Teilmengen und KausalitÀt

Subsets and causation

Mathematik Klasse 11 17 Aufgaben
StatistikSimpson-ParadoxonKorrelationMedienkompetenz

Bedingte Wahrscheinlichkeiten hĂ€ngen von der betrachteten Teilmenge ab: Ein Mittel kann in jeder Patientengruppe besser abschneiden und insgesamt schlechter aussehen (Simpson-Paradox), weil der Gesamtanteil ein Mittelwert der Gruppenanteile mit den GruppengrĂ¶ĂŸen als Gewicht ist – bekannt aus den Berkeley-Zulassungsdaten (Bickel, Hammel & O’Connell 1975). Ebenso beweist ein gemeinsames Auftreten (Korrelation, statistische AbhĂ€ngigkeit) keine Ursache: Eine StörgrĂ¶ĂŸe kann beide GrĂ¶ĂŸen bewirken. RĂ€umt aus, Gesamtanteil und Gruppenanteile gleichzusetzen und Korrelation mit KausalitĂ€t. Schließt die Kritik an Daten ab und bereitet Testen in Jgst. 12 vor.

Andere Teilmenge, andere Anteile

Zwei Salben gegen einen Hautausschlag: Mittel P heilte 59 von 100 Behandelten, Mittel Q 80 von 100 – Q scheint besser. Teilt man nach Schwere, Ă€ndert sich das Bild. Leichte FĂ€lle: P 19 von 20 (95 %), Q 72 von 80 (90 %). Schwere FĂ€lle: P 40 von 80 (50 %), Q 8 von 20 (40 %). In beiden Gruppen ist P besser, insgesamt aber schlechter: das Simpson-Paradox. Der Gesamtanteil ist ein Mittelwert der Gruppenanteile, gewichtet mit den GruppengrĂ¶ĂŸen, und P bekam viele schwere FĂ€lle. Bedingte Wahrscheinlichkeiten hĂ€ngen von der betrachteten Teilmenge ab.

Verkleinere den Anteil schwerer FĂ€lle bei Mittel P. Ab welchem Anteil liegt P insgesamt wieder vor Q?

Korrelation ist keine Ursache

Auch beim Zusammenhang zweier GrĂ¶ĂŸen tĂ€uscht der Blick. Eisverkauf und SonnenbrandfĂ€lle steigen und fallen im Jahresverlauf gleich: Sie sind korreliert, also statistisch abhĂ€ngig. Das beweist keine KausalitĂ€t, denn Eis macht keinen Sonnenbrand. Die Sonne ist die StörgrĂ¶ĂŸe, die beides bewirkt. Andere Möglichkeiten sind eine umgekehrte Richtung oder Zufall. Ob eine StörgrĂ¶ĂŸe dahintersteckt, prĂŒft man so: Man vergleicht nur Tage mit gleicher Sonne – verschwindet der Zusammenhang dort, erklĂ€rt die StörgrĂ¶ĂŸe ihn. Wer Daten deutet, fragt deshalb: Wer wurde befragt, wie viele, in welchen Teilgruppen, mit welcher Frage? Jede Auswertung und jede Darstellung ist eine Deutung.

Liniendiagramm: Jan 29/10/31, Feb 36/14/52, MÀr 58/39/83, Apr 87/72/114, Mai 131/145/146, Jun 174/217/166, Jul 203/265/177, Aug 196/241/166, Sep 131/120/125, Okt 80/48/73, Nov 44/19/42, Dez 32/10/25 0 100 200 300 Jan Feb MÀr Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez Index (Jahresmittel = 100) EisverkaufSonnenbrandfÀlleSonnenstunden
Eisverkauf und SonnenbrandfÀlle folgen den Sonnenstunden. Die Sonne bewirkt beides.
Leicht
Multiple Choice #1 40s ▶ Testen

Von 200 Personen sind 120 in der Unterstufe (U) und 80 in der Oberstufe (O). Welcher Anteil hat insgesamt ein Handy?

  • ● 56 %
  • ○ 60 %
  • ○ 80 %
Unterstufe: 40 % von 120 = 48, Oberstufe: 80 % von 80 = 64. Zusammen 112 von 200 = 56 %. 60 % wĂ€re das ungewichtete Mittel von 40 % und 80 %; die grĂ¶ĂŸere Gruppe zĂ€hlt mehr.
Wahr / Falsch #2 20s ▶ Testen

Haben 60 % einer Gesamtgruppe ein Handy, so kann der Anteil in einer Teilgruppe 40 % und in einer anderen 80 % betragen.

✓ Wahr
Der Gesamtanteil ist ein gewichtetes Mittel: Teilgruppen können darĂŒber und darunter liegen, etwa 40 % und 80 % bei passenden GruppengrĂ¶ĂŸen. Bedingte Wahrscheinlichkeiten hĂ€ngen von der betrachteten Teilmenge ab.
Multiple Choice #3 40s ▶ Testen

Das Diagramm zeigt den Anteil pĂŒnktlicher Lieferungen zweier Dienste. Wie schneidet Dienst A im Vergleich mit B ab?

  • ● A ist bei trockenem Wetter und bei Regen besser, insgesamt aber schlechter.
  • ○ A ist insgesamt schlechter, also auch bei trockenem Wetter und bei Regen.
  • ○ A ist bei trockenem Wetter und bei Regen besser, also auch insgesamt.
Das ist das Simpson-Paradox: A liefert 70 % seiner Pakete bei Regen, B nur 10 %. Der Gesamtanteil ist ein gewichteter Mittelwert, die Gruppenwerte gelten aber je Wetter. Von „insgesamt“ auf „in jeder Gruppe“ (oder umgekehrt) darf man nicht schließen.
Wahr / Falsch #4 20s ▶ Testen

Dienst A liefert 30 Pakete bei trockenem Wetter (90 % pĂŒnktlich) und 70 Pakete bei Regen (60 % pĂŒnktlich). Also sind insgesamt 75 % der Pakete pĂŒnktlich.

✓ Falsch
75 % wÀre das ungewichtete Mittel von 90 % und 60 %. Bei 30 trockenen und 70 Regen-Lieferungen zÀhlt der Regen mehr: (27 + 42) : 100 = 69 %.
Multiple Choice #5 30s ▶ Testen

In Landkreisen mit mehr Störchen werden mehr Kinder geboren. Welcher Schluss ist zulÀssig?

  • ● Beides tritt zusammen auf, mehr folgt daraus nicht.
  • ○ Die Störche sind die Ursache der vielen Geburten.
  • ○ Die vielen Geburten locken mehr Störche in die Kreise.
Ein gemeinsames Auftreten zeigt nur einen Zusammenhang (Korrelation). Weder die Richtung („Störche bringen Kinder“ oder „Kinder locken Störche“) noch eine Ursache folgt daraus – hier steckt die Landschaft (lĂ€ndlich, viel Platz) dahinter.
Wahr / Falsch #6 25s ▶ Testen

Im Sommer steigen Limonadenverkauf und Zahl der BadeunfÀlle gemeinsam. Also verursacht Limonade BadeunfÀlle.

✓ Falsch
Die Kurven verlaufen gleich, aber das belegt keine Ursache: Beide steigen, weil es warm ist und mehr Menschen baden. Der Zusammenhang ist eine Korrelation, keine KausalitÀt.
Multiple Choice #7 30s ▶ Testen

Bei Kindern hĂ€ngen SchuhgrĂ¶ĂŸe und LesefĂ€higkeit zusammen. Welche dritte GrĂ¶ĂŸe erklĂ€rt das am besten?

  • ● das Alter der Kinder
  • ○ die Marke der Schuhe
  • ○ die LĂ€nge des Schulwegs
Mit dem Alter wachsen die FĂŒĂŸe und verbessert sich das Lesen. Das Alter ist die StörgrĂ¶ĂŸe, die beide GrĂ¶ĂŸen bewirkt – Schuhe machen niemanden zum besseren Leser.
Wahr / Falsch #8 20s ▶ Testen

Innerhalb jeder Altersgruppe zeigt sich kein Zusammenhang zwischen SchuhgrĂ¶ĂŸe und LesefĂ€higkeit. Das spricht dafĂŒr, dass das Alter die StörgrĂ¶ĂŸe ist.

✓ Wahr
Wenn der Zusammenhang verschwindet, sobald man das Alter festhĂ€lt, erklĂ€rt das Alter beide GrĂ¶ĂŸen. Das ist die Idee, innerhalb gleicher StörgrĂ¶ĂŸe zu vergleichen.
Mittel
Zahleneingabe #1 20s ▶ Testen

In der Gruppe der Unter-30-JĂ€hrigen (200 Personen) nutzen 150 ein Streamingportal. Wie viel Prozent sind das in dieser Teilmenge?

✓ Antwort: 75
150 : 200 = 0,75 = 75 % – bezogen auf die Teilmenge, nicht auf alle Befragten.
Zahleneingabe #2 30s ▶ Testen

Wie viel Prozent der Lieferungen von Dienst A sind insgesamt pĂŒnktlich?

✓ Antwort: 69
PĂŒnktlich sind 27 + 42 = 69 von 30 + 70 = 100 Lieferungen: 69 %. Die Zeilen der Tabelle stehen fĂŒr die Wetterlagen, das Gesamtergebnis gewichtet sie mit ihrer GrĂ¶ĂŸe.
LĂŒckentext #3 15s ▶ Testen

Ein gemeinsames Auftreten oder Ausbleiben zweier GrĂ¶ĂŸen nennt man ___. Es belegt keine Ursache.

✓ Antwort: Korrelation
Der Fachbegriff ist Korrelation: statistischer Zusammenhang, noch keine KausalitÀt.
LĂŒckentext #4 20s ▶ Testen

Eine dritte GrĂ¶ĂŸe, die beide beobachteten GrĂ¶ĂŸen beeinflusst, heißt ___ (ein Wort mit S).

✓ Antwort: StörgrĂ¶ĂŸe
Eine StörgrĂ¶ĂŸe (gemeinsame Ursache) erzeugt einen Zusammenhang, ohne dass eine GrĂ¶ĂŸe die andere bewirkt.
Schwer
Zahleneingabe #1 45s ▶ Testen

Gruppe 1 hat 300 Personen, davon haben 30 % eine Eigenschaft; Gruppe 2 hat 100 Personen, davon haben 70 % sie. Wie viel Prozent der 400 Personen haben die Eigenschaft?

✓ Antwort: 40
Gruppe 1: 90, Gruppe 2: 70, zusammen 160 von 400 = 40 %. Das Mittel von 30 % und 70 % (50 %) wĂ€re falsch, weil Gruppe 1 dreimal so groß ist.
Zahleneingabe #2 60s ▶ Testen

Ein Dienst ist bei trockenem Wetter zu 90 %, bei Regen zu 60 % pĂŒnktlich. Wie viel Prozent seiner Lieferungen mĂŒssen bei Regen stattfinden, damit er insgesamt zu 75 % pĂŒnktlich ist?

✓ Antwort: 50
Gesucht ist der Anteil w mit 0,9 · (1 − w) + 0,6 · w = 0,75. Das ergibt 0,9 − 0,3 w = 0,75, also w = 0,5 = 50 %. Bei mehr Regen-Lieferungen sinkt der Gesamtanteil weiter.
Zahleneingabe #3 50s ▶ Testen

In 12 Monaten: In den 7 Monaten mit hohem Eisverkauf gab es in 6 Monaten viele SonnenbrĂ€nde, in den 5 Monaten mit niedrigem Eisverkauf in 1 Monat. Um wie viele Prozentpunkte ist der Anteil „viel Sonnenbrand“ bei hohem Eisverkauf höher?

✓ Antwort: 65.714286
Bei hohem Eisverkauf: 6 : 7 ≈ 85,7 %, bei niedrigem: 1 : 5 = 20 %. Differenz ≈ 65,7 Prozentpunkte. Ein so deutlicher Unterschied zeigt AbhĂ€ngigkeit – aber noch keine Ursache.
Zahleneingabe #4 40s ▶ Testen

An 100 sonnigen Tagen ist an 80 Tagen der Eisverkauf hoch (A) und an 60 Tagen die Zahl der SonnenbrÀnde hoch (B). An sonnigen Tagen sind A und B unabhÀngig. An wie vielen dieser Tage treten beide auf?

✓ Antwort: 48
Bei UnabhĂ€ngigkeit gilt P(A ∩ B) = P(A) · P(B) = 0,8 · 0,6 = 0,48, also 48 von 100 sonnigen Tagen. Innerhalb der StörgrĂ¶ĂŸe „sonnig“ besteht kein Zusammenhang mehr.
KI-bewertete Rechnung #5 300s ▶ Testen

Zwei Nachhilfekurse X und Y haben je 100 Teilnehmende. Kurs X: 10 leichte FÀlle, davon verbessern sich 9, und 90 schwierige, davon verbessern sich 54. Kurs Y: 90 leichte FÀlle, davon verbessern sich 72, und 10 schwierige, davon verbessern sich 4. Berechne die Anteile der Verbesserten in jeder Gruppe und insgesamt. ErklÀre, warum X insgesamt schlechter aussieht, obwohl es in beiden Gruppen besser ist. Schreibe deine Rechnung auf Papier und fotografiere sie.

✓ Antwort: Leichte FĂ€lle: X 0,9 = 90 %, Y 72 : 90 = 0,8 = 80 %. Schwierige FĂ€lle: X 54 : 90 = 0,6 = 60 %, Y 4 : 10 = 40 %. Insgesamt: X (9 + 54) : 100 = 63 %, Y (72 + 4) : 100 = 76 %. X ist in beiden Gruppen besser, aber 90 % seiner Teilnehmenden sind schwierige FĂ€lle (bei Y nur 10 %). Der Gesamtanteil ist ein gewichtetes Mittel der Gruppenanteile mit den GruppengrĂ¶ĂŸen als Gewicht – Simpson-Paradox.
Der Gesamtanteil gewichtet die Gruppenanteile mit den GruppengrĂ¶ĂŸen: X hat fast nur schwierige FĂ€lle (Gewicht 90 % auf 60 %), Y fast nur leichte (Gewicht 90 % auf 80 %). Deshalb 63 % gegen 76 %, obwohl X in beiden Gruppen besser ist.