Stochastik
Wahrscheinlichkeit und Laplace-Experimente
Vom Bauchgefühl zur Berechnung: Wahrscheinlichkeiten bestimmen und deuten.
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
Wie wahrscheinlich ist eine Sechs? Ein Lottogewinn? Regen am Wochenende? In Klasse 6 hast du durchgeführt und Häufigkeiten gezählt, jetzt kommt der große Schritt: Wahrscheinlichkeiten vorhersagen, ohne einen einzigen Wurf. Das Werkzeug dafür heißt Laplace-Regel und ist verblüffend einfach.
Das kannst du nach diesem Kapitel
den Wahrscheinlichkeitsbegriff erklären (Werte zwischen 0 und 1).
Laplace-Experimente erkennen (alle Ergebnisse gleichwahrscheinlich).
Wahrscheinlichkeiten mit der Laplace-Regel berechnen.
mit Ereignis und Gegenereignis arbeiten ().
und Wahrscheinlichkeit in Beziehung setzen.
Was Wahrscheinlichkeit bedeutet
Die Wahrscheinlichkeit misst die Chance eines Ereignisses auf einer Skala von bis :
Angeben kannst du sie als , oder : .
Laplace-Experimente
Ein heißt Laplace-Experiment, wenn alle Ergebnisse gleichwahrscheinlich sind, wie beim fairen , der Münze oder dem Ziehen aus einer gut gemischten Urne. Dann gilt die Laplace-Regel:
Im Bild unten ist der Würfel als Glücksrad dargestellt: , drei günstige () von sechs möglichen. Achtung: Die Regel gilt NUR, wenn wirklich alle Ergebnisse gleichberechtigt sind, eine Reißzwecke ist kein Laplace-Experiment!
Warum man einfach abzählen darf
Die Laplace-Regel sieht fast zu einfach aus. Sie funktioniert aus einem bestimmten Grund, und nur dann.
Stell dir das Glücksrad im Bild vor: sechs gleich große Sektoren. Weil alle gleich groß sind, hat jeder einzelne die Chance , zusammen ergibt das , also .
Fragst du nun nach einer geraden Zahl, zählst du drei dieser Sektoren zusammen:
Das Abzählen ist also nichts anderes als das Zusammenlegen gleich großer Anteile. Genau deshalb steht in der Formel ein aus zwei Anzahlen.
Warum die Gleichverteilung Bedingung ist
Jetzt siehst du auch, warum die Regel bei einer Reißzwecke versagt. Sie kann auf dem Rücken oder auf der Seite landen, zwei Ergebnisse. Nach der Laplace-Regel wäre jedes wahrscheinlich.
Probiere es aus: In Wirklichkeit fällt sie deutlich häufiger auf eine der beiden Arten. Die „Sektoren" sind eben nicht gleich groß.
Deshalb gilt vor jeder Anwendung die Prüffrage: Sind wirklich alle Ergebnisse gleichberechtigt? Nur dann darfst du abzählen, sonst musst du die Wahrscheinlichkeit durch viele Versuche schätzen ().
Warum immer zwischen 0 und 1 liegt
Auch das folgt direkt aus dem Bruch: Oben stehen die günstigen Ergebnisse, unten alle Ergebnisse.
Der kann nie größer als der sein, mehr als alle Ergebnisse können nicht günstig sein. Also ist höchstens . Und weniger als null günstige Fälle gibt es auch nicht, also mindestens .
Ein Ergebnis wie ist damit immer ein Rechenfehler, eine nützliche Kontrolle.
Ein als Glücksrad: sechs gleich große Sektoren, einer für jede Augenzahl. Weil alle gleich groß sind, hat jeder die Chance . Farbig sind die drei geraden Zahlen, nach Laplace also .
Ereignis und Gegenereignis
Ein Ereignis fasst ein oder mehrere Ergebnisse zusammen („gerade Zahl" ). Das Gegenereignis enthält alle anderen Ergebnisse. Da eines von beiden sicher eintritt:
Das ist oft die Abkürzung: „mindestens eine …" berechnet man über „keine …".
Wahrscheinlichkeit und relative Häufigkeit
Wirfst du einen sehr oft, pendelt sich die der Sechs bei ein (empirisches Gesetz der großen Zahlen). Umgekehrt schätzt man unbekannte Wahrscheinlichkeiten (Reißzwecke!) durch lange Versuchsreihen.
Warum erst viele Versuche etwas aussagen
Wirf einen Würfel sechsmal. Kommt genau einmal die Sechs? Meistens nicht, mal zweimal, mal gar nicht. Nach sechs Würfen weißt du also fast nichts.
Der Grund: Bei wenigen Versuchen fällt jeder einzelne stark ins Gewicht. Ein Ausrutscher verschiebt die relative Häufigkeit sofort um viele Prozentpunkte.
Bei Würfen ändert ein einzelner Wurf dagegen kaum noch etwas: Ein Ausreißer ganz am Anfang wird von den vielen späteren Würfen verdünnt, und der Wert pendelt sich ein.
Vorsicht, hier lauert der häufigste Denkfehler der Wahrscheinlichkeitsrechnung: Der Würfel gleicht nichts aus. Er hat kein Gedächtnis, nach fünf Sechsern ist die Wahrscheinlichkeit im sechsten Wurf immer noch . Kleiner wird nicht die Abweichung selbst, sondern ihr Gewicht im .
Deshalb gilt: Je mehr Versuche, desto verlässlicher der Schätzwert. Eine Wahrscheinlichkeit aus Versuchen zu schätzen ist wenig wert.
Zwei Wege zur Wahrscheinlichkeit
Damit hast du zwei ganz verschiedene Zugänge, verwechsle sie nicht:
| Weg | Wann | Beispiel |
|---|---|---|
| Abzählen (Laplace) | wenn alle Ergebnisse gleichwahrscheinlich sind | Würfel, Münze, Urne |
| Schätzen (relative Häufigkeit) | wenn sie es nicht sind oder man es nicht weiß | Reißzwecke, Fußballspiel, Wetter |
Der erste Weg liefert einen exakten Wert aus der Symmetrie, der zweite einen Näherungswert aus Daten.
Erkläre es selbst: Die relative Häufigkeit der Sechs pendelt sich bei einem Sechstel ein, trotzdem hat der Würfel kein Gedächtnis. Wie passt beides zusammen?
Formuliere es erst selbst, am besten mit eigenen Zahlen.
Beide Sätze stimmen, sie widersprechen sich nur scheinbar. Der Schlüssel ist die Frage, was eigentlich kleiner wird.
Rechne es an einem Beispiel durch. Du wirfst -mal und bekommst Sechsen. Erwartet hättest du , du hast also Sechsen zu viel, und die liegt bei
Gleicht der das jetzt aus? Nein. Jeder weitere Wurf ist wieder eine Sechs mit Wahrscheinlichkeit , der Würfel weiß nichts von den ersten Würfen.
Wirf trotzdem weiter, bis Würfe voll sind. In den neuen Würfen erwartest du Sechsen. Zusammen also:
Und jetzt sieh genau hin: Es sind immer noch genau Sechsen zu viel ( statt ). Der Überschuss ist nicht verschwunden, niemand hat ihn ausgeglichen. Verschwunden ist nur sein Gewicht: Aus Prozentpunkten Abweichung sind geworden, weil derselbe Überschuss jetzt durch statt durch geteilt wird.
Der Kern in einem Satz: Die Abweichung wird nicht ausgeglichen, sondern verdünnt.
Wer stattdessen glaubt, nach vielen Sechsern müssten nun weniger kommen, sitzt dem Spielerfehlschluss auf, dem verbreitetsten Denkfehler dieses ganzen Gebiets. Deine Erklärung darf anders klingen; wichtig ist, dass in ihr nicht der Würfel etwas ausgleicht, sondern der wächst.
Laplace-Regel am Würfel
Ein fairer wird einmal geworfen. Berechne: a) b) c)
- 1
Mögliche Ergebnisse: 6 (die Zahlen 1–6), alle gleichwahrscheinlich → Laplace. ✓
- 2
a) Günstig: {6} →
- 3
b) Günstig: {1, 2} →
- 4
c) Gegenereignis zu a):
a) · b) · c)
Urnen-Aufgabe
In einer Urne liegen 4 rote, 5 blaue und 3 grüne Kugeln. Eine Kugel wird blind gezogen. Berechne , und .
- 1
Alle Möglichkeiten: Kugeln, jede gleichwahrscheinlich.
- 2
- 3
- 4
(Gegenereignis!)
, und : Kugeln zählen, , fertig.
Wahrscheinlichkeit schätzen (kein Laplace)
Eine Reißzwecke landet bei 200 Würfen 128-mal mit der Spitze nach oben. Schätze die Wahrscheinlichkeit für „Spitze oben". Warum darf man hier nicht ansetzen?
- 1
Was ist gegeben, was ist gesucht?
Gegeben: Würfe, davon mit der Spitze nach oben. Gesucht: eine Schätzung für , und eine Begründung, warum hier nicht abgezählt werden darf.
- 2
Schritt 1: Prüfen, ob die Laplace-Regel gilt.
Die Laplace-Regel setzt voraus, dass alle Ergebnisse gleichwahrscheinlich sind.
Bei der Reißzwecke gibt es zwei Lagen: Spitze oben oder auf der Seite. Aber eine Reißzwecke ist unsymmetrisch, schwerer Kopf, dünne Spitze. Es gibt keinen Grund, warum beide Lagen gleich häufig sein sollten.
Also darfst du hier nicht abzählen.
- 3
Schritt 2: Die Daten selbst sprechen lassen.
Wenn du nicht rechnen kannst, musst du messen. Genau dafür sind die Würfe da.
Berechne die , den Anteil der günstigen Fälle an allen Versuchen:
- 4
Schritt 3: Ausrechnen und umwandeln.
Als Schätzwert gilt also .
Beachte das Zeichen : Es ist eine Schätzung, kein exakter Wert.
- 5
Schritt 4: Die Gegenprobe mit dem Gegenereignis.
In Zahlen: Würfe, und ✓ Beide Wege stimmen überein.
- 6
Schritt 5: Das Ergebnis richtig einordnen.
Der Wert liegt deutlich neben , die Annahme „fifty-fifty" wäre also klar falsch gewesen.
Und wie sicher ist die Schätzung? Würfe sind ordentlich, aber nicht perfekt. Bei Würfen käme vermutlich ein etwas anderer Wert heraus, der aber nahe bei läge.
Merke dir die Faustregel: Symmetrie erlaubt Rechnen, fehlende Symmetrie zwingt zum Zählen.
, geschätzt aus Daten, weil die beiden Lagen nicht gleichwahrscheinlich sind.
Typischer Fehler
„Entweder gewinne ich im Lotto oder nicht, zwei Möglichkeiten, also ist die Chance 50 %."
Die Laplace-Regel setzt Gleichwahrscheinlichkeit voraus! „Gewinnen" und „Nicht gewinnen" sind zwar zwei Ereignisse, aber himmelweit unterschiedlich wahrscheinlich. Richtig zählt man die gleichwahrscheinlichen Elementarergebnisse (alle möglichen Tippkombinationen), und davon sind fast alle Nieten. Erst prüfen, ob Laplace gilt, dann zählen!
Übung 1
leichtEin Glücksrad hat 8 gleich große Felder: 3 rote, 4 blaue, 1 gelbes. Berechne , und . Kontrolliere über die Summe.
Tipp anzeigen
Alle Felder gleich groß → Laplace.
Lösung anzeigen
, ,
Kontrolle: ✓
Detaillierte Schritterklärung anzeigen
Hier wird jeder Schritt einzeln erklärt, vor allem, warum er gemacht wird.
✦ Empfohlen: Standard – Die normale Erklärungstiefe passt zum Einstieg.
- 1
Das Laplace-Modell erkennen
Alle Felder sind GLEICH groß, jedes ist gleich wahrscheinlich. Dann gilt: .
- 2
Die drei Wahrscheinlichkeiten berechnen
, , .
- 3
Summenkontrolle
✓, irgendeine Farbe kommt sicher.
Übung 2
mittelAus einem Skatspiel (32 Karten, davon 4 Asse, 8 Karo-Karten) wird eine Karte gezogen. Berechne: a) b) c)
Tipp anzeigen
c) Gegenereignis.
Lösung anzeigen
a)
b)
c)
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) und b): Günstige durch alle
Karten insgesamt. a) . b) .
- 2
c) Über das Gegenereignis
„Kein Ass" ist das GEGENEREIGNIS von „Ass": .
- 3
Ergebnisse einordnen
Plausibilität: ist groß, logisch, nur von Karten sind Asse. Alle drei Werte liegen zwischen und ✓.
Übung 3
schwerIn einer Urne liegen nur rote und blaue Kugeln, insgesamt 20. Die Wahrscheinlichkeit, blau zu ziehen, beträgt . a) Wie viele blaue Kugeln sind es? b) Wie viele blaue Kugeln muss man hinzufügen, damit wird?
Tipp anzeigen
b) Mit zusätzlichen blauen: .
Lösung anzeigen
a) blaue (und 12 rote).
b) :
4 blaue Kugeln hinzufügen (dann 12 blaue von 24, die Hälfte ✓).
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) Anzahl aus der Wahrscheinlichkeit
bei Kugeln: blaue Anzahl (und damit rote).
- 2
b) Die Veränderung als Gleichung
blaue Kugeln kommen DAZU, blau wird , gesamt wird . Ziel : .
- 3
Gleichung lösen und prüfen
Über Kreuz: → → . Probe: ✓, vier blaue Kugeln hinzufügen.
Alternative Lösungswege
Zusammenfassung
Wahrscheinlichkeiten leben zwischen 0 und 1. Bei Laplace-Experimenten (alle Ergebnisse gleichwahrscheinlich) genügt Zählen: günstig durch möglich. Das Gegenereignis () ist deine Abkürzung für „mindestens"-Fragen, und wo keine Symmetrie herrscht, schätzt die aus vielen Versuchen die Wahrscheinlichkeit, das Gesetz der großen Zahlen macht die Schätzung verlässlich.


