Aimathic
Login | English | Deutsch

Kostenlose Arbeitsblätter

Stellen Sie aus rund 20.000 Matheaufgaben Ihre eigenen Arbeitsblätter zusammen, von der 3. bis zur 13. Klasse. Alle Aufgaben enthalten Lösungsschritte.

Symmetrische Wahrscheinlichkeitsintervalle

Klicken Sie auf Aufgaben, um sie zum Drucken auszuwählen.

42520513
Eine Zufallsgröße \(X\) ist normalverteilt mit dem Erwartungswert \(\mu = 500\) und der Standardabweichung \(\sigma = 50\). Gib aufgrund der Symmetrieeigenschaften der Normalverteilung zu jedem der folgenden Intervalle ein weiteres Intervall an, sodass die Zufallsgröße \(X\) Werte aus dem gegebenen und dem neuen Intervall mit der exakt gleichen Wahrscheinlichkeit annimmt. a) \(]500; 560[\) b) \(]430; 480[\) c) \(]525; +\infty[\) d) \(]380; 420[\)

Denkanstöße

- Überlege dir, an welcher Stelle die Glockenkurve der Normalverteilung symmetrisch ist. - Wie kannst du einen Wert \(x\) an einem Zentrum \(\mu\) spiegeln? - Wenn ein Bereich rechts vom Mittelwert liegt, wo muss der flächengleiche Bereich auf der linken Seite liegen? - Skizziere dir eine Glockenkurve und markiere die gegebenen Intervalle, um die Lage der gesuchten Intervalle zu visualisieren.

Lösung

Die Dichtefunktion einer Normalverteilung ist achsensymmetrisch zur Geraden \(x = \mu\). Ein Intervall \(]a; b[\) hat daher dieselbe Wahrscheinlichkeit wie das an \(\mu\) gespiegelte Intervall \(]\mu - (b - \mu); \mu + (\mu - a)[\), was vereinfacht \(]2\mu - b; 2\mu - a[\) entspricht. Mit \(\mu = 500\) ergeben sich: 1. Für \(]500; 560[\): Das gespiegelte Intervall ist \(]500 - (560 - 500); 500[ = ]440; 500[\). 2. Für \(]430; 480[\): Die Grenzen haben die Abstände \(70\) und \(20\) links von \(\mu\). Die Spiegelung nach rechts ergibt \(]500 + 20; 500 + 70[ = ]520; 570[\). 3. Für \(]525; +\infty[\): Der Abstand der unteren Grenze zu \(\mu\) ist \(25\). Das symmetrische Intervall liegt links von \(\mu - 25 = 475\), also \(]-\infty; 475[\). 4. Für \(]380; 420[\): Die Abstände zu \(\mu\) sind \(120\) und \(80\) nach links. Die Spiegelung nach rechts ergibt \(]500 + 80; 500 + 120[ = ]580; 620[\).

Antwort

a) \(]440; 500[\) b) \(]520; 570[\) c) \(]-\infty; 475[\) d) \(]580; 620[\)
42520613
Für eine normalverteilte Zufallsgröße \(X\) mit dem Erwartungswert \(\mu\) ist bekannt, dass die Ereignisse \(X < 145\) und \(X > 155\) mit der gleichen Wahrscheinlichkeit eintreten. a) Bestimme den Erwartungswert \(\mu\). b) Gib zum Intervall \(]150; 153[\) ein weiteres Intervall an, das die gleiche Wahrscheinlichkeit besitzt. c) Bestimme ein Intervall der Form \(]-\infty; k[\), das dieselbe Wahrscheinlichkeit wie das Intervall \(]158; +\infty[\) besitzt.

Denkanstöße

- Nutze die Eigenschaft, dass die Wahrscheinlichkeiten links und rechts vom Erwartungswert symmetrisch verteilt sind. - Wenn zwei äußere Bereiche die gleiche Fläche unter der Kurve haben, was sagt das über ihre Lage zum Mittelpunkt aus? - Verwende den in Aufgabenteil a) berechneten Erwartungswert als Spiegelachse für die weiteren Aufgabenteile.

Lösung

1. Da die Normalverteilung symmetrisch zum Erwartungswert \(\mu\) ist und \(P(X < 145) = P(X > 155)\) gilt, muss \(\mu\) genau in der Mitte der Werte \(145\) und \(155\) liegen. Es gilt \(\mu = \frac{145 + 155}{2} = 150\). 2. Um ein Intervall mit gleicher Wahrscheinlichkeit wie \(]150; 153[\) zu finden, spiegelt man die Grenzen an \(\mu = 150\). Die obere Grenze \(153\) hat einen Abstand von \(3\) zu \(\mu\). Die Spiegelung ergibt \(150 - 3 = 147\). Das Intervall lautet somit \(]147; 150[\). 3. Das Intervall \(]158; +\infty[\) beginnt bei \(158\), was einen Abstand von \(8\) rechts von \(\mu = 150\) bedeutet. Das symmetrische Ereignis auf der linken Seite ist der Bereich links von \(\mu - 8 = 142\). Somit ist \(k = 142\) und das Intervall lautet \(]-\infty; 142[\).

Antwort

a) \(\mu = 150\) b) \(]147; 150[\) c) \(]-\infty; 142[\)
42522713
Die Füllmenge von Mineralwasserflaschen wird als normalverteilte Zufallsgröße \(X\) mit einer Standardabweichung von \(\sigma = 8\,\text{ml}\) modelliert. Berechne die Wahrscheinlichkeit dafür, dass der Inhalt einer zufällig ausgewählten Flasche um höchstens \(12\,\text{ml}\) vom Erwartungswert \(\mu\) abweicht.

Denkanstöße

- Überlege dir, wie man eine Abweichung vom Erwartungswert mathematisch als Betrag oder als Intervall ausdrückt. - Wie hängen die Grenzen des Intervalls mit der Standardabweichung zusammen, wenn man zur Standardnormalverteilung übergeht? - Nutze die Symmetrie der Glockenkurve aus, um die Rechnung zu vereinfachen. - Welche Wahrscheinlichkeit liegt zwischen \(-z\) und \(z\) bei einer Standardnormalverteilung?

Lösung

1. Identifikation der Aufgabenstellung als Berechnung der Wahrscheinlichkeit eines symmetrischen Intervalls um den Erwartungswert: \(P(\mu - 12 \le X \le \mu + 12)\). 2. Standardisierung der Zufallsgröße unter Verwendung von \(Z = \frac{X - \mu}{\sigma}\) führt auf die Grenzen \(z_1 = \frac{-12}{8} = -1{,}5\) und \(z_2 = \frac{12}{8} = 1{,}5\). 3. Anwendung der Symmetrieeigenschaft der Standardnormalverteilung: \(P(-1{,}5 \le Z \le 1{,}5) = \Phi(1{,}5) - \Phi(-1{,}5) = 2 \cdot \Phi(1{,}5) - 1\). 4. Nachschlagen des Werts für die Verteilungsfunktion: \(\Phi(1{,}5) = 0{,}9332\). 5. Berechnung des Endergebnisses: \(2 \cdot 0{,}9332 - 1 = 0{,}8664\).

Antwort

Die Wahrscheinlichkeit beträgt \(86{,}64\,\%\).
42525513
Ein Unternehmen versendet Pakete, deren Gewicht als normalverteilt mit einer Standardabweichung von \(2{,}5\,\text{kg}\) angenommen werden kann. Bestimme die Wahrscheinlichkeit dafür, dass das Gewicht eines zufällig ausgewählten Pakets um höchstens \(4\,\text{kg}\) vom Erwartungswert abweicht.

Denkanstöße

- Überlege dir zuerst, wie das Intervall der Gewichte aussieht, wenn es höchstens um einen bestimmten Wert vom Mittelwert abweicht. - Wie rechnet man eine allgemeine Normalverteilung in die Standardnormalverteilung um? - Erinnere dich an die Symmetrie der Normalverteilung: Wie hängen \(P(Z \le k)\) und \(P(Z \le -k)\) zusammen? - Du benötigst eine Tabelle der Standardnormalverteilung oder eine entsprechende Taschenrechnerfunktion.

Lösung

1. Identifikation der gegebenen Größen: Standardabweichung \(\sigma = 2{,}5\) und maximale Abweichung \(d = 4\). 2. Aufstellen des Wahrscheinlichkeitsausdrucks für das symmetrische Intervall um den Erwartungswert \(\mu\): \(P(\mu - 4 \le X \le \mu + 4) = P(|X - \mu| \le 4)\). 3. Transformation in die Standardnormalverteilung (z-Transformation): \(P\left(\frac{-4}{2{,}5} \le Z \le \frac{4}{2{,}5}\right) = P(-1{,}6 \le Z \le 1{,}6)\). 4. Nutzung der Symmetrieeigenschaft der Standardnormalverteilung: \(\Phi(1{,}6) - \Phi(-1{,}6) = 2 \cdot \Phi(1{,}6) - 1\). 5. Einsetzen des Tabellenwerts \(\Phi(1{,}6) = 0{,}9452\): \(2 \cdot 0{,}9452 - 1 = 0{,}8904\).

Antwort

Die Wahrscheinlichkeit beträgt \(0{,}8904\) (bzw. \(89{,}04\,\%\)).
42525613
Gegeben ist eine normalverteilte Zufallsgröße \(X\) mit dem Erwartungswert \(\mu\) und der Standardabweichung \(\sigma\). Berechne die Wahrscheinlichkeit dafür, dass ein Wert von \(X\) innerhalb der \(0{,}75\sigma\)-Umgebung um den Erwartungswert liegt. Gib das Ergebnis in Prozent an.

Denkanstöße

- Was bedeutet der Ausdruck „\(k\cdot\sigma\)-Umgebung“ für die Grenzen deines Intervalls bezogen auf den Erwartungswert? - Bei der Umrechnung in die \(z\)-Skala (Standardisierung) kürzen sich \(\mu\) und \(\sigma\) in diesem speziellen Fall heraus. - Wie lässt sich die Wahrscheinlichkeit für ein symmetrisches Intervall um Null allein mit der Funktion \(\Phi\) ausdrücken? - Achte darauf, das Endergebnis wie gefordert in Prozent anzugeben.

Lösung

1. Definition der \(0{,}75\sigma\)-Umgebung: Das gesuchte Intervall lautet \([\mu - 0{,}75\sigma; \mu + 0{,}75\sigma]\). 2. Ansatz für die Wahrscheinlichkeit: \(P(\mu - 0{,}75\sigma \le X \le \mu + 0{,}75\sigma)\). 3. Standardisierung durch die Transformation \(Z = \frac{X - \mu}{\sigma}\): Die Grenzen des Intervalls werden zu \(\frac{(\mu \pm 0{,}75\sigma) - \mu}{\sigma} = \pm 0{,}75\). 4. Berechnung über die Verteilungsfunktion \(\Phi\) der Standardnormalverteilung: \(P(-0{,}75 \le Z \le 0{,}75) = \Phi(0{,}75) - \Phi(-0{,}75) = 2 \cdot \Phi(0{,}75) - 1\). 5. Verwendung des Tabellenwerts \(\Phi(0{,}75) \approx 0{,}7734\): \(2 \cdot 0{,}7734 - 1 = 0{,}5468\).

Antwort

Die Wahrscheinlichkeit beträgt ca. \(54{,}68\,\%\).
42531913
In der Qualitätssicherung wird oft untersucht, in welchem symmetrischen Bereich um den Erwartungswert ein bestimmter Anteil der Messwerte liegt. a) Bestimme für eine standardnormalverteilte Zufallsgröße \(Z\) durch Nachschlagen in einer Tabelle oder durch Probieren eine auf zwei Nachkommastellen gerundete Zahl \(k\) so, dass \(P(-k \le Z \le k) \approx 0{,}70\) gilt. b) Das Gewicht \(G\) von Mehlpackungen in einer Abfüllanlage ist normalverteilt mit dem Erwartungswert \(\mu = 1000\,\text{g}\) und der Standardabweichung \(\sigma = 6\,\text{g}\). Bestimme unter Verwendung des Wertes \(k\) aus Teilaufgabe a) ein um \(\mu\) symmetrisches Intervall, in dem ca. \(70\,\%\) der Packungsgewichte liegen.

Denkanstöße

- Überlege dir, wie man die Wahrscheinlichkeit eines symmetrischen Intervalls mithilfe der Verteilungsfunktion \(\Phi\) ausdrückt. - Welchen Wert muss die Verteilungsfunktion an der oberen Grenze annehmen, damit in der Mitte \(70\,\%\) der Fläche liegen? - Wie hängen die Grenzen eines Intervalls bei einer allgemeinen Normalverteilung mit denen der Standardnormalverteilung zusammen?

Lösung

1. Für die Standardnormalverteilung gilt \(P(-k \le Z \le k) = \Phi(k) - \Phi(-k) = 2\Phi(k) - 1\). Setzt man dies gleich \(0{,}70\), ergibt sich \(2\Phi(k) = 1{,}70\), also \(\Phi(k) = 0{,}85\). 2. Aus der Tabelle der Standardnormalverteilung (oder durch Probieren) findet man für \(\Phi(k) = 0{,}85\) den Wert \(k \approx 1{,}04\). 3. Für eine beliebig normalverteilte Zufallsgröße \(G \sim N(\mu; \sigma)\) liegt das symmetrische \(70\,\%\)-Intervall bei \([\mu - k \cdot \sigma; \mu + k \cdot \sigma]\). 4. Einsetzen der Werte: \(1000 \pm 1{,}04 \cdot 6 = 1000 \pm 6{,}24\). 5. Das Intervall lautet somit \([993{,}76\,\text{g}; 1006{,}24\,\text{g}]\).

Antwort

a) \(k \approx 1{,}04\) b) Das Intervall ist \([993{,}76\,\text{g}; 1006{,}24\,\text{g}]\).
43112113
Ein Pharmaunternehmen produziert Tabletten, bei denen der Wirkstoffgehalt in \(15\,\%\) der Fälle leicht über dem Zielwert liegt. In einer Charge werden \(n = 600\) Tabletten untersucht. Bestimme den Radius \(r\) der symmetrischen Umgebung um den Erwartungswert \(\mu\), in der die Anzahl dieser Tabletten mit einer Wahrscheinlichkeit von ca. \(95\,\%\) liegt. Nutze die Näherung durch die Normalverteilung.

Denkanstöße

- Überlege zuerst, wie viele Tabletten man im Durchschnitt mit erhöhtem Wirkstoffgehalt erwartet. - Wie kannst du die Streuung der Ergebnisse um diesen Durchschnittswert berechnen? - Welche Kennzahl aus der Normalverteilung gehört zu einer Wahrscheinlichkeit von \(95\,\%\)? - Der Radius ergibt sich aus dem Produkt dieser Kennzahl und der Standardabweichung.

Lösung

1. Berechnung des Erwartungswerts: \(\mu = n \cdot p = 600 \cdot 0{,}15 = 90\). 2. Berechnung der Standardabweichung: \(\sigma = \sqrt{n \cdot p \cdot (1 - p)} = \sqrt{600 \cdot 0{,}15 \cdot 0{,}85} = \sqrt{76{,}5} \approx 8{,}746\). 3. Bestimmung des \(k\)-Werts für eine Wahrscheinlichkeit von \(95\,\%\): Aus der Tabelle der Standardnormalverteilung (oder den \(\sigma\)-Regeln) ergibt sich für \(P(\mu - k\sigma \le X \le \mu + k\sigma) \approx 0{,}95\) der Wert \(k \approx 1{,}96\). 4. Berechnung des Radius: \(r = k \cdot \sigma = 1{,}96 \cdot 8{,}746 \approx 17{,}142\).

Antwort

Der Radius der Umgebung beträgt etwa \(17{,}14\).
43113913
Bestimme für die folgenden binomialverteilten Zufallsgrößen \(X\) jeweils die angegebene symmetrische Umgebung um den Erwartungswert \(\mu\) unter Verwendung der Normalverteilung als Näherung. a) \(n = 600; p = 0{,}2\) (gesucht: \(90\,\%\)-Umgebung) b) \(n = 400; p = 0{,}7\) (gesucht: \(95\,\%\)-Umgebung)

Denkanstöße

- Welche Kennzahlen einer Binomialverteilung benötigst du, um die Lage und Streuung der Verteilung zu beschreiben? - Welche Faktoren (Sigma-Regeln) gehören zu den Wahrscheinlichkeiten \(90\,\%\) und \(95\,\%\)? - Wie ist ein symmetrisches Intervall um den Erwartungswert allgemein aufgebaut? - Überprüfe, ob die Laplace-Bedingung (\(\sigma > 3\)) erfüllt ist, damit die Näherung durch die Normalverteilung zulässig ist.

Lösung

1. Berechnung für Teilaufgabe a): Erwartungswert \(\mu = n \cdot p = 600 \cdot 0{,}2 = 120\). Standardabweichung \(\sigma = \sqrt{n \cdot p \cdot (1-p)} = \sqrt{120 \cdot 0{,}8} = \sqrt{96} \approx 9{,}798\). Für die \(90\,\%\)-Umgebung wird der Faktor \(k \approx 1{,}64\) verwendet. Intervallgrenzen: \(120 \pm 1{,}64 \cdot 9{,}798 \approx 120 \pm 16{,}07\). Ergebnis: \([103{,}93; 136{,}07]\). 2. Berechnung für Teilaufgabe b): Erwartungswert \(\mu = n \cdot p = 400 \cdot 0{,}7 = 280\). Standardabweichung \(\sigma = \sqrt{400 \cdot 0{,}7 \cdot 0{,}3} = \sqrt{84} \approx 9{,}165\). Für die \(95\,\%\)-Umgebung wird der Faktor \(k \approx 1{,}96\) verwendet. Intervallgrenzen: \(280 \pm 1{,}96 \cdot 9{,}165 \approx 280 \pm 17{,}96\). Ergebnis: \([262{,}04; 297{,}96]\).

Antwort

a) \([103{,}93; 136{,}07]\) b) \([262{,}04; 297{,}96]\)
43114013
Gegeben ist eine binomialverteilte Zufallsgröße \(X\) mit den Parametern \(n = 1\,250\) und \(p = 0{,}16\). a) Ermittle die \(95\,\%\)-Umgebung des Erwartungswerts \(\mu\) mithilfe der Normalverteilung. b) Entscheide ohne weitere Rechnung, ob eine \(99\,\%\)-Umgebung desselben Erwartungswerts breiter oder schmaler als die \(95\,\%\)-Umgebung wäre. Begründe deine Entscheidung kurz.

Denkanstöße

- Bestimme zuerst den Mittelpunkt und die Streuung der Verteilung. - Welchen speziellen Wert für \(k\) nutzt man bei der \(95\,\%\)-Sicherheitswahrscheinlichkeit? - Überlege dir für den zweiten Teil, wie sich die Fläche unter der Glockenkurve verändert, wenn das Intervall mehr Wahrscheinlichkeit einschließen soll.

Lösung

1. Berechnung zu a): Erwartungswert \(\mu = 1\,250 \cdot 0{,}16 = 200\). Standardabweichung \(\sigma = \sqrt{1\,250 \cdot 0{,}16 \cdot 0{,}84} = \sqrt{168} \approx 12{,}961\). Sigma-Faktor für \(95\,\%\) ist \(k \approx 1{,}96\). Umgebung: \([200 - 1{,}96 \cdot 12{,}961; 200 + 1{,}96 \cdot 12{,}961] \approx [174{,}60; 225{,}40]\). 2. Begründung zu b): Die \(99\,\%\)-Umgebung ist breiter. Damit ein größerer Anteil der Wahrscheinlichkeit (hier \(99\,\%\) statt \(95\,\%\)) im Intervall liegt, muss der Abstand zum Erwartungswert vergrößert werden. Mathematisch entspricht dies einem größeren Sigma-Faktor \(k\) (ca. \(2{,}58\) statt \(1{,}96\)).

Antwort

a) \([174{,}60; 225{,}40]\) b) Die \(99\,\%\)-Umgebung ist breiter, da ein höheres Wahrscheinlichkeitsniveau einen größeren Faktor \(k\) erfordert, um einen größeren Bereich der Verteilung abzudecken.
43114413
Ein Automatenhersteller produziert Schrauben, von denen erfahrungsgemäß \(4\,\%\) Ausschuss sind. Für eine Qualitätskontrolle wird eine Stichprobe von \(1\,000\) Schrauben entnommen. Bestimme ein zum Erwartungswert symmetrisches Intervall, in dem die Anzahl der Ausschussschrauben mit einer Wahrscheinlichkeit von ungefähr \(95\,\%\) liegt.

Denkanstöße

- Welche Kenngrößen der Verteilung benötigst du, um ein Intervall um das Zentrum zu berechnen? - Welcher \(z\)-Wert gehört zu einer Wahrscheinlichkeit von \(95\,\%\) bei einer symmetrischen Abweichung? - Denke daran, dass das Ergebnis für die Anzahl der Schrauben als Bereich ganzer Zahlen angegeben werden sollte.

Lösung

1. Bestimmung der Parameter: \(n = 1\,000\), \(p = 0{,}04\). 2. Berechnung von \(\mu\): \(\mu = 1\,000 \cdot 0{,}04 = 40\). 3. Berechnung von \(\sigma\): \(\sigma = \sqrt{1\,000 \cdot 0{,}04 \cdot 0{,}96} = \sqrt{38{,}4} \approx 6{,}197\). Da \(\sigma > 3\), ist die Näherung zulässig. 4. Für ein \(95\,\%\)-Intervall wird der \(z\)-Wert \(1{,}96\) benötigt (da \(\Phi(1{,}96) \approx 0{,}975\)). 5. Berechnung der Intervallgrenzen: \(k = 1{,}96 \cdot \sigma \approx 1{,}96 \cdot 6{,}197 \approx 12{,}15\). 6. Das Intervall lautet \([\mu - k; \mu + k] = [40 - 12{,}15; 40 + 12{,}15] = [27{,}85; 52{,}15]\). 7. Da die Anzahl der Schrauben ganzzahlig ist, rundet man auf das nächstgelegene ganzzahlige Intervall: \([28; 52]\).

Antwort

Die Anzahl der Ausschussschrauben liegt mit einer Wahrscheinlichkeit von ca. \(95\,\%\) im Bereich von \(28\) bis \(52\) Schrauben (Intervall \([28; 52]\)).
43115113
Ein Hersteller von Elektronikbauteilen weiß aus Erfahrung, dass etwa \(5\,\%\) der produzierten Chips defekt sind. In einer Qualitätsprüfung wird eine Zufallsstichprobe von \(800\) Chips entnommen. Bestimme ein zum Erwartungswert symmetrisches Intervall, in dem die Anzahl der defekten Chips mit einer Wahrscheinlichkeit von \(90\,\%\) zu erwarten ist.

Denkanstöße

- Überlege zuerst, wie viele defekte Chips man im Durchschnitt (Erwartungswert) erwarten würde. - Wie kannst du die Streuung der Werte um diesen Durchschnitt berechnen? - Welche Rolle spielt die Sicherheitswahrscheinlichkeit von \(90\,\%\) bei der Wahl des Faktors für die Breite des Intervalls? - Denke daran, dass das gesuchte Intervall symmetrisch um den Mittelwert liegen soll.

Lösung

1. Erwartungswert berechnen: \(\mu = n \cdot p = 800 \cdot 0{,}05 = 40\) 2. Standardabweichung berechnen: \(\sigma = \sqrt{n \cdot p \cdot (1-p)} = \sqrt{800 \cdot 0{,}05 \cdot 0{,}95} \approx 6{,}164\) 3. Laplace-Bedingung prüfen: \(\sigma^2 = 38 > 9\), somit ist die Näherung durch die Normalverteilung zulässig 4. \(z\)-Wert für die Sicherheitswahrscheinlichkeit von \(90\,\%\) bestimmen: \(k \approx 1{,}64\) 5. Intervallgrenzen berechnen: \(\mu \pm k \cdot \sigma = 40 \pm 1{,}64 \cdot 6{,}164 \approx 40 \pm 10{,}11\) 6. Untere Grenze: \(40 - 10{,}11 = 29{,}89\); Obere Grenze: \(40 + 10{,}11 = 50{,}11\) 7. Rundung auf ganze Zahlen für die Anzahl der Chips: \([30; 50]\)

Antwort

Das symmetrische \(90\,\%\)-Intervall ist \([30; 50]\).
43115213
In einer Großstadt nutzen laut einer Erhebung \(18\,\%\) der Haushalte ein Elektroauto. Für eine Befragung werden \(1200\) Haushalte zufällig ausgewählt. Ermittle ein symmetrisches Wahrscheinlichkeitsintervall um den Erwartungswert, in dem die Anzahl der Haushalte mit Elektroauto mit einer Wahrscheinlichkeit von \(95\,\%\) zu finden ist.

Denkanstöße

- Bestimme zunächst die Kennzahlen \(\mu\) und \(\sigma\) der zugrunde liegenden Verteilung. - Welcher \(k\)-Wert gehört zur Sicherheitswahrscheinlichkeit von \(95\,\%\)? - Wie gehst du vor, wenn das Ergebnis keine ganze Zahl ist, die Aufgabe aber nach einer Anzahl von Haushalten fragt?

Lösung

1. Erwartungswert berechnen: \(\mu = n \cdot p = 1200 \cdot 0{,}18 = 216\) 2. Standardabweichung berechnen: \(\sigma = \sqrt{1200 \cdot 0{,}18 \cdot 0{,}82} = \sqrt{177{,}12} \approx 13{,}309\) 3. Laplace-Bedingung prüfen: \(\sigma^2 \approx 177{,}12 > 9\), die Anwendung der Normalverteilung ist möglich 4. \(z\)-Wert für die Sicherheitswahrscheinlichkeit von \(95\,\%\) bestimmen: \(k \approx 1{,}96\) 5. Intervallgrenzen berechnen: \(\mu \pm k \cdot \sigma = 216 \pm 1{,}96 \cdot 13{,}309 \approx 216 \pm 26{,}09\) 6. Untere Grenze: \(216 - 26{,}09 = 189{,}91\); Obere Grenze: \(216 + 26{,}09 = 242{,}09\) 7. Rundung auf ganze Zahlen: \([190; 242]\)

Antwort

Das symmetrische \(95\,\%\)-Intervall ist \([190; 242]\).
42522813
Bei der Herstellung von Präzisionsbauteilen ist die Breite der Bauteile normalverteilt mit einer Standardabweichung von \(\sigma = 0{,}05\,\text{mm}\). Bestimme die maximale Abweichung \(d\) vom Erwartungswert, die ein Bauteil aufweisen darf, damit genau \(95\,\%\) der Produktion innerhalb dieses Toleranzbereichs \([\mu - d; \mu + d]\) liegen.

Denkanstöße

- Du suchst hier nach den Grenzen eines Intervalls, in dem ein bestimmter Prozentsatz der Werte liegt. - Erinnere dich an den Zusammenhang zwischen der Wahrscheinlichkeit eines symmetrischen Intervalls und der Verteilungsfunktion \(\Phi\). - Welchen \(z\)-Wert benötigt man für ein zentrales \(95\,\%\)-Intervall bei der Standardnormalverteilung? - Wie rechnet man diesen \(z\)-Wert wieder in die ursprüngliche Einheit (Millimeter) um?

Lösung

1. Ansatz für das symmetrische Wahrscheinlichkeitsintervall: \(P(\mu - d \le X \le \mu + d) = 0{,}95\). 2. Überführung in die Standardnormalverteilung: \(P\left(-\frac{d}{\sigma} \le Z \le \frac{d}{\sigma}\right) = 0{,}95\). 3. Verwendung der Formel für symmetrische Intervalle \(2 \cdot \Phi(z) - 1 = P\), wobei \(z = \frac{d}{\sigma}\) ist. 4. Auflösen nach \(\Phi(z)\): \(\Phi(z) = \frac{0{,}95 + 1}{2} = 0{,}975\). 5. Bestimmung des \(z\)-Wertes aus der Tabelle oder mithilfe der inversen Verteilungsfunktion: \(\Phi^{-1}(0{,}975) \approx 1{,}96\). 6. Berechnung der gesuchten Abweichung \(d = z \cdot \sigma = 1{,}96 \cdot 0{,}05\,\text{mm} = 0{,}098\,\text{mm}\).

Antwort

Die maximale Abweichung beträgt \(d = 0{,}098\,\text{mm}\).
42532013
Gegeben ist eine normalverteilte Zufallsgröße \(X\) mit den Parametern \(\mu\) und \(\sigma\). a) Berechne die Wahrscheinlichkeit (auf vier Dezimalstellen genau), dass ein Wert von \(X\) höchstens um das \(1{,}5\)-fache der Standardabweichung vom Erwartungswert abweicht. b) Zeige allgemein, dass für jede normalverteilte Zufallsgröße \(X \sim N(\mu; \sigma)\) die Wahrscheinlichkeit \(P(\mu - k\sigma \le X \le \mu + k\sigma)\) nur von \(k\) abhängt und durch den Ausdruck \(2\Phi(k) - 1\) berechnet werden kann.

Denkanstöße

- Was bedeutet es mathematisch, wenn eine Größe um einen bestimmten Faktor der Standardabweichung vom Mittelwert abweicht? - Nutze die Standardisierung, um die allgemeine Normalverteilung in die Standardnormalverteilung zu überführen. - Erinnere dich an die Symmetrieeigenschaft der Dichtefunktion bzw. die Beziehung \(\Phi(-z) = 1 - \Phi(z)\).

Lösung

1. Die Bedingung „höchstens um das \(1{,}5\)-fache der Standardabweichung vom Erwartungswert abweichen“ entspricht dem Intervall \([\mu - 1{,}5\sigma; \mu + 1{,}5\sigma]\). 2. Durch Standardisierung \(Z = \frac{X-\mu}{\sigma}\) wird die Wahrscheinlichkeit zu \(P(-1{,}5 \le Z \le 1{,}5)\). 3. Berechnung: \(P(-1{,}5 \le Z \le 1{,}5) = \Phi(1{,}5) - \Phi(-1{,}5) = 2\Phi(1{,}5) - 1 \approx 2 \cdot 0{,}9332 - 1 = 0{,}8664\). 4. Allgemeiner Nachweis: \(P(\mu - k\sigma \le X \le \mu + k\sigma) = P(-k\sigma \le X - \mu \le k\sigma)\). 5. Division durch \(\sigma > 0\) liefert \(P(-k \le \frac{X - \mu}{\sigma} \le k) = P(-k \le Z \le k)\). 6. Da \(Z\) standardnormalverteilt ist, gilt \(P(-k \le Z \le k) = \Phi(k) - \Phi(-k) = \Phi(k) - (1 - \Phi(k)) = 2\Phi(k) - 1\). Dieser Ausdruck ist unabhängig von \(\mu\) und \(\sigma\).

Antwort

a) \(P(\mu - 1{,}5\sigma \le X \le \mu + 1{,}5\sigma) \approx 0{,}8664\) b) Durch Standardisierung folgt \(P(\mu - k\sigma \le X \le \mu + k\sigma) = P(-k \le Z \le k) = 2\Phi(k) - 1\).
43121013
Ein pharmazeutisches Unternehmen behauptet, dass ein neues Medikament bei \(85\,\%\) der Patienten die gewünschte Wirkung zeigt. Zur Überprüfung dieser Angabe wird eine Studie mit \(600\) zufällig ausgewählten Patienten durchgeführt. a) Berechne das Prognoseintervall für den Anteil der Patienten mit positiver Wirkung in der Stichprobe bei einer Sicherheitswahrscheinlichkeit von \(99\,\%\). b) In der Studie wird bei \(486\) Patienten eine positive Wirkung festgestellt. Beurteile auf Basis des Ergebnisses aus Teilaufgabe a), ob dieses Studienergebnis mit der Behauptung des Unternehmens verträglich ist.

Denkanstöße

- Unterscheide zwischen der absoluten Anzahl der Erfolge und dem relativen Anteil in der Stichprobe. - Wie berechnet man ein Intervall für den relativen Anteil direkt aus dem Intervall der absoluten Häufigkeit? - Welcher \(z\)-Wert entspricht einer Sicherheitswahrscheinlichkeit von \(99\,\%\)? - Wann gilt ein Stichprobenergebnis als „unverträglich“ mit einer vorgegebenen Wahrscheinlichkeit?

Lösung

1. Parameter: \(n = 600\), \(p = 0{,}85\). 2. Erwartungswert \(\mu = 600 \cdot 0{,}85 = 510\). Standardabweichung \(\sigma = \sqrt{600 \cdot 0{,}85 \cdot 0{,}15} = \sqrt{76{,}5} \approx 8{,}746\). 3. Für \(99\,\%\) Sicherheitswahrscheinlichkeit gilt \(z \approx 2{,}58\). 4. Prognoseintervall für die Anzahl \(X\): \([510 - 2{,}58 \cdot 8{,}746; 510 + 2{,}58 \cdot 8{,}746] = [487{,}44; 532{,}56]\). 5. Umrechnung in Anteile \(h = \frac{X}{n}\): \([\frac{487{,}44}{600}; \frac{532{,}56}{600}] \approx [0{,}8124; 0{,}8876]\). Das Intervall für den Anteil ist somit ca. \([81{,}2\,\%; 88{,}8\,\%]\). 6. Beurteilung: Der beobachtete absolute Wert \(486\) liegt außerhalb des Prognoseintervalls für die Anzahl (\(486 < 487{,}44\)). Alternativ liegt der Anteil \(\hat{h} = \frac{486}{600} = 0{,}81 = 81\,\%\) außerhalb des Anteilsintervalls. Das Ergebnis ist somit bei einer Sicherheitswahrscheinlichkeit von \(99\,\%\) nicht mit der Behauptung verträglich.

Antwort

a) Das Prognoseintervall für den Anteil beträgt ca. \([81{,}2\,\%; 88{,}8\,\%]\). b) Da der beobachtete Anteil von \(81\,\%\) (entspricht \(486\) Patienten) außerhalb des \(99\,\%\)-Prognoseintervalls liegt, ist das Ergebnis mit der Behauptung des Unternehmens nicht verträglich.

Alle Aufgaben dürfen für Schule und Nachhilfe (auch im Rahmen bezahlter Nachhilfe) kostenlos genutzt, kopiert und ausgedruckt werden. Nicht gestattet sind kommerzielle Bearbeitungen sowie die Veröffentlichung oder Weiterverbreitung im Internet.