Das Geburtstagsproblem

The birthday problem

Mathematik Klasse 10 14 Aufgaben
WahrscheinlichkeitSimulationGeburtstagsproblem

Wie wahrscheinlich haben in einer Klasse mindestens zwei Kinder am selben Tag Geburtstag? Über das Gegenereignis „alle verschieden“ ist es ein Pfad mit dem Produkt 365/365 · 364/365 · 363/365 · … ; schon bei 23 Kindern übersteigt die Wahrscheinlichkeit 0,5. Eine Simulation vieler Klassen macht die überraschende Rechnung plausibel. Räumt aus, „irgendein Paar“ mit „jemand hat an meinem Tag Geburtstag“ zu verwechseln und dafür etwa 183 Kinder zu erwarten. Bereitet den Vergleich von Rechnung und Simulation als Plausibilitätsprüfung vor.

Rechnen über das Gegenereignis

Wie wahrscheinlich haben unter n Kindern mindestens zwei am selben Tag Geburtstag? Wir nehmen 365 gleich wahrscheinliche Tage an und lassen den 29. Februar und Zwillinge weg; das Modell ist eine Idealisierung. Das Gegenereignis „alle verschieden“ ist ein Pfad: Das zweite Kind darf nicht am selben Tag wie das erste Geburtstag haben (364/365), das dritte an keinem der beiden Tage (363/365) und so weiter. Nach der 1. Pfadregel gilt und . Schon bei 23 Kindern ist das mehr als 0,5; bei 10 Kindern sind es 0,117, bei 40 Kindern schon 0,891.

Erhöhe die Zahl der Kinder. Bei welchem n überschreitet die Kurve die gestrichelte Linie 0,5?

Simulation prüft die Rechnung

Das Ergebnis wirkt unglaublich, doch 23 Kinder bilden 253 Paare (jedes Kind mit 22 anderen, jedes Paar doppelt gezählt: 23 · 22 : 2 = 253), und jedes Paar kann treffen. Gefragt ist nach irgendeinem Paar. Dass jemand am eigenen Tag Geburtstag hat, ist viel seltener: . Zur Plausibilitätsprüfung simuliert man viele Klassen: Mit je 1000 Klassen liegen die Werte dicht bei der Rechnung. Ähnlich überraschend: Bei 57 Kindern liegt die Wahrscheinlichkeit schon über 0,99.

Säulendiagramm (P): 10 Kinder (Rechnung: 0,117, Simulation: 0,121), 23 Kinder (Rechnung: 0,507, Simulation: 0,51), 40 Kinder (Rechnung: 0,891, Simulation: 0,885) 0 0,25 0,5 0,75 1 P RechnungSimulation 0,117 0,121 10 Kinder 0,507 0,51 23 Kinder 0,891 0,885 40 Kinder
Rechnung und Simulation (je 1000 Klassen) für 10, 23 und 40 Kinder: P(mindestens zwei gleiche).
Leicht
Multiple Choice #1 35s ▶ Testen

In einer Gruppe mit 3 Kindern (365 gleich wahrscheinliche Tage) soll P(alle drei haben verschiedene Geburtstage) berechnet werden. Welcher Term gehört dazu?

  • ● 365/365 · 364/365 · 363/365
  • ○ 365/365 · 1/365 · 1/365
  • ○ 3 · 1/365
Das erste Kind hat irgendeinen Tag, das zweite darf nicht denselben haben (364 von 365), das dritte keinen der beiden (363 von 365); entlang des Pfades wird multipliziert. Die anderen Terme rechnen mit den Wahrscheinlichkeiten für „gleicher Tag“.
Wahr / Falsch #2 25s ▶ Testen

In einer Klasse mit 10 Kindern ist P(alle Geburtstage verschieden) ≈ 0,883. Dann ist P(mindestens zwei haben am selben Tag Geburtstag) ebenfalls ≈ 0,883.

✓ Falsch
Die beiden Ereignisse sind Gegenereignisse und ergeben zusammen 1: P(mindestens zwei gleiche) = 1 − 0,883 = 0,117.
Multiple Choice #3 30s ▶ Testen

Ab welcher Klassengröße ist die Wahrscheinlichkeit, dass mindestens zwei Kinder am selben Tag Geburtstag haben, größer als 0,5?

  • ● ab 23 Kindern
  • ○ ab 183 Kindern
  • ○ ab 365 Kindern
Die Rechnung 1 − 365/365 · 364/365 · … ergibt bei 23 Kindern 0,507. Die Schätzung „die Hälfte von 365“ (183) verwechselt das mit „jemand hat an meinem Tag Geburtstag“; 365 Kinder wären sogar fast sicher (P ≈ 1).
Multiple Choice #4 40s ▶ Testen

Bei 5 Kindern gibt es 10 Paare (jede Linie ist ein Paar). Wie viele Paare gibt es bei 10 Kindern?

  • ● 45
  • ○ 90
  • ○ 100
Jedes der 10 Kinder bildet mit 9 anderen ein Paar, das sind 10 · 9 = 90, aber jedes Paar ist dabei doppelt gezählt: 90 : 2 = 45. Bei 5 Kindern stimmt es ebenso (5 · 4 : 2 = 10).
Wahr / Falsch #5 30s ▶ Testen

In einer Klasse mit 23 Kindern ist die Wahrscheinlichkeit, dass jemand am selben Tag wie ich Geburtstag hat, ebenfalls etwa 50 %.

✓ Falsch
Für einen bestimmten Tag gibt es nur 22 Chancen: 1 − (364/365)^22 ≈ 0,059, also etwa 6 %. Die 50 % gelten für irgendein Paar unter den 253 Paaren.
Multiple Choice #6 30s ▶ Testen

Für 23 Kinder ergibt die Rechnung P ≈ 0,507. Eine Simulation mit 1000 Klassen zu je 23 Kindern findet in 512 Klassen mindestens ein gleiches Paar. Was folgt daraus?

  • ● Die Rechnung ist plausibel, beide Werte liegen dicht beieinander.
  • ○ Die Simulation beweist, dass P genau 0,512 ist.
  • ○ Die Rechnung ist falsch, weil 0,512 nicht 0,507 ist.
h = 512/1000 = 0,512 weicht nur um 0,005 vom Rechenwert ab, eine typische Schwankung. Eine Simulation beweist nichts genau und widerlegt wegen einer kleinen Abweichung keine Rechnung.
Wahr / Falsch #7 30s ▶ Testen

Eine Simulation mit nur 20 Klassen zu je 23 Kindern ergibt 13 Klassen mit gleichem Paar (65 %). Das widerlegt die Rechnung P ≈ 0,507.

✓ Falsch
Bei 20 Klassen schwankt h stark; 13 von 20 liegt noch im normalen Bereich um 0,507. Erst viele Durchgänge (1000 und mehr) könnten eine Rechnung ernsthaft infrage stellen.
Mittel
Zahleneingabe #1 25s ▶ Testen

Bei zwei Kindern ist die Wahrscheinlichkeit für denselben Geburtstag 1/365. Gib sie als Dezimalzahl auf vier Nachkommastellen gerundet an.

✓ Antwort: 0.0027
1 ÷ 365 ≈ 0,00274, auf vier Stellen 0,0027. Bei zwei Kindern ist „gleicher Tag“ sehr unwahrscheinlich.
Zahleneingabe #2 40s ▶ Testen

In einer Klasse mit 23 Kindern gilt P(jemand hat an meinem Tag Geburtstag) = 1 − (364/365)^22. Gib die Wahrscheinlichkeit in Prozent auf ganze Prozent gerundet an.

✓ Antwort: 6
(364/365)^22 ≈ 0,9414, also 1 − 0,9414 ≈ 0,0586, das sind gerundet 6 %.
Zahleneingabe #3 25s ▶ Testen

Mit P ≈ 0,507 erwartet man bei 2000 simulierten Klassen zu je 23 Kindern etwa wie viele Klassen mit einem gleichen Paar?

✓ Antwort: 1014
0,507 · 2000 = 1014.
Schwer
Zahleneingabe #1 60s ▶ Testen

Fünf Kinder werden befragt. Wie groß ist P(mindestens zwei haben am selben Tag Geburtstag)? Gib die Wahrscheinlichkeit auf drei Nachkommastellen gerundet an (365 gleich wahrscheinliche Tage).

✓ Antwort: 0.027
P(alle verschieden) = 365/365 · 364/365 · 363/365 · 362/365 · 361/365 ≈ 0,973, also P(mindestens zwei gleiche) = 1 − 0,973 ≈ 0,027.
Zahleneingabe #2 35s ▶ Testen

Wie viele verschiedene Paare bilden 30 Kinder in einer Klasse?

✓ Antwort: 435
Jedes Kind bildet mit 29 anderen ein Paar: 30 · 29 = 870. Jedes Paar wurde doppelt gezählt, also 870 : 2 = 435.
Zahleneingabe #3 35s ▶ Testen

Für 30 Kinder liefert die Rechnung P ≈ 0,706. Eine Simulation mit 1000 Klassen findet in 703 Klassen ein gleiches Paar. Wie groß ist der Abstand zwischen h und dem Rechenwert (Betrag)?

✓ Antwort: 0.003
h = 703 : 1000 = 0,703. Der Abstand ist |0,703 − 0,706| = 0,003 – sehr klein, die Rechnung ist plausibel.
KI-bewertete Rechnung #4 300s ▶ Testen

Vier Kinder werden zufällig ausgewählt (365 gleich wahrscheinliche Tage, keine Schalttage). Berechne die Wahrscheinlichkeit, dass mindestens zwei von ihnen am selben Tag Geburtstag haben: Schreibe das Gegenereignis auf, den Pfad mit seinen Ästen und das Ergebnis auf drei Nachkommastellen. Beschreibe außerdem, wie du die Rechnung mit einer Simulation auf Plausibilität prüfen könntest. Schreibe deine Rechnung auf Papier und fotografiere sie.

✓ Antwort: Gegenereignis: alle vier Geburtstage sind verschieden. Pfad: 365/365 · 364/365 · 363/365 · 362/365 ≈ 0,984. Also P(mindestens zwei gleiche) = 1 − 0,984 ≈ 0,016. Simulation: viele Gruppen zu je vier Kindern mit je einem Zufallstag von 1 bis 365 erzeugen, zählen, in wie vielen Gruppen ein Tag doppelt vorkommt, und die relative Häufigkeit mit 0,016 vergleichen.
Wieder rechnet man über das Gegenereignis: (364/365) · (363/365) · (362/365) ≈ 0,9836, also 1 − 0,9836 ≈ 0,016. Bei so kleinen Wahrscheinlichkeiten braucht die Simulation sehr viele Gruppen.