Stochastik
Häufigkeiten und Zufallsexperimente
Absolute und relative Häufigkeit, Zufallsexperimente planen und im Baumdiagramm darstellen.
Benötigte Grundlagen
Diese Themen kommen in diesem Kapitel vor und wurden vorher schon erklärt. Wenn dir eines davon unsicher vorkommt, frisch es kurz auf, sonst leg direkt los.
Einführung
Ist dieser gezinkt? Wie oft kommt bei zwei Münzwürfen zweimal Kopf? Solchen Fragen rückst du mit Experimenten zu Leibe: würfeln, werfen, zählen, und die Ergebnisse mit relativen Häufigkeiten und ordnen. Das ist der Einstieg in die Stochastik, die Mathematik des Zufalls.
Das kannst du nach diesem Kapitel
absolute und relative Häufigkeiten ermitteln und interpretieren.
einstufige und zweistufige Zufallsexperimente planen und durchführen.
zweistufige Experimente im darstellen.
alle möglichen Ergebnisse eines mehrstufigen Experiments systematisch aufzählen.
Absolute und relative Häufigkeit
Wirfst du einen -mal und fällt -mal die Sechs, dann ist
- die absolute Häufigkeit der Sechs: ,
- die relative Häufigkeit: .
Die relative Häufigkeit liegt immer zwischen und (bzw. und ), und alle relativen Häufigkeiten eines Experiments summieren sich zu .
Warum genau ? Zählst du die absoluten Häufigkeiten aller Ergebnisse zusammen, bekommst du die Gesamtzahl der Versuche zurück, jeder Wurf ist ja genau einmal irgendwo mitgezählt worden. Und teilst du diese Gesamtzahl durch sich selbst, kommt heraus. Das ist zugleich deine schnellste Kontrolle: Ergibt die Summe nicht , hast du dich verzählt.
Das Säulendiagramm unten zeigt die absoluten Häufigkeiten der Augenzahlen aus Würfen.
Warum relativ? Nur relative Häufigkeiten lassen sich vergleichen: Sechser bei Würfen () sind bemerkenswerter als Sechser bei Würfen ().
Beim -maligen zählst du, wie oft jede Augenzahl fällt, die absolute Häufigkeit. Das Säulendiagramm macht die Unterschiede auf einen Blick sichtbar (Werteachse ab , gleiche Breite).
Zufallsexperimente
Ein Zufallsexperiment ist ein Vorgang mit mehreren möglichen Ergebnissen, dessen Ausgang nicht vorhersagbar ist, aber unter gleichen Bedingungen beliebig wiederholbar (, Münzwurf, Glücksrad, Ziehen aus einer Urne).
- einstufig: einmal ausführen (ein Wurf).
- zweistufig: zwei Ausführungen nacheinander (zwei Würfe, oder Münze, dann Würfel).
Das Baumdiagramm
Bei mehrstufigen Experimenten behältst du mit dem den Überblick: Jede Stufe verzweigt sich in ihre möglichen Ergebnisse, jeder Pfad von der Wurzel bis zum Ende steht für ein Gesamtergebnis. Im Bild unten siehst du zwei Münzwürfe, die vier Pfade , , , .
Pfade zählen: Anzahl der Ergebnisse Produkt der Möglichkeiten pro Stufe. Münze dann : Pfade. (Die Wahrscheinlichkeitsrechnung an den Ästen folgt in Klasse 7/8. Hier zählen wir erst einmal sauber.)
Warum multipliziert man? Zu jedem Ergebnis der ersten Stufe gehören alle Ergebnisse der zweiten. Bei der Münze gibt es zwei Äste, und an jedem davon verzweigt sich der Würfel noch einmal in sechs. Also Pfade beim Kopf-Ast und beim Zahl-Ast, zusammen .
Das ist dieselbe Überlegung wie beim Zählen von Kleiderkombinationen: Hosen und Shirts ergeben Outfits.
Damit ist auch die Frage vom Kapitelanfang beantwortet: Von den vier Pfaden zweier Münzwürfe ist genau einer , zweimal Kopf ist also einer von vier möglichen Ausgängen.
Zwei Münzwürfe nacheinander als : Jede Stufe verzweigt in Kopf () oder Zahl (). Ein Pfad von links nach rechts ist ein Ergebnis (z. B. ). Es gibt gleich wahrscheinliche Pfade.
Denk weiter: Du hast den Verdacht, dass ein Würfel gezinkt ist. Wie kannst du das mit relativen Häufigkeiten untersuchen, und warum reicht es nicht, zehnmal zu würfeln?
Überlege erst selbst, wie du vorgehen würdest.
So gehst du vor: Würfle oft und notiere für jede Augenzahl, wie oft sie fällt (die absoluten Häufigkeiten). Rechne sie anschließend in relative Häufigkeiten um, nur die kannst du vergleichen, und nur sie bleiben aussagekräftig, wenn jemand anders eine andere Anzahl Würfe macht.
Womit vergleichst du? Bei einem fairen sind alle sechs Augenzahlen gleichberechtigt, keine ist bevorzugt. Jede sollte deshalb ungefähr ein Sechstel aller Würfe ausmachen:
Weicht eine Augenzahl dauerhaft und deutlich davon ab, während die anderen zurückbleiben, ist das ein begründeter Verdacht.
Und warum nicht zehn Würfe? Weil relative Häufigkeiten bei wenigen Versuchen stark schwanken. Bei zehn Würfen kommt die Sechs leicht dreimal (). Das ist reiner Zufall und kein Hinweis auf einen gezinkten Würfel. Erst bei vielen Würfen pendeln sich die Werte ein; bei Würfen wäre eine Sechs mit dagegen sehr auffällig.
Wo deine Möglichkeiten enden, ehrlich gesagt: Ganz sicher wirst du nie. Ab wann eine Abweichung zu groß ist, um noch Zufall zu sein, beantwortet erst die Wahrscheinlichkeitsrechnung ab Klasse 7. Was du jetzt schon kannst, ist mehr als ein Bauchgefühl: einen begründeten Verdacht, gestützt auf gezählte Daten.
Relative Häufigkeiten berechnen und vergleichen
Zwei Reißzwecken-Experimente: Zwecke A landet bei 40 Würfen 26-mal auf dem Kopf, Zwecke B bei 60 Würfen 36-mal. Welche Zwecke landet häufiger auf dem Kopf?
- 1
Die Falle in dieser Aufgabe. Ein schneller Blick sagt: , also Zwecke B.
Das ist falsch, die beiden Zahlen sind gar nicht vergleichbar, weil unterschiedlich oft geworfen wurde. Zwecke B hatte ja auch Würfe mehr Gelegenheit.
Was man vergleichen muss, ist der Anteil der Kopf-Landungen an allen Würfen, also die relative Häufigkeit.
- 2
Schritt 1: Die Formel notieren.
Oben steht, was gezählt wurde; unten, wie oft insgesamt geworfen wurde. Die Reihenfolge zu vertauschen ist der häufigste Fehler.
- 3
Schritt 2: Zwecke A berechnen.
Zwischenschritt: . Als Prozentwert das Komma zwei Stellen nach rechts.
- 4
Schritt 3: Zwecke B berechnen.
geht auch: ✓
- 5
Schritt 4: Jetzt vergleichen. Beide Anteile beziehen sich auf dieselbe Grundlage (), sind also direkt vergleichbar:
Zwecke A landet häufiger auf dem Kopf, obwohl sie in absoluten Zahlen weniger Kopf-Landungen hatte.
- 6
Schritt 5: Das Ergebnis einordnen. Warum ist das kein Widerspruch?
Zwecke A schaffte Treffer bei nur Versuchen, Zwecke B brauchte Versuche für . Pro Wurf war A also erfolgreicher.
Kontrolle mit gleicher Basis: Rechne beide auf Würfe hoch (das kleinste gemeinsame von und ):
- A: Kopf-Landungen
- B: Kopf-Landungen
Bei gleicher Wurfzahl liegt A vorn ✓, dasselbe Ergebnis auf anderem Weg.
- 7
Schritt 6: Die Kontrolle des Wertebereichs. Relative Häufigkeiten liegen immer zwischen und (bzw. und ):
Käme ein Wert über heraus, hättest du und vertauscht.
Zwecke A landet häufiger auf dem Kopf: gegenüber .
Zum Mitnehmen: Absolute Häufigkeiten aus verschiedenen Versuchsreihen darf man nicht direkt vergleichen. Erst die relative Häufigkeit schafft eine gemeinsame Grundlage.
Baumdiagramm für ein zweistufiges Experiment
Erst wird eine Münze geworfen (Kopf K / Zahl Z), dann am Glücksrad gedreht (rot r / blau b / grün g). Zeichne das und zähle alle Ergebnisse. Wie viele Pfade enthalten „rot"?
- 1
Was für ein Experiment ist das? Zwei Vorgänge nacheinander, also ein zweistufiges Zufallsexperiment.
Die Stufen sortieren, bevor gezeichnet wird:
- 1. Stufe: Münze mit Möglichkeiten (, )
- 2. Stufe: Glücksrad mit Möglichkeiten (, , )
Die Reihenfolge ist wichtig, sie legt fest, was oben im Baum steht.
- 2
Schritt 1: Die erste Stufe zeichnen. Von der Wurzel gehen zwei Äste aus:
- 3
Schritt 2: Die zweite Stufe anhängen. Jetzt kommt der entscheidende Punkt: An jeden der beiden Äste werden alle drei Glücksrad-Ergebnisse angehängt.
Nicht nur an einen Ast! Das Glücksrad wird ja unabhängig davon gedreht, was die Münze gezeigt hat.
- 4
Schritt 3: Die Pfade auflisten. Jeder Weg von der Wurzel bis zu einem Ende ist ein mögliches Gesamtergebnis:
Insgesamt Ergebnisse.
- 5
Schritt 4: Mit der Rechenregel gegenprüfen. Statt zu zählen, kannst du multiplizieren:
Warum multiplizieren? Zu jedem der Münzergebnisse gehören Glücksrad-Ergebnisse. Also Pfade über und über .
Diese Regel spart bei größeren Experimenten viel Arbeit: Münze, und Glücksrad hintereinander wären Pfade, die will niemand einzeln aufschreiben.
- 6
Schritt 5: Die Pfade mit „rot" zählen. Gehe die Liste durch und markiere alle, in denen ein vorkommt:
Es sind Pfade: und .
- 7
Schritt 6: Das Ergebnis verstehen. Warum genau ?
„Rot" legt nur die zweite Stufe fest. Die erste bleibt frei, und dafür gibt es Möglichkeiten ( oder ).
Dieselbe Überlegung funktioniert immer: Zähle für jede Stufe die noch offenen Möglichkeiten und multipliziere sie.
Es gibt Ergebnisse (, , , , , ), davon enthalten die Farbe Rot.
Zum Mitnehmen: An jeden Ast der ersten Stufe kommen alle Möglichkeiten der zweiten. Die Gesamtzahl der Pfade ist das Produkt der Möglichkeiten pro Stufe.
Typischer Fehler
„Bei 20 Würfen kam 24-mal Zahl… äh, die relative Häufigkeit ist ."
Eine relative Häufigkeit über 1 (über 100 %) ist unmöglich, ein Ergebnis kann nicht öfter eintreten, als überhaupt Versuche stattfanden! Hier stimmen die gezählten Daten nicht (24 > 20). Nutze als automatischen Fehler-Alarm für Zähl- und Tippfehler.
Übung 1
leichtBei 25 Freiwürfen trifft Emma 18-mal. Gib die relative Häufigkeit ihrer Treffer als , und in an.
Tipp anzeigen
Treffer : Versuche.
Lösung anzeigen
Detaillierte Schritterklärung anzeigen
Hier wird jeder Schritt einzeln erklärt, vor allem, warum er gemacht wird.
✦ Empfohlen: Standard – Die normale Erklärungstiefe passt zum Einstieg.
- 1
Relative Häufigkeit als Bruch aufstellen
Relative Häufigkeit = Treffer durch Versuche: .
- 2
In Dezimalzahl umwandeln
auf Hundertstel (mal ): .
Zwischenergebnis
- 3
In Prozent ausdrücken und deuten
: Emma trifft von gedachten Würfen.
Übung 2
mittelIn einer Urne liegen eine rote, eine blaue und eine gelbe Kugel. Es wird zweimal mit Zurücklegen gezogen. a) Zeichne das . b) Wie viele Ergebnisse gibt es? c) Bei wie vielen Ergebnissen sind beide Kugeln gleichfarbig?
Tipp anzeigen
Mit Zurücklegen hat Stufe 2 wieder alle drei Farben.
Lösung anzeigen
a) Stufe 1: r, b, g, von jedem Ast wieder r, b, g.
b) Ergebnisse.
c) rr, bb, gg → 3 Ergebnisse.
Detaillierte Schritterklärung anzeigen
Hier wird jeder Schritt einzeln erklärt, vor allem, warum er gemacht wird.
✦ Empfohlen: Standard – Die normale Erklärungstiefe passt zum Einstieg.
- 1
a) Baumdiagramm aufbauen
Stufe 1 (erster Zug): drei Äste r, b, g. Weil die Kugel ZURÜCKgelegt wird, hat jeder Ast auf Stufe 2 wieder alle drei Möglichkeiten r, b, g.
- 2
b) Ergebnisse zählen
Jede Stufe hat Möglichkeiten: Ergebnisse (Pfade durchs Diagramm).
- 3
c) Gleichfarbige Pfade finden
Beide Kugeln gleichfarbig: rr, bb, gg, genau der Ergebnisse.
Übung 3
schwerDieselbe Urne, aber ohne Zurücklegen (die gezogene Kugel bleibt draußen). a) Wie verändert sich das ? b) Wie viele Ergebnisse gibt es jetzt? c) Kann noch „zweimal dieselbe Farbe" vorkommen?
Tipp anzeigen
Auf Stufe 2 fehlt die schon gezogene Farbe.
Lösung anzeigen
a) Auf Stufe 2 hat jeder Ast nur noch zwei Zweige (die gezogene Farbe fehlt).
b) Ergebnisse: rb, rg, br, bg, gr, gb.
c) Nein, die erste Kugel liegt nicht mehr in der Urne. Das Baumdiagramm zeigt das sofort: Es gibt keine rr-, bb-, gg-Pfade mehr.
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Hier wird jeder Schritt einzeln erklärt, vor allem, warum er gemacht wird.
✦ Empfohlen: Standard – Die normale Erklärungstiefe passt zum Einstieg.
- 1
a) Wie sich der Baum verändert
Ohne Zurücklegen fehlt die gezogene Kugel im zweiten Zug: Jeder Stufe-1-Ast hat auf Stufe 2 nur noch ZWEI Zweige (die eigene Farbe fällt weg).
- 2
b) Ergebnisse neu zählen
Möglichkeiten mal Möglichkeiten: Ergebnisse, rb, rg, br, bg, gr, gb.
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c) Gleichfarbig ist unmöglich geworden
Zweimal dieselbe Farbe kann NICHT mehr vorkommen, die erste Kugel liegt draußen. Im Baum sichtbar: Es gibt keine rr-, bb-, gg-Pfade mehr.
Zusammenfassung
Absolute Häufigkeiten zählen, relative Häufigkeiten (absolut: gesamt, immer zwischen 0 und 1) machen Ergebnisse vergleichbar. Zufallsexperimente sind wiederholbare Vorgänge mit ungewissem Ausgang; bei zwei Stufen bringt das Ordnung: Pfade sind Ergebnisse, ihre Anzahl ist das Produkt der Möglichkeiten, und ob zurückgelegt wird, verändert den Baum.


