Erwartungswert und Streuung

Expected value and spread

Mathematik Klasse 12 18 Aufgaben
WahrscheinlichkeitBinomialverteilungErwartungswertStandardabweichung

Für X ~ B(n; p) gelten E(X) = μ = n · p und σ = √(n · p · (1 − p)). Der Erwartungswert ist der Mittelwert auf lange Sicht und der Schwerpunkt des Histogramms, kein Wert, der eintreten muss; σ beschreibt, wie weit die Trefferzahl typischerweise davon abweicht. Räumt aus: μ als wahrscheinlichsten Wert oder als Vorhersage der nächsten Serie zu lesen, die Wurzel bei σ zu vergessen und σ = √(n · p) zu rechnen. Bereitet den Einfluss von n und p auf das Histogramm und die Beurteilung von Ergebnissen im Signifikanztest vor.

Der Erwartungswert n · p

Wer im Ratetest zufällig ankreuzt, trifft im Mittel ein Viertel der 10 Fragen:

Der Erwartungswert ist kein möglicher Ausgang, niemand hat 2,5 Fragen richtig. Er ist der Mittelwert auf lange Sicht: Schreiben sehr viele Personen den Test, liegt der Durchschnitt ihrer Trefferzahlen nahe bei 2,5. Im Histogramm ist er der Schwerpunkt. Für eine einzelne Serie sagt er nichts voraus: Bei 20 Münzwürfen erwartet man 10 Köpfe, genau 10 treten aber nur mit etwa 18 % ein. Warum ? Jeder der Versuche trägt im Mittel Treffer bei.

Verschiebe p. Wo steht die rote Marke μ, und wie liegt sie zum Gipfel des Histogramms?

Die Streuung σ

Wie weit weicht die Trefferzahl typischerweise von ab? Das misst die Standardabweichung. Sie ist die Wurzel der Varianz, der mittleren quadratischen Abweichung von . Für gilt

Im Ratetest ist und . Die orangefarbenen Marken zeigen , also 1,13 bis 3,87. Meist liegt im Bereich ; Ergebnisse weit außerhalb sind selten. Am größten ist bei , denn dort ist am größten; bei sehr kleinem oder großem gehen fast alle Versuche gleich aus.

Erhöhe n bei festem p = 0,25. Wie ändern sich μ und σ, und welcher wächst schneller?
Leicht
Multiple Choice #1 20s ▶ Testen

Ein Basketballer trifft jeden Freiwurf mit der Wahrscheinlichkeit 0,7, die Würfe sind unabhängig. Wie viele Treffer erwartet er im Mittel bei 20 Würfen?

  • ● 14
  • ○ 6
  • ○ 28,6
Erwartungswert der Binomialverteilung: E(X) = n · p = 20 · 0,7 = 14. Die 6 sind die erwarteten Fehlwürfe (n · (1 − p)), 28,6 entstünde bei n : p.
Wahr / Falsch #2 15s ▶ Testen

Bei 10 Münzwürfen ist E(X) = 5 für die Zahl der Köpfe. Deshalb kommen in jeder Serie von 10 Würfen genau 5 Köpfe vor.

✓ Falsch
E(X) ist der Mittelwert auf lange Sicht, keine Vorhersage für eine einzelne Serie: Genau 5 Köpfe hat nur die Wahrscheinlichkeit P(X = 5) = C(10, 5) · 0,5¹⁰ ≈ 0,2461.
Multiple Choice #3 20s ▶ Testen

Das Histogramm zeigt die Trefferzahl im Ratetest (n = 10, p = 0,25). Zwischen welchen beiden Säulen liegt der Erwartungswert E(X) = n · p?

  • ● 2 und 3
  • ○ 3 und 4
  • ○ 1 und 2
E(X) = 10 · 0,25 = 2,5, das ist kein möglicher Wert von X, sondern der Schwerpunkt des Histogramms. Er liegt genau zwischen den Säulen 2 und 3.
Multiple Choice #4 20s ▶ Testen

Für X ~ B(100; 0,5): Wie groß ist die Standardabweichung σ?

  • ● 5
  • ○ 25
  • ○ 50
Var(X) = n · p · (1 − p) = 100 · 0,5 · 0,5 = 25, und σ ist die Wurzel daraus: σ = 5. Die 25 ist die Varianz (Wurzel vergessen), die 50 ist n · p.
Wahr / Falsch #5 15s ▶ Testen

Bei n = 100 streut die Trefferzahl für p = 0,5 stärker als für p = 0,9.

✓ Wahr
σ = √(100 · 0,5 · 0,5) = 5 gegenüber σ = √(100 · 0,9 · 0,1) = 3. Das Produkt p · (1 − p) ist bei p = 0,5 am größten.
Multiple Choice #6 20s ▶ Testen

Welcher Term gibt σ für X ~ B(40; 0,3)?

  • ● √(40 · 0,3 · 0,7)
  • ○ 40 · 0,3 · 0,7
  • ○ √(40 · 0,3)
σ = √(n · p · (1 − p)) = √(40 · 0,3 · 0,7) = √8,4 ≈ 2,90. Ohne Wurzel steht dort die Varianz 8,4; √(40 · 0,3) lässt den Faktor (1 − p) weg.
Multiple Choice #7 20s ▶ Testen

Bei 100 Münzwürfen gilt μ = 50 und σ = 5 für die Zahl der Köpfe. Welches Ergebnis wäre ungewöhnlich weit von μ entfernt?

  • ● 70 Köpfe
  • ○ 54 Köpfe
  • ○ 46 Köpfe
70 liegt (70 − 50) : 5 = 4 Standardabweichungen über μ; so ein Ergebnis hat nur die Wahrscheinlichkeit P(X ≥ 70) ≈ 0,00004. 54 und 46 liegen weniger als eine σ neben μ.
Wahr / Falsch #8 15s ▶ Testen

Bei einem Ratetest mit μ = 2,5 ergeben fünf Durchgänge die Trefferzahlen 2, 3, 2, 4 und 1. Der Durchschnitt 2,4 widerspricht dem Erwartungswert nicht.

✓ Wahr
Der Erwartungswert ist der Mittelwert auf lange Sicht. Ein Durchschnitt aus fünf Durchgängen darf davon abweichen; 2,4 liegt sehr nah an 2,5 und σ ≈ 1,37 zeigt, dass Einzelwerte von 1 bis 4 normal sind.
Multiple Choice #9 20s ▶ Testen

Für X ~ B(10; 0,5) ist μ = 5 und σ ≈ 1,58. Welche Trefferzahlen liegen im Band von μ − σ bis μ + σ?

  • ● 4, 5 und 6
  • ○ 3 bis 7
  • ○ nur 5
μ − σ ≈ 3,42 und μ + σ ≈ 6,58, dazwischen liegen die ganzen Zahlen 4, 5 und 6. Zusammen haben sie P = 0,6562; 3 und 7 liegen knapp außerhalb.
Mittel
Zahleneingabe #1 30s ▶ Testen

Für X ~ B(50; 0,2): Wie groß ist E(X)?

✓ Antwort: 10
E(X) = n · p = 50 · 0,2 = 10.
Lückentext #2 20s ▶ Testen

Für X ~ B(n; p) gilt E(X) = n · ___

✓ Antwort: p
Der Erwartungswert ist n · p: die Trefferwahrscheinlichkeit p wird n-mal „eingesammelt“.
Zahleneingabe #3 30s ▶ Testen

Für X ~ B(20; 0,3): Wie groß ist die Varianz Var(X)?

✓ Antwort: 4.2
Var(X) = n · p · (1 − p) = 20 · 0,3 · 0,7 = 4,2.
Zahleneingabe #4 30s ▶ Testen

Bei 100 Münzwürfen ist μ = 50 und σ = 5. Bei welcher Kopfzahl liegt die Grenze μ − 2σ?

✓ Antwort: 40
μ − 2σ = 50 − 2 · 5 = 40.
Schwer
Zahleneingabe #1 30s ▶ Testen

Ein Würfel soll so oft geworfen werden, dass man im Mittel 25 Sechsen erwartet. Wie viele Würfe sind das?

✓ Antwort: 150
E(X) = n · 1/6 = 25 gibt n = 25 · 6 = 150 Würfe.
KI-bewertete Rechnung #2 240s ▶ Testen

Für X ~ B(3; 0,4) gilt P(X = 0) = 0,216, P(X = 1) = 0,432, P(X = 2) = 0,288 und P(X = 3) = 0,064. Berechne E(X) aus der Definition (Summe aus Wert mal Wahrscheinlichkeit) und vergleiche mit n · p. Schreibe deine Rechnung auf Papier und fotografiere sie.

✓ Antwort: E(X) = 0 · 0,216 + 1 · 0,432 + 2 · 0,288 + 3 · 0,064 = 0 + 0,432 + 0,576 + 0,192 = 1,2. Zum Vergleich: n · p = 3 · 0,4 = 1,2. Beide Wege liefern denselben Wert.
Die gewichtete Summe 0,432 + 0,576 + 0,192 ergibt 1,2, genau n · p = 3 · 0,4. Die Formel spart die Summe.
Zahleneingabe #3 30s ▶ Testen

Ein Würfel wird 72-mal geworfen, X zählt die Sechsen. Wie groß ist σ? (auf zwei Dezimalen)

✓ Antwort: 3.1623
Var(X) = 72 · 1/6 · 5/6 = 10, also σ = √10 ≈ 3,16.
Zahleneingabe #4 30s ▶ Testen

Ein Zufallsgenerator trifft mit p = 0,05, es gibt 400 Versuche. Bestimme μ und σ und gib die Obergrenze μ + 2σ des typischen Bereichs an (auf eine Dezimale).

✓ Antwort: 28.7
μ = 400 · 0,05 = 20, σ = √(400 · 0,05 · 0,95) = √19 ≈ 4,36. μ + 2σ ≈ 28,7.
KI-bewertete Rechnung #5 240s ▶ Testen

Eine Münze wird 100-mal geworfen, es fallen 62 Köpfe. Die Münze soll fair sein (p = 0,5). Bestimme μ und σ, berechne, wie viele σ das Ergebnis von μ entfernt liegt, und beurteile in einem Satz, ob das Ergebnis gegen eine faire Münze spricht. (Zur Orientierung: P(X ≥ 62) ≈ 0,0105.) Schreibe deine Rechnung auf Papier und fotografiere sie.

✓ Antwort: X ~ B(100; 0,5). μ = 100 · 0,5 = 50, σ = √(100 · 0,5 · 0,5) = 5. Abstand: (62 − 50) : 5 = 2,4 Standardabweichungen. Ein so weit entferntes Ergebnis hat nur die Wahrscheinlichkeit von etwa 1 %; es ist ungewöhnlich, aber kein Beweis, dass die Münze gezinkt ist.
μ = 50 und σ = 5; 62 liegt 2,4 σ über μ. Solche Ausschläge sind selten (etwa 1 %), machen die faire Münze unwahrscheinlicher, beweisen aber nichts.