Sigma-Regeln und symmetrische Intervalle

Sigma rules and symmetric intervals

Mathematik Klasse 13 18 Aufgaben
WahrscheinlichkeitNormalverteilungSigma-Regeln

Bei jeder Normalverteilung liegen etwa 68,3 % der Werte in [μ − σ; μ + σ], 95,4 % in [μ − 2σ; μ + 2σ] und 99,7 % in [μ − 3σ; μ + 3σ]; gebräuchlich sind auch 1,64σ, 1,96σ und 2,58σ für 90 %, 95 % und 99 %. Ist die Wahrscheinlichkeit P vorgegeben, sucht man das symmetrische Intervall über Φ(z) = (1 + P)/2, denn die Restfläche teilt sich auf beide Ränder. Räumt aus, die Regeln einseitig zu lesen oder Φ(z) = P zu setzen, und dass Werte außerhalb 3σ unmöglich seien. Bereitet Toleranz- und Qualitätsaufgaben vor.

Die Sigma-Regeln

Bei jeder Normalverteilung hängt die Wahrscheinlichkeit für ein Intervall um μ nur davon ab, wie viele σ breit es ist. Für die Sigma-Regeln gilt:

Für die Körpergröße heißt das: 68,3 % liegen in [164; 180], 95,4 % in [156; 188], 99,7 % in [148; 196]. Außerhalb von μ ± 2σ liegen nur etwa 4,6 %, außerhalb von μ ± 3σ etwa 0,3 %. Solche Werte sind ungewöhnlich, aber nicht unmöglich: 200 cm, also 3,5σ über μ, kommt selten vor. Die Prozente gelten für beide Seiten zusammen: Zwischen μ und μ + σ liegt nur die Hälfte von 68,3 %, also etwa 34,1 %.

Stelle k auf 1, 2 und 3. Welche Prozentzahlen zeigt der Chip?

Von der Wahrscheinlichkeit zum Intervall

Oft ist umgekehrt die Wahrscheinlichkeit P vorgegeben, und das um μ symmetrische Intervall wird gesucht. Die Restfläche 1 − P teilt sich auf beide Ränder, je . Links der oberen Grenze liegt dann .

Für P = 0,95 ist , also , und das Intervall lautet . Ähnlich gehören 1,64σ zu 90 % und 2,58σ zu 99 %. Wer ansetzt, erhält nur ein 90-%-Intervall, weil links und rechts je 5 % übrig bleiben.

Die beiden Ränder sind gleich groß. Wie viel Wahrscheinlichkeit liegt links der oberen Grenze?
Leicht
Multiple Choice #1 20s ▶ Testen

Etwa wie groß ist bei einer Normalverteilung die Wahrscheinlichkeit, dass X höchstens 2σ von μ entfernt liegt?

  • ● 95,4 %
  • ○ 68,3 %
  • ○ 47,7 %
Die 2σ-Regel: P(μ − 2σ ≤ X ≤ μ + 2σ) ≈ 0,954. 68,3 % gehören zu 1σ; 47,7 % ist nur die halbe Seite, von μ bis μ + 2σ.
Multiple Choice #2 20s ▶ Testen

Die Kurve gehört zu einer Normalverteilung mit μ = 172 und σ = 8. Etwa wie groß ist die gefärbte Fläche zwischen 148 und 196?

  • ● 99,7 %
  • ○ 95,4 %
  • ○ 68,3 %
148 = 172 − 3 · 8 und 196 = 172 + 3 · 8: Das Band ist μ ± 3σ, die Fläche also etwa 99,7 %. Bei 95,4 % würde das Band bei 156 und 188 enden.
Multiple Choice #3 20s ▶ Testen

Die Körpergröße ist normalverteilt mit μ = 172 cm und σ = 8 cm. Welches Intervall enthält etwa 68,3 % der Werte?

  • ● [164; 180]
  • ○ [156; 188]
  • ○ [168; 176]
68,3 % gehören zum 1σ-Intervall [μ − σ; μ + σ] = [172 − 8; 172 + 8] = [164; 180]. [156; 188] ist das 2σ-Intervall, [168; 176] wäre ± σ/2.
Wahr / Falsch #4 15s ▶ Testen

Für μ = 100 und σ = 15 liegen etwa 95,4 % der Werte im Intervall [70; 130].

✓ Wahr
70 = 100 − 2 · 15 und 130 = 100 + 2 · 15: Das ist das 2σ-Intervall, in dem etwa 95,4 % liegen.
Multiple Choice #5 20s ▶ Testen

Für ein normalverteiltes X soll ein um μ symmetrisches Intervall die Wahrscheinlichkeit 0,95 haben. Welche Bedingung gilt für die obere Grenze in z-Werten?

  • ● Φ(z) = 0,975
  • ○ Φ(z) = 0,95
  • ○ Φ(z) = 0,9
Die Restfläche 0,05 teilt sich auf beide Ränder: je 0,025. Links der oberen Grenze liegt also 1 − 0,025 = 0,975, es gilt Φ(z) = 0,975 und z = 1,96. Φ(z) = 0,95 würde nur 90 % in die Mitte legen.
Wahr / Falsch #6 15s ▶ Testen

Ein um μ symmetrisches Intervall mit der Wahrscheinlichkeit 90 % lässt links und rechts je 10 % übrig.

✓ Falsch
Es bleiben insgesamt 10 %, und die teilen sich auf beide Ränder: je 5 %.
Multiple Choice #7 20s ▶ Testen

Die beiden grauen Ränder sind gleich groß und zusammen 10 %. Wie groß ist Φ(z) an der rechten Grenze des weißen Bereichs?

  • ● 0,95
  • ○ 0,90
  • ○ 0,05
Jeder Rand hat 5 %. Links der rechten Grenze liegen die Mitte und der linke Rand: 90 % + 5 % = 95 %, also Φ(z) = 0,95 (z ≈ 1,645).
Multiple Choice #8 20s ▶ Testen

Die Körpergröße ist normalverteilt mit μ = 172 cm und σ = 8 cm. Welche Größe ist am ungewöhnlichsten?

  • ● 200 cm
  • ○ 188 cm
  • ○ 180 cm
200 cm liegt (200 − 172)/8 = 3,5σ über μ, 188 cm nur 2σ und 180 cm 1σ. Je mehr σ, desto seltener der Wert.
Wahr / Falsch #9 15s ▶ Testen

Ein Wert außerhalb von μ ± 3σ kann bei einer Normalverteilung nicht auftreten.

✓ Falsch
Außerhalb von μ ± 3σ liegen etwa 0,3 % der Werte. Das ist selten, aber nicht unmöglich; die Dichte wird nirgends 0.
Mittel
Zahleneingabe #1 30s ▶ Testen

Wie viel Prozent der Werte einer Normalverteilung liegen in [μ − 3σ; μ + 3σ]? (auf 0,1 % genau)

✓ Antwort: 99.7
Die 3σ-Regel: P(μ − 3σ ≤ X ≤ μ + 3σ) ≈ 0,997, also 99,7 %.
Zahleneingabe #2 30s ▶ Testen

Es ist μ = 60 und σ = 4. Wie lautet die untere Grenze des 2σ-Intervalls?

✓ Antwort: 52
μ − 2σ = 60 − 2 · 4 = 52.
Zahleneingabe #3 30s ▶ Testen

Ein um μ symmetrisches Intervall soll die Wahrscheinlichkeit 0,99 haben. Wie groß ist die Randfläche auf jeder Seite?

✓ Antwort: 0.005
Es bleiben 1 − 0,99 = 0,01, verteilt auf zwei Ränder: 0,01 : 2 = 0,005.
Zahleneingabe #4 30s ▶ Testen

Wie viel Prozent der Werte einer Normalverteilung liegen außerhalb von [μ − 2σ; μ + 2σ]? (Sigma-Regel, auf 0,1 % genau)

✓ Antwort: 4.6
Innerhalb liegen 95,4 %, also außerhalb 100 % − 95,4 % = 4,6 %.
Schwer
Zahleneingabe #1 35s ▶ Testen

Eine Maschine füllt Beutel; die Masse ist normalverteilt mit μ = 500 g und σ = 5 g. Wie viel Prozent der Beutel wiegen zwischen 490 g und 510 g? (Sigma-Regel, auf 0,1 % genau)

✓ Antwort: 95.4
490 = 500 − 2 · 5 und 510 = 500 + 2 · 5: Das ist das 2σ-Intervall, also etwa 95,4 %.
Zahleneingabe #2 25s ▶ Testen

Schrauben haben eine normalverteilte Länge mit μ = 40 mm und σ = 0,2 mm. Wie lautet die obere Grenze des 3σ-Intervalls (in mm)?

✓ Antwort: 40.6
μ + 3σ = 40 + 3 · 0,2 = 40,6 mm.
Zahleneingabe #3 35s ▶ Testen

X ist normalverteilt mit μ = 172 und σ = 8. Aus Φ(1,96) = 0,975 folgt: Das symmetrische Intervall mit P = 0,95 hat die obere Grenze ___ (auf 0,01 genau).

✓ Antwort: 187.68
Obere Grenze = μ + zσ = 172 + 1,96 · 8 = 187,68. Die untere Grenze ist 156,32.
KI-bewertete Rechnung #4 240s ▶ Testen

Die Füllmenge X einer Abfüllanlage ist normalverteilt mit μ = 500 ml und σ = 4 ml. In welchem um μ symmetrischen Intervall liegen 95 % der Füllmengen? Benutze Φ(1,96) = 0,975 und begründe, warum man Φ(z) = 0,975 ansetzt und nicht Φ(z) = 0,95. Schreibe deine Rechnung auf Papier und fotografiere sie.

✓ Antwort: Die Restfläche 1 − 0,95 = 0,05 teilt sich auf beide Ränder, je 0,025. Links der oberen Grenze liegt 1 − 0,025 = 0,975, also Φ(z) = 0,975 und z = 1,96. Intervall [500 − 1,96 · 4; 500 + 1,96 · 4] = [492,16; 507,84].
Das Intervall braucht auf jeder Seite einen Rand von 2,5 %. Deshalb liegt links der oberen Grenze die Fläche 0,975, nicht 0,95.
Zahleneingabe #5 40s ▶ Testen

Von 1000 Jugendlichen (μ = 172 cm, σ = 8 cm) sind nach der 3σ-Regel etwa wie viele kleiner als 148 cm oder größer als 196 cm? (auf ganze Personen gerundet)

✓ Antwort: 3
148 = μ − 3σ und 196 = μ + 3σ. Außerhalb liegen 0,3 % (genauer 0,27 %): 1000 · 0,0027 ≈ 2,7, also etwa 3 Jugendliche.