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Mathe-Arbeitsblätter Klasse 13

Stellen Sie aus mehr als 25.000 Matheaufgaben von der 3. bis zur 13. Klasse Ihre eigenen Arbeitsblätter zusammen. Alle Aufgaben enthalten Lösungsschritte.

Wahrscheinlichkeiten in Intervallen

Lernziele

  • Übersetzt Bedingungen in Intervalle.
  • Berechnet ein- und zweiseitige Normalwahrscheinlichkeiten.
  • Nutzt Symmetrie und Gegenereignisse.
  • Erklärt die Gleichwertigkeit offener und geschlossener Grenzen.

Klicken Sie auf Aufgaben, um sie zum Drucken auszuwählen.

55160213
Eine normalverteilte Zufallsgröße \(X\) besitzt die Verteilungsfunktion \(F\). Es gilt \(F(42)=0{,}25\) und \(F(58)=0{,}75\). Bestimme \(P(42\le X\le58)\).

Denkanstöße

- Welche beiden kumulierten Flächen begrenzen das gesuchte Intervall? - Eine Intervallwahrscheinlichkeit erhältst du aus der Differenz der Verteilungsfunktionswerte an der rechten und linken Grenze.

Lösung

Für eine stetige Zufallsgröße ist die Intervallwahrscheinlichkeit die Differenz der kumulierten Wahrscheinlichkeiten an den Grenzen: \(P(42\le X\le58)=F(58)-F(42)=0{,}75-0{,}25=0{,}50\).

Antwort

\(P(42\le X\le58)=0{,}50=50\,\%\)
55355913
Eine normalverteilte Zufallsgröße \(X\) besitzt die Verteilungsfunktion \(F\). Es gilt \(F(72)=0{,}84\). Bestimme \(P(X>72)\).

Denkanstöße

- Welche Wahrscheinlichkeit beschreibt \(F(72)\) direkt? - Ergänze diese Wahrscheinlichkeit zur Gesamtwahrscheinlichkeit \(1\).

Lösung

1. Das Ereignis \(X>72\) ist das Gegenereignis zu \(X\le72\). Daher gilt \(P(X>72)=1-F(72)=1-0{,}84=0{,}16\).

Antwort

\(P(X>72)=0{,}16\)
55356013
Eine normalverteilte Zufallsgröße \(X\) hat den Erwartungswert \(\mu=30\). Bestimme ohne Tabelle oder Taschenrechner \(P(X\ge30)\).

Denkanstöße

- Wo liegt der Erwartungswert auf der symmetrischen Glockenkurve? - Welche Gesamtwahrscheinlichkeit liegt auf jeder Seite des Symmetriezentrums?

Lösung

1. Die Normalverteilung ist symmetrisch um ihren Erwartungswert. Deshalb liegt die Hälfte der Gesamtwahrscheinlichkeit rechts von \(\mu=30\), also gilt \(P(X\ge30)=0{,}5\).

Antwort

\(P(X\ge30)=0{,}5\)
42512713
Eine normalverteilte Zufallsgröße \(X\) besitzt den Erwartungswert \(\mu = 100\) und die Standardabweichung \(\sigma = 10\). Bestimme die folgenden Wahrscheinlichkeiten: a) \(P(X \le 100)\) b) \(P(X \le 110)\) c) \(P(90 \le X \le 110)\) d) \(P(X > 120)\) e) \(P(X = 105)\)

Denkanstöße

- Überlege dir, welche besondere Eigenschaft die Normalverteilung hinsichtlich ihrer Symmetrie um den Erwartungswert hat. - Wie hängen Wahrscheinlichkeiten für Intervalle mit der Verteilungsfunktion \(\Phi\) zusammen? - Erinnere dich an die Bedeutung der Standardabweichung \(\sigma\) für die Wahrscheinlichkeiten in der Nähe von \(\mu\). - Was gilt allgemein für die Wahrscheinlichkeit eines einzelnen Punktes bei stetigen Verteilungen?

Lösung

1. Berechnung von \(P(X \le 100)\): Da die Normalverteilung symmetrisch um \(\mu\) ist, gilt \(P(X \le \mu) = 0{,}5\). 2. Berechnung von \(P(X \le 110)\): Transformation in die Standardnormalverteilung mit \(z = \frac{110 - 100}{10} = 1\). Es folgt \(\Phi(1) \approx 0{,}8413\). 3. Berechnung von \(P(90 \le X \le 110)\): Dies entspricht dem \(1\sigma\)-Intervall um den Erwartungswert. Es gilt \(P(\mu - \sigma \le X \le \mu + \sigma) = \Phi(1) - \Phi(-1) = 2 \cdot \Phi(1) - 1 \approx 0{,}6827\). 4. Berechnung von \(P(X > 120)\): Transformation ergibt \(z = \frac{120 - 100}{10} = 2\). Die Gegenwahrscheinlichkeit ist \(1 - \Phi(2) \approx 1 - 0{,}9772 = 0{,}0228\). 5. Berechnung von \(P(X = 105)\): Bei stetigen Zufallsgrößen ist die Wahrscheinlichkeit für einen exakten Einzelwert stets \(0\).

Antwort

a) \(P(X \le 100) = 0{,}5\) b) \(P(X \le 110) \approx 0{,}8413\) c) \(P(90 \le X \le 110) \approx 0{,}6827\) d) \(P(X > 120) \approx 0{,}0228\) e) \(P(X = 105) = 0\)
42513213
Eine normalverteilte Zufallsgröße \(X\) hat den Erwartungswert \(\mu = 100\) und die Standardabweichung \(\sigma = 15\). Bestimme die Wahrscheinlichkeit \(P(85 \le X \le 120)\).

Denkanstöße

- Welche Transformation hilft dir dabei, eine beliebige Normalverteilung auf die Standardnormalverteilung zurückzuführen? - Wie hängen die Grenzen des gesuchten Intervalls mit dem Erwartungswert und der Standardabweichung zusammen? - Erinnere dich an die Symmetrieeigenschaften der Glockenkurve, wenn du mit negativen Werten arbeitest. - Welches Hilfsmittel (Tabelle oder Taschenrechner) steht dir zur Verfügung, um die Werte der Verteilungsfunktion zu bestimmen?

Lösung

1. Transformation der Intervallgrenzen in \(z\)-Werte (Standardisierung): \(z_1 = \frac{85 - 100}{15} = -1\) und \(z_2 = \frac{120 - 100}{15} = \frac{4}{3} \approx 1{,}3333\). 2. Ansatz über die Verteilungsfunktion \(\Phi\) der Standardnormalverteilung: \(P(85 \le X \le 120) = \Phi\left(\frac{4}{3}\right) - \Phi(-1)\). 3. Anwendung der Symmetrieeigenschaft: \(\Phi(-1) = 1 - \Phi(1)\). 4. Mit einer Tabelle oder einem Taschenrechner erhält man \(\Phi\left(\frac{4}{3}\right) \approx 0{,}9088\) und \(\Phi(-1) \approx 0{,}1587\). 5. Damit gilt \(P(85 \le X \le 120) \approx 0{,}9088 - 0{,}1587 = 0{,}7501\).

Antwort

\(P(85 \le X \le 120) \approx 0{,}7501\)
42513813
Die Intelligenzquotienten (IQ) einer Bevölkerungsgruppe seien näherungsweise normalverteilt mit dem Erwartungswert \(\mu = 100\) und der Standardabweichung \(\sigma = 15\). Bestimme die Wahrscheinlichkeiten für die folgenden Intervalle (verwende eine Tabelle der Standardnormalverteilung oder einen Taschenrechner): 1. Ein zufällig ausgewählter Proband hat einen IQ zwischen \(85\) und \(115\). 2. Ein Proband hat einen IQ von höchstens \(70\). 3. Ein Proband hat einen IQ von mehr als \(130\). 4. Ein Proband hat einen IQ im Bereich von \(110\) bis \(120\).

Denkanstöße

- Erinnere dich an die Standardisierung von Normalverteilungen, um die \(\Phi\)-Tabelle nutzen zu können. - Nutze die Symmetrie der Glockenkurve aus, um Wahrscheinlichkeiten für negative z-Werte oder Ausläufer zu berechnen. - Was sagen dir die \(\sigma\)-Regeln über die Wahrscheinlichkeiten in der Nähe des Erwartungswerts?

Lösung

Die Zufallsgröße \(X\) ist \(N(100; 15^2)\)-verteilt. Die Transformation erfolgt über \(z = \frac{x - \mu}{\sigma}\). 1. \(P(85 \le X \le 115) = \Phi(1) - \Phi(-1) = 2\Phi(1) - 1 \approx 0{,}6827\). 2. \(P(X \le 70) = \Phi(-2) \approx 0{,}0228\). 3. \(P(X > 130) = 1 - \Phi(2) \approx 0{,}0228\). 4. Für die Grenzen gilt \(z_1 = \frac{110-100}{15} = \frac{2}{3}\) und \(z_2 = \frac{120-100}{15} = \frac{4}{3}\). Daher ist \(P(110 \le X \le 120) = \Phi\left(\frac{4}{3}\right) - \Phi\left(\frac{2}{3}\right) \approx 0{,}9088 - 0{,}7475 = 0{,}1613\).

Antwort

1. \(P(85 \le X \le 115) \approx 68{,}27\,\%\) 2. \(P(X \le 70) \approx 2{,}28\,\%\) 3. \(P(X > 130) \approx 2{,}28\,\%\) 4. \(P(110 \le X \le 120) \approx 16{,}13\,\%\)
42517613
Bestimme für eine Zufallsgröße \(X\), die normalverteilt mit \(\mu = 200\) und \(\sigma = 50\) ist, die folgenden Wahrscheinlichkeiten: a) \(P(X \leq 275)\) b) \(P(100 < X < 250)\) c) \(P(X \geq 150)\)

Denkanstöße

- Erinnere dich an die Formel für die Standardisierung. - Wie gehst du vor, wenn ein \(z\)-Wert negativ ist? Gibt es eine Symmetrieeigenschaft der Funktion \(\Phi\)? - Überlege dir bei Aufgabenteil c), ob die gesuchte Fläche links oder rechts vom transformierten Wert liegt. - Skizziere dir gedanklich die Position der Werte im Verhältnis zum Mittelwert \(\mu = 200\).

Lösung

1. Transformation der Werte in \(z\)-Werte mittels \(z = \frac{x - 200}{50}\). 2. Für a): \(z = \frac{275 - 200}{50} = 1{,}5\). Die Wahrscheinlichkeit ist \(\Phi(1{,}5) \approx 0{,}9332\). 3. Für b): Untere Grenze \(z_1 = \frac{100 - 200}{50} = -2\), obere Grenze \(z_2 = \frac{250 - 200}{50} = 1\). Die Wahrscheinlichkeit ist \(\Phi(1) - \Phi(-2) = \Phi(1) - (1 - \Phi(2)) \approx 0{,}8413 - (1 - 0{,}9772) = 0{,}8413 - 0{,}0228 = 0{,}8185\). 4. Für c): \(z = \frac{150 - 200}{50} = -1\). Die Wahrscheinlichkeit für \(X \geq 150\) entspricht \(1 - \Phi(-1) = 1 - (1 - \Phi(1)) = \Phi(1) \approx 0{,}8413\).

Antwort

a) \(P(X \leq 275) \approx 0{,}9332\) b) \(P(100 < X < 250) \approx 0{,}8185\) c) \(P(X \geq 150) \approx 0{,}8413\)
42518813
Eine Zufallsgröße \(X\) ist normalverteilt mit dem Erwartungswert \(\mu=500\) und der Standardabweichung \(\sigma=20\). Berechne die folgenden Wahrscheinlichkeiten. Runde nicht exakte Ergebnisse auf vier Dezimalstellen. a) \(P(480<X<520)\) b) \(P(X>550)\) c) \(P(450\le X\le490)\) d) \(P(X\le500)\)

Denkanstöße

- Standardisiere die jeweiligen Intervallgrenzen beziehungsweise Schwellenwerte. - Für eine obere Restwahrscheinlichkeit brauchst du die Gegenwahrscheinlichkeit zu einem Wert der Verteilungsfunktion. - Nutze bei Teil d) die Symmetrie am Erwartungswert.

Lösung

1. Für a) entsprechen die Grenzen den standardisierten Werten \(-1\) und \(1\). Daher ist \(P(480<X<520)=\Phi(1)-\Phi(-1)\approx0{,}6827\). 2. Für b) ist \(z=\frac{550-500}{20}=2{,}5\). Somit gilt \(P(X>550)=1-\Phi(2{,}5)\approx0{,}0062\). 3. Für c) ergeben sich \(z_1=-2{,}5\) und \(z_2=-0{,}5\). Damit ist \(P(450\le X\le490)=\Phi(-0{,}5)-\Phi(-2{,}5)\approx0{,}3023\). 4. Wegen der Symmetrie der Normalverteilung um \(\mu\) gilt \(P(X\le500)=0{,}5\).

Antwort

a) \(0{,}6827\) b) \(0{,}0062\) c) \(0{,}3023\) d) \(0{,}5\)
42533713
Eine stetige Zufallsgröße \(X\) ist normalverteilt mit dem Erwartungswert \(\mu=80\) und der Standardabweichung \(\sigma=10\). Berechne die Wahrscheinlichkeiten für die folgenden Intervalle und gib sie jeweils in Prozent auf zwei Dezimalstellen an: 1. \(I_1=[60;70]\) 2. \(I_2=[70;80]\) 3. \(I_3=[80;95]\)

Denkanstöße

- Standardisiere für jedes Intervall beide Grenzen. - Eine Intervallwahrscheinlichkeit ist die Differenz der kumulierten Wahrscheinlichkeiten an den beiden Grenzen. - Achte am Ende auf die geforderte Darstellung in Prozent.

Lösung

1. Für \([60;70]\) sind die standardisierten Grenzen \(-2\) und \(-1\). Daher gilt \(P(60\le X\le70)=\Phi(-1)-\Phi(-2)\approx0{,}1359=13{,}59\,\%\). 2. Für \([70;80]\) sind die Grenzen \(-1\) und \(0\). Somit ist \(P(70\le X\le80)=\Phi(0)-\Phi(-1)\approx0{,}3413=34{,}13\,\%\). 3. Für \([80;95]\) sind die Grenzen \(0\) und \(1{,}5\). Damit ist \(P(80\le X\le95)=\Phi(1{,}5)-\Phi(0)\approx0{,}4332=43{,}32\,\%\).

Antwort

1. \(13{,}59\,\%\) 2. \(34{,}13\,\%\) 3. \(43{,}32\,\%\)
42533813
Bei der Produktion von Metallstiften ist die Länge \(X\) normalverteilt mit \(\mu=100\,\text{mm}\) und \(\sigma=2\,\text{mm}\). Bestimme die folgenden Wahrscheinlichkeiten in Prozent und runde auf zwei Dezimalstellen: a) Der Stift ist zwischen \(97\,\text{mm}\) und \(103\,\text{mm}\) lang. b) Der Stift ist zwischen \(103\,\text{mm}\) und \(105\,\text{mm}\) lang. c) Der Stift ist kürzer als \(96\,\text{mm}\).

Denkanstöße

- Übersetze jede Längenangabe zuerst in einen standardisierten \(z\)-Wert. - Für ein Intervall brauchst du zwei Werte der Verteilungsfunktion; für Teil c) nur einen. - Wandle die Dezimalwahrscheinlichkeit erst am Ende in Prozent um.

Lösung

1. Für a) sind die standardisierten Grenzen \(-1{,}5\) und \(1{,}5\). Damit ist \(P(97\le X\le103)=\Phi(1{,}5)-\Phi(-1{,}5)\approx0{,}8664=86{,}64\,\%\). 2. Für b) sind die standardisierten Grenzen \(1{,}5\) und \(2{,}5\). Daher ist \(P(103\le X\le105)=\Phi(2{,}5)-\Phi(1{,}5)\approx0{,}0606=6{,}06\,\%\). 3. Für c) ist \(z=\frac{96-100}{2}=-2\). Somit gilt \(P(X<96)=\Phi(-2)\approx0{,}0228=2{,}28\,\%\).

Antwort

a) \(86{,}64\,\%\) b) \(6{,}06\,\%\) c) \(2{,}28\,\%\)
42534713
Eine stetige Zufallsgröße \(X\) ist normalverteilt mit dem Erwartungswert \(\mu=60\) und der Standardabweichung \(\sigma=12\). Berechne die Wahrscheinlichkeit dafür, dass \(X\) mindestens den Wert \(75\) annimmt. Gib das Ergebnis in Prozent auf zwei Dezimalstellen an.

Denkanstöße

- Übersetze „mindestens“ zuerst in eine Ungleichung. - Standardisiere die Grenze \(75\). - Für den Bereich rechts von der Grenze brauchst du die Gegenwahrscheinlichkeit zur Verteilungsfunktion.

Lösung

1. Der standardisierte Wert zur Grenze \(75\) ist \(z=\frac{75-60}{12}=1{,}25\). 2. Wegen der Stetigkeit ist \(P(X\ge75)=P(X>75)=1-\Phi(1{,}25)\). 3. Mit \(\Phi(1{,}25)\approx0{,}8944\) ergibt sich \(P(X\ge75)\approx0{,}1056=10{,}56\,\%\).

Antwort

\(P(X\ge75)\approx10{,}56\,\%\)
42534813
Gegeben ist eine normalverteilte Zufallsgröße \(X\) mit \(\mu=12\) und \(\sigma=2{,}5\). Bestimme \(P(10\le X\le15)\) und runde auf vier Dezimalstellen.

Denkanstöße

- Standardisiere beide Intervallgrenzen. - Eine Intervallwahrscheinlichkeit erhältst du als Differenz zweier Werte der Verteilungsfunktion. - Runde erst das Endergebnis, nicht die beiden kumulierten Wahrscheinlichkeiten vor der Subtraktion.

Lösung

1. Die standardisierten Intervallgrenzen sind \(z_1=\frac{10-12}{2{,}5}=-0{,}8\) und \(z_2=\frac{15-12}{2{,}5}=1{,}2\). 2. Daher gilt \(P(10\le X\le15)=\Phi(1{,}2)-\Phi(-0{,}8)\). 3. Mit \(\Phi(1{,}2)\approx0{,}8849\) und \(\Phi(-0{,}8)\approx0{,}2119\) ergibt sich mit ungerundeten Rechnerwerten \(P(10\le X\le15)\approx0{,}6731\).

Antwort

\(P(10\le X\le15)\approx0{,}6731\)
43480913
Für die normalverteilte Zufallsgröße \(X\) gilt \(\mu=10\). Entscheide ohne zu rechnen, welche Wahrscheinlichkeit größer ist: \(P(10\le X\le15)\) oder \(P(15\le X\le20)\). Begründe mit der Form der Glockenkurve.
Abbildung zur Aufgabe 434809

Denkanstöße

- Was bedeutet die Fläche unter der Dichte für eine Intervallwahrscheinlichkeit? - Vergleiche die Breite der beiden Intervalle. - Wie verändert sich die Glockenkurve rechts vom Erwartungswert?

Lösung

1. Eine Intervallwahrscheinlichkeit entspricht der Fläche unter der Dichte in diesem Intervall. 2. Beide Intervalle sind \(5\) Einheiten breit. 3. Bei \(x=\mu=10\) liegt der Hochpunkt. Rechts davon fällt die Normaldichte streng. 4. Deshalb ist die Fläche über \([10;15]\) größer als die Fläche über \([15;20]\). Somit gilt \(P(10\le X\le15)>P(15\le X\le20)\).

Antwort

\(P(10\le X\le15)>P(15\le X\le20)\), weil das gleich breite Intervall näher am Hochpunkt liegt.
55354713
Für \(X\) gilt \(\mu=45\) und \(\sigma=3\). a) Lies das Intervall des markierten Bereichs ab. b) Berechne die zugehörige Wahrscheinlichkeit auf vier Dezimalstellen.
Abbildung zur Aufgabe 553547

Denkanstöße

- Lies die beiden senkrechten Grenzen des markierten Bereichs auf der \(x\)-Achse ab. - Standardisiere anschließend beide Grenzen mit \(\mu\) und \(\sigma\). - Eine Intervallwahrscheinlichkeit erhältst du als Differenz zweier Werte von \(\Phi\).

Lösung

1. Der markierte Bereich reicht von \(42\) bis \(49\), also ist das Ereignis \(42\le X\le49\). 2. Die standardisierten Grenzen sind \(z_1=\frac{42-45}{3}=-1\) und \(z_2=\frac{49-45}{3}=\frac{4}{3}\). 3. Daher gilt \(P(42\le X\le49)=\Phi\left(\frac{4}{3}\right)-\Phi(-1)\approx0{,}7501\).

Antwort

a) \([42;49]\) b) \(P(42\le X\le49)\approx0{,}7501\)
55843213
Die Zufallsgröße \(X\) ist normalverteilt mit \(\mu=60\) und \(\sigma=4\). Die graue Fläche reicht rechts über den dargestellten Ausschnitt hinaus. a) Schreibe das im Graphen markierte Ereignis mit \(X\) auf. b) Standardisiere die Grenze des Ereignisses und berechne seine Wahrscheinlichkeit auf vier Nachkommastellen. c) Erkläre, warum es hier für die Wahrscheinlichkeit keinen Unterschied macht, ob der Randwert zum Ereignis gehört oder nicht.
Abbildung zur Aufgabe 558432

Denkanstöße

- Beschreibe zuerst, welche Werte von \(X\) zur grauen Fläche gehören. - Vergleiche die Grenze mit \(\mu\) und \(\sigma\), bevor du die Verteilungsfunktion verwendest. - Welche zusätzliche Menge kommt hinzu, wenn du an der Grenze \(\ge\) statt \(>\) schreibst?

Lösung

1. Der markierte Bereich beginnt bei \(x=68\) und liegt rechts davon. Das Ereignis ist daher \(X\ge68\). 2. Die Grenze standardisiert sich zu \(z=\frac{68-60}{4}=2\). Damit gilt \(P(X\ge68)=1-\Phi(2)\approx1-0{,}97725=0{,}02275\approx0{,}0228\). 3. \(X\) ist stetig. Deshalb gilt \(P(X=68)=0\), also ist \(P(X\ge68)=P(X>68)\).

Antwort

a) \(X\ge68\) b) \(z=2\); \(P(X\ge68)\approx0{,}0228\) c) Weil \(P(X=68)=0\) gilt, sind \(P(X\ge68)\) und \(P(X>68)\) gleich.
42512813
In einer Abfüllanlage für Mehl sind die Füllmengen der Packungen annähernd normalverteilt mit einem Erwartungswert von \(\mu = 505\,\text{g}\) und einer Standardabweichung von \(\sigma = 2\,\text{g}\). Eine Packung wird zufällig entnommen. Die Zufallsgröße \(X\) beschreibt die Füllmenge in Gramm. Berechne die Wahrscheinlichkeiten für die folgenden Ereignisse: a) Die Packung enthält höchstens \(505\,\text{g}\). b) Die Füllmenge liegt zwischen \(501\,\text{g}\) und \(509\,\text{g}\). c) Die Packung unterschreitet die Nennfüllmenge von \(500\,\text{g}\). d) Die Füllmenge beträgt exakt \(505{,}0\,\text{g}\). e) Die Füllmenge weicht um mehr als \(5\,\text{g}\) vom Erwartungswert ab.

Denkanstöße

- Kannst du die gegebenen Füllmengen als Vielfache der Standardabweichung vom Mittelwert ausdrücken? - Nutze die Symmetrie der Glockenkurve, um Rechnungen zu vereinfachen. - Was bedeutet es für die Wahrscheinlichkeit, wenn ein Wert mehr als \(2\sigma\) oder \(2{,}5\sigma\) vom Mittelwert entfernt ist? - Überlege dir, wie man die Wahrscheinlichkeit für „Abweichung um mehr als...“ mit der Gegenwahrscheinlichkeit oder Symmetrie bestimmen kann.

Lösung

1. Zu a): Da \(505\) dem Erwartungswert entspricht, ist \(P(X \le 505) = 0{,}5\). 2. Zu b): Das Intervall \([501; 509]\) entspricht \([\mu - 2\sigma; \mu + 2\sigma]\). Die Wahrscheinlichkeit im \(2\sigma\)-Intervall beträgt \(P(-2 \le Z \le 2) = \Phi(2) - \Phi(-2) \approx 0{,}9545\). 3. Zu c): Transformation für \(x = 500\) ergibt \(z = \frac{500 - 505}{2} = -2{,}5\). Es gilt \(P(X < 500) = \Phi(-2{,}5) = 1 - \Phi(2{,}5) \approx 1 - 0{,}9938 = 0{,}0062\). 4. Zu d): Da \(X\) eine stetige Zufallsgröße ist, gilt \(P(X = 505) = 0\). 5. Zu e): Gesucht ist \(P(|X - 505| > 5) = P(X < 500 \text{ oder } X > 510)\). Wegen Symmetrie ist dies \(2 \cdot P(X < 500) \approx 2 \cdot 0{,}0062 = 0{,}0124\).

Antwort

a) \(P(X \le 505) = 0{,}5\) b) \(P(501 \le X \le 509) \approx 0{,}9545\) c) \(P(X < 500) \approx 0{,}0062\) d) \(P(X = 505) = 0\) e) \(P(|X - 505| > 5) \approx 0{,}0124\)
42521113
Gegeben ist eine normalverteilte Zufallsgröße \(X\) mit dem Erwartungswert \(\mu=40\) und der Standardabweichung \(\sigma=8\). Zur Berechnung der Wahrscheinlichkeit \(P(32\le X\le56)\) schlägt Luca den Term \(P(X\le56)-P(X\le40)\) vor. a) Erläutere Lucas Fehler. b) Berechne den korrekten Wert der Wahrscheinlichkeit \(P(32\le X\le56)\). Runde auf vier Dezimalstellen.

Denkanstöße

- Überlege dir, wie man die Wahrscheinlichkeit für ein Intervall \([a;b]\) mithilfe der Verteilungsfunktion berechnet. - Vergleiche die Grenzen des gesuchten Intervalls mit den Werten in Lucas Vorschlag. - Denke an die Standardisierung \(z=\frac{x-\mu}{\sigma}\), um Werte der Standardnormalverteilung nutzen zu können.

Lösung

1. Luca subtrahiert die Wahrscheinlichkeit bis zum Erwartungswert \(40\). Damit erfasst der vorgeschlagene Term nur das Teilintervall \([40;56]\) statt des geforderten Intervalls \([32;56]\). 2. Korrekt ist \(P(32\le X\le56)=P(X\le56)-P(X\le32)\). 3. Nach der Standardisierung ergibt sich \(\Phi\left(\frac{56-40}{8}\right)-\Phi\left(\frac{32-40}{8}\right)=\Phi(2)-\Phi(-1)\). 4. Mit ausreichend genauen Werten gilt \(\Phi(2)\approx0{,}97725\) und \(\Phi(-1)\approx0{,}15866\). 5. Somit ist \(P(32\le X\le56)\approx0{,}97725-0{,}15866=0{,}81859\approx0{,}8186\).

Antwort

a) Luca subtrahiert die Wahrscheinlichkeit bis \(40\) statt bis zur unteren Intervallgrenze \(32\) und berechnet damit nur \(P(40\le X\le56)\). b) \(P(32\le X\le56)\approx0{,}8186\)
42521213
Die Zufallsgröße \(X\) ist normalverteilt mit \(\mu=10\) und \(\sigma=2\). Um die Wahrscheinlichkeit \(P(7\le X\le13)\) zu bestimmen, rechnet Hannah: \(\Phi(13-10)-\Phi(7-10)\). a) Erkläre, warum dieser Ansatz falsch ist, und korrigiere ihn. b) Bestimme die Wahrscheinlichkeit \(P(7\le X\le13)\). Runde auf vier Dezimalstellen.

Denkanstöße

- Welche Bedeutung muss die Größe haben, die als Argument der Standardnormalverteilungsfunktion \(\Phi\) verwendet wird? - Vergleiche die Abstände von \(7\) und \(13\) zum Erwartungswert mit der gegebenen Streuung. - Nutze die Symmetrie der Glockenkurve um den Erwartungswert, wenn sie die Rechnung vereinfacht.

Lösung

1. Hannah hat bei der Standardisierung vergessen, die Differenzen \(x-\mu\) durch die Standardabweichung \(\sigma=2\) zu dividieren. Ihr Ansatz behandelt die Abweichungen daher nicht in Einheiten der Standardabweichung. 2. Korrekt ist \(P(7\le X\le13)=\Phi\left(\frac{13-10}{2}\right)-\Phi\left(\frac{7-10}{2}\right)=\Phi(1{,}5)-\Phi(-1{,}5)\). 3. Wegen der Symmetrie gilt \(\Phi(-1{,}5)=1-\Phi(1{,}5)\), also \(P=2\Phi(1{,}5)-1\). 4. Mit \(\Phi(1{,}5)\approx0{,}93319\) folgt \(P\approx2\cdot0{,}93319-1=0{,}86638\approx0{,}8664\).

Antwort

a) Der Ansatz ist falsch, weil bei der Standardisierung die Division durch \(\sigma=2\) fehlt. Korrekt ist \(\Phi\left(\frac{13-10}{2}\right)-\Phi\left(\frac{7-10}{2}\right)\). b) \(P(7\le X\le13)\approx0{,}8664\)
42521313
Eine Zufallsgröße \(X\) ist normalverteilt mit dem Erwartungswert \(\mu=45\) und der Standardabweichung \(\sigma=8\). a) Berechne \(P(37\le X\le53)\) und runde auf vier Dezimalstellen. b) Die Standardabweichung bleibt gleich, aber der Erwartungswert wird auf \(\mu=40\) geändert. Begründe ohne erneute Berechnung eines Wahrscheinlichkeitswerts, ob die Wahrscheinlichkeit für das Intervall \([37;53]\) dadurch größer oder kleiner wird.

Denkanstöße

- Vergleiche die beiden Grenzen zunächst mit \(\mu\pm\sigma\). - Wo liegt die höchste Dichte einer Normalverteilung? - Vergleiche die Lage der Intervallmitte mit dem alten und dem neuen Erwartungswert.

Lösung

1. Die Grenzen liegen jeweils eine Standardabweichung vom Erwartungswert \(45\) entfernt. Daher ist \(P(37\le X\le53)=\Phi(1)-\Phi(-1)\approx0{,}6827\). 2. Das Intervall \([37;53]\) hat die Mitte \(45\). Bei unverändertem \(\sigma\) ist die Fläche über einem Intervall fester Breite am größten, wenn das Intervall um den Erwartungswert zentriert ist. Nach der Verschiebung auf \(\mu=40\) liegt das Intervall nicht mehr symmetrisch um den Hochpunkt der Dichte; die eingeschlossene Wahrscheinlichkeit wird kleiner.

Antwort

a) \(P(37\le X\le53)\approx0{,}6827\) b) Die Wahrscheinlichkeit wird kleiner.
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Gegeben ist eine normalverteilte Zufallsgröße \(X\) mit \(\mu_X=10\) und \(\sigma_X=4\). a) Bestimme \(P(8\le X\le12)\). Runde auf vier Dezimalstellen. b) Eine weitere Zufallsgröße \(Y\) ist normalverteilt mit \(\mu_Y=10\) und \(\sigma_Y=8\). Berechne \(P(8\le Y\le12)\) ebenfalls auf vier Dezimalstellen und erkläre den Unterschied unter Berücksichtigung der Form der Glockenkurve.

Denkanstöße

- Standardisiere dieselben Intervallgrenzen für beide Verteilungen getrennt. - Wie wirkt sich ein größeres \(\sigma\) auf Breite und Höhe der Glockenkurve aus? - Beide Intervalle sind um denselben Erwartungswert zentriert; vergleiche deshalb die Konzentration der beiden Verteilungen in dieser Umgebung.

Lösung

1. Für \(X\) entsprechen die Grenzen den standardisierten Werten \(-0{,}5\) und \(0{,}5\). Daher gilt \(P(8\le X\le12)=\Phi(0{,}5)-\Phi(-0{,}5)\approx0{,}3829\). 2. Für \(Y\) sind die standardisierten Grenzen \(-0{,}25\) und \(0{,}25\). Damit ist \(P(8\le Y\le12)=\Phi(0{,}25)-\Phi(-0{,}25)\approx0{,}1974\). 3. Die größere Standardabweichung macht die Dichte von \(Y\) breiter und flacher. Deshalb liegt in demselben um den gemeinsamen Mittelwert zentrierten Intervall weniger Wahrscheinlichkeit.

Antwort

a) \(P(8\le X\le12)\approx0{,}3829\) b) \(P(8\le Y\le12)\approx0{,}1974\); die Wahrscheinlichkeit ist wegen der größeren Streuung kleiner.
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Gegeben ist eine normalverteilte Zufallsgröße \(X\) mit \(\mu=150\) und \(\sigma=25\). Berechne die folgenden Wahrscheinlichkeiten. Runde nicht exakte Ergebnisse auf vier Dezimalstellen. a) \(P(X\le125)\) b) \(P(150\le X\le200)\) c) \(P(100\le X\le200)\) d) \(P(X>150)\)

Denkanstöße

- Drücke jede Grenze zunächst als Abstand vom Erwartungswert in Vielfachen von \(\sigma\) aus. - Bei Intervallen erhältst du die Wahrscheinlichkeit aus der Differenz zweier Werte der Verteilungsfunktion. - Nutze bei Teil d) die Symmetrie der Normalverteilung.

Lösung

1. Für a) ist \(z=\frac{125-150}{25}=-1\). Daher gilt \(P(X\le125)=\Phi(-1)\approx0{,}1587\). 2. Für b) ist die obere Grenze \(\mu+2\sigma\). Somit ist \(P(150\le X\le200)=\Phi(2)-0{,}5\approx0{,}4772\). 3. Das Intervall in c) ist \([\mu-2\sigma;\mu+2\sigma]\). Daher gilt \(P(100\le X\le200)=\Phi(2)-\Phi(-2)\approx0{,}9545\). 4. Wegen der Symmetrie um den Erwartungswert gilt \(P(X>150)=0{,}5\).

Antwort

a) \(0{,}1587\) b) \(0{,}4772\) c) \(0{,}9545\) d) \(0{,}5\)
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Eine normalverteilte Zufallsgröße \(X\) besitzt den Erwartungswert \(\mu=80\) und die Standardabweichung \(\sigma=5\). a) Berechne \(P(72\le X\le88)\) und runde auf vier Dezimalstellen. b) Die Standardabweichung wird auf \(\sigma=8\) erhöht, während \(\mu=80\) unverändert bleibt. Beurteile ohne neue Zahlenrechnung, ob die Wahrscheinlichkeit für \([72;88]\) zu- oder abnimmt. Begründe mithilfe der Dichtefunktion. c) Der Erwartungswert wird auf \(\mu=85\) verschoben, wobei \(\sigma=5\) beträgt. Erläutere ohne neue Zahlenrechnung, wie sich die Wahrscheinlichkeit für \([72;88]\) gegenüber a) verändert.

Denkanstöße

- Standardisiere in a) beide Grenzen relativ zu \(\mu=80\). - Wie verändert ein größeres \(\sigma\) die Konzentration der Fläche um den Mittelwert? - Vergleiche in c) die Intervallmitte mit dem neuen Erwartungswert.

Lösung

1. Für a) sind die standardisierten Grenzen \(-1{,}6\) und \(1{,}6\). Daher gilt \(P(72\le X\le88)=\Phi(1{,}6)-\Phi(-1{,}6)\approx0{,}8904\). 2. Bei größerem \(\sigma\) wird die Glockenkurve breiter und flacher. Das feste, weiterhin um \(80\) zentrierte Intervall enthält deshalb weniger Wahrscheinlichkeit; die Wahrscheinlichkeit nimmt ab. 3. Die Mitte von \([72;88]\) ist \(80\). Wird der Erwartungswert auf \(85\) verschoben, liegt der Bereich nicht mehr um den Hochpunkt der Dichte zentriert. Bei gleicher Intervallbreite und gleichem \(\sigma\) nimmt die eingeschlossene Wahrscheinlichkeit daher ab.

Antwort

a) \(P(72\le X\le88)\approx0{,}8904\) b) Die Wahrscheinlichkeit nimmt ab. c) Die Wahrscheinlichkeit nimmt ab.

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