cap T\)): \(0{,}95 \cdot 800 = 760\) - Falsch negativ (\(K \cap \bar{T}\)): \(800 - 760 = 40\) - Falsch positiv (\(\bar{K} \cap T\)): \(0{,}03 \cdot 9\,200 = 276\) - Richtig negativ (\(\bar{K} \cap \bar{T}\)): \(9\,200 - 276 = 8\,924\) - Gesamt positiv (\(T\)): \(760 + 276 = 1\,036\) - Gesamt negativ (\(\bar{T}\)): \(40 + 8\,924 = 8\,964\) 2. Berechnung von \(P_T(K)\): \(P_T(K) = \frac{n(K \cap T)}{n(T)} = \frac{760}{1\,036} \approx 0{,}7336\) (oder \(73{,}36\,\%\)). 3. Wahrscheinlichkeiten für Teil c: - (1) \(P(K \cap \bar{T}) = \frac{40}{10\,000} = 0{,}004\) (oder \(0{,}4\,\%\)). - (2) \(P_{\bar{T}}(\bar{K}) = \frac{n(\bar{K} \cap \bar{T})}{n(\bar{T})} = \frac{8\,924}{8\,964} \approx 0{,}9955\) (oder \(99{,}55\,\%\)). 4. Anzahl der gesunden Personen unter \(500\) positiv Getesteten: - Wahrscheinlichkeit, gesund zu sein trotz positivem Test: \(P_T(\bar{K}) = 1 - P_T(K) = \frac{276}{1\,036} \approx 0{,}2664\). - Erwartete Anzahl: \(500 \cdot 0{,}2664 \approx 133{,}2\), also etwa \(133\) Personen.

Antwort

a) <table border="1"> <tr><td></td><td>\(T\)</td><td>\(\bar{T}\)</td><td>Summe</td></tr> <tr><td>\(K\)</td><td>\(760\)</td><td>\(40\)</td><td>\(800\)</td></tr> <tr><td>\(\bar{K}\)</td><td>\(276\)</td><td>\(8\,924\)</td><td>\(9\,200\)</td></tr> <tr><td>Summe</td><td>\(1\,036\)</td><td>\(8\,964\)</td><td>\(10\,000\)</td></tr> </table> b) \(P_T(K) \approx 0{,}7336\) c) (1) \(P(K \cap \bar{T}) = 0{,}004\); (2) \(P_{\bar{T}}(\bar{K}) \approx 0{,}9955\) d) Etwa \(133\) Personen.
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Ein Logistikunternehmen nutzt eine automatisierte Scan-Station, um Pakete auf Transportschäden zu prüfen. Statistisch gesehen sind \(2\,\%\) aller Pakete beschädigt (Ereignis \(B\)). Der Scanner erkennt ein beschädigtes Paket mit einer Wahrscheinlichkeit von \(94\,\%\) und gibt Alarm (Ereignis \(S\)). Bei einem unbeschädigten Paket gibt das Gerät in \(4\,\%\) der Fälle fälschlicherweise ebenfalls einen Alarm aus. a) Berechne die Wahrscheinlichkeit dafür, dass bei einem zufällig ausgewählten Paket der Scanner Alarm gibt. b) Mit welcher Wahrscheinlichkeit ist ein Paket, bei dem der Scanner Alarm gibt, tatsächlich beschädigt? c) Bestimme die Wahrscheinlichkeit dafür, dass ein Paket, bei dem der Scanner keinen Alarm gibt, dennoch beschädigt ist. d) Von \(200\) Paketen, die vom Scanner als „beschädigt“ markiert wurden, werden wie viele voraussichtlich in Wirklichkeit unbeschädigt sein?

Denkanstöße

- Überlege dir zuerst, auf welchen zwei Wegen ein Alarm ausgelöst werden kann (echter Schaden oder Fehlalarm). - Die bedingte Wahrscheinlichkeit \(P(A|B)\) ist nicht dasselbe wie \(P(B|A)\). Nutze die Definition der bedingten Wahrscheinlichkeit oder ein Baumdiagramm. - Für die letzte Teilaufgabe musst du wissen, welcher Anteil der „Alarme“ auf unbeschädigte Pakete entfällt.

Lösung

1. Gegebene Werte: \(P(B) = 0{,}02\), \(P(\bar{B}) = 0{,}98\), \(P(S|B) = 0{,}94\), \(P(S|\bar{B}) = 0{,}04\). 2. Berechnung von \(P(S)\) (Satz der totalen Wahrscheinlichkeit): \(P(S) = P(B) \cdot P(S|B) + P(\bar{B}) \cdot P(S|\bar{B}) = 0{,}02 \cdot 0{,}94 + 0{,}98 \cdot 0{,}04 = 0{,}0188 + 0{,}0392 = 0{,}058\). 3. Berechnung von \(P(B|S)\) (Bayes): \(P(B|S) = \frac{P(B \cap S)}{P(S)} = \frac{0{,}0188}{0{,}058} \approx 0{,}3241\). 4. Berechnung von \(P(B|\bar{S})\): \(P(\bar{S}) = 1 - 0{,}058 = 0{,}942\). \(P(B \cap \bar{S}) = P(B) \cdot P(\bar{S}|B) = 0{,}02 \cdot 0{,}06 = 0{,}0012\). \(P(B|\bar{S}) = \frac{0{,}0012}{0{,}942} \approx 0{,}00127\). 5. Anzahl der unbeschädigten Pakete unter den markierten (\(n = 200\)): \(P(\bar{B}|S) = 1 - P(B|S) = \frac{0{,}0392}{0{,}058} \approx 0{,}6759\). Erwartete Anzahl: \(200 \cdot 0{,}6759 \approx 135{,}18\).

Antwort

a) \(P(S) = 0{,}058\) (oder \(5{,}8\,\%\)) b) \(P(B|S) \approx 0{,}3241\) (oder \(32{,}41\,\%\)) c) \(P(B|\bar{S}) \approx 0{,}00127\) (oder \(0{,}127\,\%\)) d) Etwa \(135\) Pakete.

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