Die Dichtefunktion

The density function

Mathematik Klasse 13 16 Aufgaben
WahrscheinlichkeitDichteNormalverteilung

Die Glockenkurve ist die Dichtefunktion f einer stetigen ZufallsgrĂ¶ĂŸe: P(a ≀ X ≀ b) ist die FlĂ€che unter dem Graphen ĂŒber [a; b], also das Integral von f. Die GesamtflĂ€che ist 1 und f(x) ≄ 0. Ein einzelner Wert hat die FlĂ€che 0, daher P(X = a) = 0; der Dichtewert f(a) ist keine Wahrscheinlichkeit. RĂ€umt aus, die Höhe der Kurve sei eine Wahrscheinlichkeit, und dass Wahrscheinlichkeit 0 unmöglich heiße. Bereitet die Verteilungsfunktion und das Ablesen von ÎŒ und σ vor.

Wahrscheinlichkeit ist FlÀche

Die Glockenkurve aus dem letzten Abschnitt ist die Dichtefunktion der KörpergrĂ¶ĂŸe X in cm. Die Wahrscheinlichkeit, dass X in einem Intervall liegt, ist die FlĂ€che unter dem Graphen von f ĂŒber diesem Intervall:

Die GesamtflĂ€che unter dem Graphen ist 1, denn X nimmt irgendeinen Wert an, und es gilt . Das ist dieselbe Idee wie beim Histogramm: Dort war die FlĂ€che einer SĂ€ule die relative HĂ€ufigkeit, hier ist die FlĂ€che unter der Kurve die Wahrscheinlichkeit, und die Kurve ist die Grenzform der SĂ€ulen. FĂŒr die Glocke gibt es keine einfache Stammfunktion; die FlĂ€chen liefern Tabellen oder Software, und das Bild rechnet mit.

Ziehe die Grenzen a und b. Wie groß ist die FlĂ€che, wenn a = 164 und b = 180 ist?

Ein Wert hat keine FlÀche

Ziehe die Grenzen zusammen: Die FlĂ€che schrumpft gegen 0. Ein einzelner Wert ist ein Intervall der LĂ€nge 0 und hat keine FlĂ€che, also . Daraus folgt : Randpunkte spielen keine Rolle. „Null“ heißt aber nicht „unmöglich“, denn jede Messung liefert irgendeinen Wert. Bei stetigen GrĂ¶ĂŸen zĂ€hlen nur Intervalle.

Auch der Dichtewert ist keine Wahrscheinlichkeit, sondern die Höhe der Kurve („Wahrscheinlichkeit pro cm“). Er kann grĂ¶ĂŸer als 1 sein: In Metern gemessen ist die Kurve schmaler und daher höher, .

Verkleinere h. Was passiert mit der FlÀche, und was mit der Höhe f(172)?
Leicht
Multiple Choice #1 20s ▶ Testen

Die Kurve ist die Dichtefunktion der KörpergrĂ¶ĂŸe X in cm. Welche Wahrscheinlichkeit gehört zur gefĂ€rbten FlĂ€che?

  • ● P(164 ≀ X ≀ 180)
  • ○ P(X ≀ 164)
  • ○ P(X ≄ 180)
GefĂ€rbt ist die FlĂ€che zwischen den Grenzen 164 und 180: Sie ist die Wahrscheinlichkeit P(164 ≀ X ≀ 180). P(X ≀ 164) wĂ€re nur der linke Rest, P(X ≄ 180) der rechte.
Wahr / Falsch #2 15s ▶ Testen

Die gefĂ€rbte FlĂ€che unter der Dichtefunktion ist die Wahrscheinlichkeit P(X ≀ 156).

✓ Wahr
GefĂ€rbt ist alles links der Grenze 156, also die Werte bis 156: Die FlĂ€che ist P(X ≀ 156).
Wahr / Falsch #3 15s ▶ Testen

FĂŒr eine Dichtefunktion f gilt P(a ≀ X ≀ b) = f(b) − f(a).

✓ Falsch
f(b) und f(a) sind Höhen der Kurve, keine FlĂ€chen. Die Wahrscheinlichkeit ist die FlĂ€che zwischen den Grenzen a und b, also ein Integral von f. Hier wĂ€re f(180) − f(164) sogar 0.
Multiple Choice #4 20s ▶ Testen

Welche dieser Funktionen kann die Dichtefunktion einer ZufallsgrĂ¶ĂŸe sein?

  • ● f(x) = 0,5 fĂŒr 0 ≀ x ≀ 2, sonst 0
  • ○ f(x) = 0,5 fĂŒr 0 ≀ x ≀ 4, sonst 0
  • ○ f(x) = −0,5 fĂŒr 0 ≀ x ≀ 2, sonst 0
Die erste Funktion ist nie negativ und hat die FlĂ€che 2 · 0,5 = 1. Die zweite hat die FlĂ€che 4 · 0,5 = 2, die dritte liegt unter der x-Achse (FlĂ€che −1). Beides ist bei einer Dichtefunktion unmöglich.
Wahr / Falsch #5 15s ▶ Testen

Eine Dichtefunktion kann Werte grĂ¶ĂŸer als 1 annehmen.

✓ Wahr
Die Höhe ist keine Wahrscheinlichkeit. Ist f(x) = 2 fĂŒr 0 ≀ x ≀ 0,5 und sonst 0, so ist die FlĂ€che 0,5 · 2 = 1: Eine schmale Kurve muss hoch sein.
Wahr / Falsch #6 15s ▶ Testen

Beide Kurven sind Dichtefunktionen von ZufallsgrĂ¶ĂŸen. Die schmalere, höhere Kurve hat die kleinere GesamtflĂ€che.

✓ Falsch
Jede Dichtefunktion hat die GesamtflÀche 1. Die schmalere Kurve verliert an Breite, was sie an Höhe gewinnt: Beide FlÀchen sind gleich 1.
Multiple Choice #7 20s ▶ Testen

X ist stetig, und die Kurve hat bei 172 die Höhe f(172) ≈ 0,05. Wie groß ist P(X = 172)?

  • ● 0
  • ○ 0,05
  • ○ 0,5
Ein einzelner Wert hat unter der Kurve keine FlĂ€che, also P(X = 172) = 0. Die Höhe 0,05 ist ein Dichtewert („Wahrscheinlichkeit pro cm“), keine Wahrscheinlichkeit.
Wahr / Falsch #8 15s ▶ Testen

Bei einer stetigen ZufallsgrĂ¶ĂŸe X sind P(X ≀ 180) und P(X < 180) gleich groß.

✓ Wahr
Der Randpunkt 180 hat die Wahrscheinlichkeit 0. Ob er zum Ereignis gehört, Àndert die FlÀche nicht.
Wahr / Falsch #9 15s ▶ Testen

Wegen P(X = 172) = 0 kann bei einer Messung der Wert 172 nicht auftreten.

✓ Falsch
Jede Messung liefert irgendeinen Wert, obwohl jeder einzelne Wert die Wahrscheinlichkeit 0 hat. Wahrscheinlichkeit 0 heißt hier nicht „unmöglich“.
Mittel
Zahleneingabe #1 20s ▶ Testen

Die Dichtefunktion von X ist f(x) = 0,1 fĂŒr 0 ≀ x ≀ 10 und sonst 0. Berechne P(2 ≀ X ≀ 6) als FlĂ€che.

✓ Antwort: 0.4
P(2 ≀ X ≀ 6) ist die FlĂ€che unter f ĂŒber [2; 6]: ein Rechteck mit der Breite 6 − 2 = 4 und der Höhe 0,1, also 4 · 0,1 = 0,4.
Zahleneingabe #2 30s ▶ Testen

Die Dichtefunktion von X ist f(x) = 0,25 fĂŒr 0 ≀ x ≀ 4 und sonst 0. Berechne die FlĂ€che unter f (ĂŒber ganz ℝ).

✓ Antwort: 1
Das Rechteck hat die Breite 4 und die Höhe 0,25: FlÀche 4 · 0,25 = 1. Das passt zu einer Dichtefunktion.
Zahleneingabe #3 30s ▶ Testen

X ist stetig und P(X ≀ 180) = 0,84. Wie groß ist P(X < 180)?

✓ Antwort: 0.84
P(X = 180) = 0, also P(X < 180) = P(X ≀ 180) − 0 = 0,84.
Schwer
Zahleneingabe #1 25s ▶ Testen

Die FlĂ€che unter der Dichtefunktion von X ĂŒber [150; 160] ist 0,12, ĂŒber [160; 170] ist sie 0,31. Berechne P(150 ≀ X ≀ 170).

✓ Antwort: 0.43
Die Intervalle grenzen aneinander, also addieren sich die FlÀchen: 0,12 + 0,31 = 0,43.
Zahleneingabe #2 30s ▶ Testen

Damit f(x) = c fĂŒr 0 ≀ x ≀ 5 (sonst 0) eine Dichtefunktion ist, muss c den Wert ___ haben.

✓ Antwort: 0.2
Die FlÀche 5 · c muss 1 sein: c = 1/5 = 0,2.
Zahleneingabe #3 30s ▶ Testen

X ist stetig mit P(X < 3) = 0,2 und P(3 ≀ X ≀ 5) = 0,5. Berechne P(X ≀ 5).

✓ Antwort: 0.7
Die Bereiche X < 3 und 3 ≀ X ≀ 5 grenzen aneinander, ohne sich zu ĂŒberlappen: 0,2 + 0,5 = 0,7. Ob 3 zum ersten oder zum zweiten Bereich zĂ€hlt, spielt keine Rolle.
KI-bewertete Rechnung #4 240s ▶ Testen

Die Wartezeit X (in Minuten) auf eine Bahn hat die Dichtefunktion f(x) = 0,25 fĂŒr 0 ≀ x ≀ 4 und f(x) = 0 sonst. Zeige, dass f eine Dichtefunktion ist, berechne P(1 ≀ X ≀ 2,5) als FlĂ€che und gib P(X = 3) an. Schreibe deine Rechnung auf Papier und fotografiere sie.

✓ Antwort: Skizze: Rechteck der Höhe 0,25 ĂŒber [0; 4]. f ≄ 0 und FlĂ€che 4 · 0,25 = 1, also Dichtefunktion. P(1 ≀ X ≀ 2,5) ist die FlĂ€che des Rechtecks ĂŒber [1; 2,5]: Breite 1,5, Höhe 0,25, also 1,5 · 0,25 = 0,375. P(X = 3) = 0, weil ein einzelner Wert die Breite 0 und damit keine FlĂ€che hat.
Die FlĂ€che unter f ist ein Rechteck, 4 · 0,25 = 1. Die gesuchte Wahrscheinlichkeit ist das Teilrechteck ĂŒber [1; 2,5]: 1,5 · 0,25 = 0,375. Ein einzelner Wert hat keine FlĂ€che: P(X = 3) = 0.