Aufgabenbeispiele von Normalverteilung
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Intervall Normalverteilung (einfach)
Beispiel:
Die Zufallsgröße X ist normalverteilt mit dem Erwartungswert μ=4 und der Standardabweichung σ=2.4 .
Berechne P(1.6 ≤ X ≤ 3.5).
Runde dein Ergebnis auf 3 Stellen hinter dem Komma.
Hier kann man einfach die WTR-Befehle ("Normalcdf" beim TI, bzw. "Kumul. Normal-V" beim Casio) verwenden: μ und σ, dann die Intervallgrenzen eingeben - und schon kann man das Ergebnis ablesen.
P(1.6 ≤ X ≤ 3.5) ≈ 0.2588
Intervall Normalverteilung rückwärts
Beispiel:
Die Zufallsgröße X ist normalverteilt mit dem Erwartungswert μ=50 und der Standardabweichung σ=8.5 .
Es gilt P(X ≤ k) = 0.85. Bestimme k.
Runde auf eine Stelle hinter dem Komma genau.
Der WTR liefert für P(X ≤ k) = 0.85 den Wert k ≈ 58.81.
(TI: invNormal, Casio: Inv. Normal-V. )
Normalverteilung Anwendung
Beispiel:
Man geht davon aus, dass die Intelligenz bei Menschen normalverteilt ist. Ein Intelligenztest wird immer so skaliert, dass der Erwartungswert des IQ bei 100 und die Standardabweichung bei 15 liegt. Bestimme die Wahrscheinlichkeit, dass ein zufällig gewählter Mensch einen Intelligenzquotient kleiner oder gleich 79 hat.
(Bitte auf 3 Stellen nach dem Komma runden)
Die Zufallsgröße X beschreibt den Intelligenzquotient IQ, sie wird als normalverteilt angenommen mit dem Erwartungswert μ = 100 und der Standardabweichung σ = 15.
Somit kann man einfach die WTR-Befehle ("Normalcdf" beim TI, bzw. "Kumul. Normal-V" beim Casio) verwenden: Erst μ und σ, dann die Intervallgrenzen eingeben. Die linke Intervallgrenze wäre hier jedoch - ∞. Stattdessen kann man einfach einen sehr kleinen Wert eingeben, z.B.: -10000000.
Jetzt lässt sich das Ergebnis ablesen: P(X ≤ 79) ≈ 0.0808
Normalverteilung Anwendung (rückwärts)
Beispiel:
Man geht davon aus, dass die Intelligenz bei Menschen normalverteilt ist. Ein Intelligenztest wird immer so skaliert, dass der Erwartungswert des IQ bei 100 und die Standardabweichung bei 15 liegt. Welchen IQ darf man höchstens haben, um zu den dümmsten 40% der Bevölkerung zu gehören.
(Bitte auf 2 Stellen nach dem Komma runden, ohne Einheiten eingeben!)
Die Zufallsgröße X beschreibt den Intelligenzquotient IQ, sie wird als normalverteilt angenommen mit dem Erwartungswert μ = 100 und der Standardabweichung σ = 15.
Gesucht ist somit das k, so dass P(X ≤ k) = 0.4 gilt.
Der WTR liefert für P(X ≤ k) = 0.4 den Wert k ≈ 96.2.
(TI: invNormal, Casio: Inv. Normal-V. )
Mittelwert, Standardabw. ablesen
Beispiel:
Die Zufallsgröße X ist normalverteilt. Ihr Schaubild zeigt die zugehörige Gauß'sche Glockenkurve mit den ganzzahligen Parametern μ und σ.
Gib die Werte für μ und σ an.
Den Mittelwert μ= 3 kann man einfach am x-Wert des Hochpunkts der Glockenkurve ablesen.
Die Standardabweichung σ = 2 kann man am Abstand der x-Werte des Hochpunkts vom Wendepunkt ablesen.
μ und σ ablesen und Interval berechnen
Beispiel:
Die Zufallsgröße X ist normalverteilt. Ihr Schaubild zeigt die zugehörige Gauß'sche Glockenkurve mit den ganzzahligen Parametern μ und σ.
Gib die Werte für μ und σ an und berechne damit die eingefärbte Fläche.
Den Mittelwert μ= 4 kann man einfach am x-Wert des Hochpunkts der Glockenkurve ablesen.
Die Standardabweichung σ = 2 kann man am Abstand der x-Werte des Hochpunkts vom Wendepunkt ablesen.
Jetzt kann man einfach einfach die WTR-Befehle ("Normalcdf" beim TI, bzw. "Kumul. Normal-V" beim Casio) verwenden: μ und σ, dann die Intervallgrenzen eingeben - und schließlich das Ergebnis ablesen:
P(0 ≤ X ≤ 7) ≈ 0.9104
Symmetrie nutzen
Beispiel:
Die Zufallsgröße X ist normalverteilt. Ihr Schaubild zeigt die zugehörige Gauß'sche Glockenkurve mit einem ganzzahligen Erwartungswert μ. Der Inhalt der gefärbten Fläche beträgt 0.452.
Bestimme P( X ≥ 5).
Gib die Wahrscheinlichkeit auf 3 Stellen nach dem Komma genau an.
Wir wissen, dass das Schaubild einer normalverteilten Zufallsgröße achsenssymmetrisch zur senkrechten Gerade durch den Hochpunkt ist, hier also zu x = 2.
Somit gilt: P( X ≥ 2) = 0,5.
Aus dem Schaubild können wir lesen, dass P(2 ≤ X ≤ 5) = 0.452 (Flächeninhalt der blauen Fläche). Somit gilt für die gesuchte Wahrscheinlichkeit P( X ≥ 5), die dem Flächeninhalt der roten Fläche entspricht:
P( X ≥ 5) = 0,5 - 0.452 = 0.048
Standardabweichung bestimmen
Beispiel:
Der Punkt P(-10|0.0199) liegt auf der Gauß'schen Glockenkurve mit ganzzahligem Parameter σ und μ = -10.
Bestimme die Standardabweichung σ.
Gegeben ist ja der Hochpunkt der Gauß' schen Glockenkurve, weil ja der gegebene x-Wert gerade dem Erwartungswert μ = -10 entspricht.
Um einen ersten möglichen Wert für eine Standardabweichung σ zu bekommen, berechen wir am besten den Quotient von 0,5 und dem y-Wert der gegebenen Hochpunkts, also ≈ 25.126 und runden diesen auf σ1 = 25.
Damit berechnen wir nun den y-Wert der Glockenkurve (mit μ = -10 und σ1=25) an der gegebenen Stelle x = -10
und erhalten f1(-10) = 0.016
(TI: DISTR -> 1: Normalpdf; Casio: Dichte ..).
Wir wissen ja: Je größer das σ ist, desto breiter wird die Glockenkurve. Da ja aber die ganze Fläche unter der Glockenkurve (die ja der Gesamt-Wahrscheinlichkeit für alles entspricht) immer genau 1 ist, muss die breitere Glockenkurve dementsprechend auch flacher und damit mit einem niedrigeren Hochpunkt ausfallen. Somit gilt:
Je höher das σ, desto niedriger der y-Wert des Hochpunkts.
Und das der y-Wert unserer ersten Kurve mit σ1=25 (in der Abbilung in grün) zu tief war, muss also σ1 zu groß sein und wir müssen jetzt eben schrittweise kleinere Standardabweichungen σ durchprobieren und die zugehörigen y-Werte an der Stelle x = -10 berechnen:
μ = -10 | σ = 24 | f(-10) = 0.0166 |
μ = -10 | σ = 23 | f(-10) = 0.0173 |
μ = -10 | σ = 22 | f(-10) = 0.0181 |
μ = -10 | σ = 21 | f(-10) = 0.019 |
μ = -10 | σ = 20 | f(-10) = 0.0199 |
Somit muss die gesuchte Standardabweichung σ = 20 sein.
variabler Erwartungswert (Anwendungen)
Beispiel:
Bei einer Maschine, die Schrauben herstellt, kann man die Länge der Schrauben auf ganze mm einstellen. Trotzdem sind dann nicht alle produzierten Schrauben ganz exakt gleich lang. Man kann aber davon ausgehen, dass die Schraubenlänge normalverteilt ist mit der eingestellten Länge als Erwartungswert und einer Standardabweichung von 1,3 mm. Auf welchen Wert (ganzzahlig in mm) muss man die Maschine mindestens einstellen, wenn eine zufällig gewählte Schraube mit einer Wahrscheinlichkeit von mindestens 90% mindestens 55 mm lang sein soll?
Die Zufallsgröße X beschreibt die Schraubenlänge in mm.
Zunächst untersuchen wir die Wahrscheinlichkeit, wenn der Erwartungswert μ = 55 gewählt würde. Aus Symmetriegründen wäre dann aber P(X ≥ 55) = 0,5.
Deswegen wird nun der Erwartungswert schrittweise immer um eine Einheit erhöht, bis die gesuchte Wahrscheinlichkeit P(X ≥ 55) mindestens 0.9 ist:
μ = 55: P(X ≥ 55) = 0.5
μ = 56: P(X ≥ 55) = 0.7791
μ = 57: P(X ≥ 55) = 0.938
Man muss also den Erwartungswert auf mindestens μ = 57 einstellen.
Normalverteilung Anwendung
Beispiel:
Ein exotisches Insekt wird im Mittel 7 cm lang. Dabei beträgt die Standardabweichung der Körperlänge 0,6 cm.
Bestimme die Wahrscheinlichkeit, dass ein zufällig gewähltes Insekt größer oder gleich 7 hat.
(Bitte auf 3 Stellen nach dem Komma runden)
Die Zufallsgröße X beschreibt die Körperlänge des Insekts im cm, sie wird als normalverteilt angenommen mit dem Erwartungswert μ = 7 und der Standardabweichung σ = 0.6.
Somit kann man einfach die WTR-Befehle ("Normalcdf" beim TI, bzw. "Kumul. Normal-V" beim Casio) verwenden: Erst μ und σ, dann die Intervallgrenzen eingeben. Die rechte Intervallgrenze wäre hier jedoch + ∞. Stattdessen kann man einfach einen sehr großen Wert eingeben, z.B.: 10000000.
Jetzt lässt sich das Ergebnis ablesen: P(X ≥ 7) ≈ 0.5
Kombination Normal- und Binomialverteilung
Beispiel:
Die Äpfel einer großen Plantage haben in einem bestimmten Jahr einen maximalen Durchmesser von 10,3 cm und eine Standardabweichung von 2,5 cm. Der Großhandel nimmt nur Äpfel an, die zwischen 8 und 11 cm groß sind. Wie groß ist die Wahrscheinlichkeit, dass von den 135 Äpfel eines Erntehelfers mindestens 56 Stück in den Großhandel kommen?
Zuerst berechnen wir die Wahrscheinlichkeit dafür, dass ein zufällig gewählter Apfel im geforderten Größenbereich liegt. Die Zufallsgröße Y beschreibt dabei den maximalen Durchmessers eines Apfels, sie wird als normalverteilt angenommen mit dem Erwartungswert μ = 10.3 und der Standardabweichung σ = 2.5.
Mit derm WTR lässt sich so P(8 ≤ Y ≤ 11) ≈ 0.4315 berechnen.
(TI: Normalcdf, Casio: Kumul. Normal-V. )
Und weil dies für jedes der 135 Exemplare gilt, können wir die Zufallsgröße X (, die die Anzahl der Äpfel im geforderten Größenbereich zählt) als binomialverteilt mit n = 135 und p = 0.431 annehmen.
Für die gesuchte Wahrscheinlichkeit gilt somit:
=
1 - ≈ 1 - 0.3176 = 0.6824
(TI-Befehl: binomcdf(135,0.431,135) - binomcdf(135,0.431,55))
Die gesuchte Wahrscheinlichkeit beträgt somit ca. 68,2%.
Kombination Normal- und Binomialverteilung rw
Beispiel:
Eine Firma produziert 100 mm lange Schrauben. Aufgrund mehrerer Faktoren beim Produktionsprozess treten Schwankungen bei der tatsächlichen Länge auf. Dabei beträgt die Standardabweichung 0,4 mm. Ist eine Schraube kürzer als 99,9 mm, so gilt sie als zu kurz. Wie viele Schrauben muss man produzieren, um mit einer Wahrscheinlichkeit von mindestens 95%, mindestens 20 Schrauben zu erhalten, die brauchbar, also nicht zu kurz sind?
Zuerst berechnen wir die Wahrscheinlichkeit dafür, dass eine Schraube als lang genug gilt. Die Zufallsgröße Y beschreibt dabei die Schraubenlänge in mm, sie wird als normalverteilt angenommen mit dem Erwartungswert μ = 100 und der Standardabweichung σ = 0.4.
Mit derm WTR lässt sich so P(Y ≥ 99.9) ≈ 0.5987 berechnen.
(TI: Normalcdf, Casio: Kumul. Normal-V. )
Und weil dies für jedes Exemplar gilt, können wir die Zufallsgröße X (, die die Anzahl der die ausreichend langen Schrauben in einem Karton zählt) als binomialverteilt mit unbekanntem n und p = 0.5987 annehmen.
n | P(X≤k) |
---|---|
... | ... |
37 | 0.1863 |
38 | 0.1413 |
39 | 0.1051 |
40 | 0.0768 |
41 | 0.0551 |
42 | 0.039 |
... | ... |
Die Zufallsgröße X gibt die ausreichend langen Schrauben in einem Karton an und ist im Idealfall binomialverteilt mit p = 0.5987 und variablem n.
Es muss gelten: ≥ 0.95
Weil man ja aber nicht in den WTR eingeben kann, müssen wir diese Wahrscheinlichkeit über die Gegenwahrscheinlichkeit berechnen:
= 1 - ≥ 0.95 |+ - 0.95
0.05 ≥ oder ≤ 0.05
Jetzt müssen wir eben so lange mit verschiedenen Werten von n probieren, bis diese Gleichung erstmals erfüllt wird:
Dabei stellt sich nun natürlich die Frage, mit welchem Wert für n wir dabei beginnen. Im Normalfall enden 59.87% der Versuche mit einem Treffer. Also müssten dann doch bei ≈ 33 Versuchen auch ungefähr 20 (≈0.5987⋅33) Treffer auftreten.
Wir berechnen also mit unserem ersten n=33:
≈ 0.4591
(TI-Befehl: Binomialcdf ...)
Je nachdem, wie weit nun dieser Wert noch von den gesuchten 0.05 entfernt ist, erhöhen bzw. verkleinern wir das n eben in größeren oder kleineren Schrittweiten.
Dies wiederholen wir solange, bis wir zwei aufeinanderfolgende Werte von n gefunden haben, bei denen die 0.05 überschritten wird.
Aus der Werte-Tabelle (siehe links) erkennt man dann, dass erstmals bei n=42 die gesuchte Wahrscheinlichkeit unter 0.05 ist.
n muss also mindestens 42 sein, damit ≤ 0.05 oder eben ≥ 0.95 gilt.