MathematikKlasse 9–12

Galtonbrett

An jedem Nagel links oder rechts, rein zufällig. Trotzdem türmen sich die Kugeln jedes Mal zur selben Glockenform auf.

Simulation wird geladen …

Worum geht es?

Auf einem Galtonbrett fallen Kugeln durch nn Reihen von Nägeln. An jedem Nagel springt eine Kugel mit der Wahrscheinlichkeit pp nach rechts und mit 1−p1 - p nach links. Am Ende landet sie in einem der Fächer 0,1,…,n0, 1, \ldots, n – die Fachnummer kk ist genau die Anzahl der Rechts-Sprünge.

Jeder Nagel ist ein Bernoulli-Versuch, der ganze Weg eine Bernoulli-Kette der Länge nn. Die Anzahl XX der Rechts-Sprünge ist binomialverteilt:

P(X=k)=(nk)⋅pk⋅(1−p)n−kP(X = k) = \binom{n}{k} \cdot p^k \cdot (1 - p)^{n - k}
  • (nk)\binom{n}{k} zählt die Wege zum Fach kk. Diese Zahlen bilden das Pascal’sche Dreieck: Die Anzahl der Wege zu einem Nagel ist die Summe der Wege zu den beiden Nägeln darüber.
  • pk⋅(1−p)n−kp^k \cdot (1 - p)^{n - k} ist die Wahrscheinlichkeit für einen solchen Weg.

Erwartungswert und Standardabweichung:

μ=n⋅pσ=n⋅p⋅(1−p)\mu = n \cdot p \qquad \sigma = \sqrt{n \cdot p \cdot (1 - p)}

Bei vielen Reihen nähert sich die Form der Verteilung einer Glockenkurve (Normalverteilung). Als Faustregel gilt die Näherung als gut, wenn σ>3\sigma > 3 ist (Laplace-Bedingung).

Ausprobieren

  1. Lass einzelne Kugeln fallen und verfolge ihren Weg. Wie hängt das Fach mit der Folge aus L und R zusammen?
  2. Blende das Pascal’sche Dreieck ein. Warum landen in der Mitte mehr Kugeln? Pascal’sches Dreieck
  3. Stelle p=0,7p = 0{,}7 ein. Wohin verschiebt sich die Verteilung? Schief
  4. Wirf mit 16 Reihen 1000 sofort und vergleiche mit der Glockenkurve. Hier ist σ=2\sigma = 2, die Laplace-Bedingung ist also nicht erfüllt. Für p=0,5p = 0{,}5 passt die Kurve trotzdem schon gut. 16 Reihen

Aufgaben

Aufgabe 1: Wahrscheinlichkeit für ein Fach

Ein Galtonbrett hat n=4n = 4 Reihen, p=0,5p = 0{,}5. Mit welcher Wahrscheinlichkeit landet eine Kugel in Fach 2?

Lösung anzeigen

P(X=2)=(42)⋅0,52⋅0,52=616=37,5 %P(X = 2) = \binom{4}{2} \cdot 0{,}5^2 \cdot 0{,}5^2 = \frac{6}{16} = 37{,}5\,\%

Es gibt 6 Wege mit genau zwei Rechts-Sprüngen (z. B. RRLL, RLRL, …). In der Simulation zeigen

Aufgabe 2: Wege zählen

Wie viele Wege führen bei n=6n = 6 Reihen in Fach 3? Lies im Pascal’schen Dreieck ab und rechne nach.

Lösung anzeigen

(63)=6⋅5⋅43⋅2⋅1=20\binom{6}{3} = \frac{6 \cdot 5 \cdot 4}{3 \cdot 2 \cdot 1} = 20

In der untersten Nagelreihe stehen 1, 5, 10, 10, 5, 1 – Fach 3 wird von den beiden mittleren Nägeln erreicht: 10+10=2010 + 10 = 20. In der Simulation zeigen

Aufgabe 3: Erwartungswert und Streuung

Berechne μ\mu und σ\sigma für n=10n = 10 und p=0,7p = 0{,}7. Prüfe mit 1000 Kugeln.

Lösung anzeigen

μ=10⋅0,7=7\mu = 10 \cdot 0{,}7 = 7, σ=10⋅0,7⋅0,3=2,1≈1,45\sigma = \sqrt{10 \cdot 0{,}7 \cdot 0{,}3} = \sqrt{2{,}1} \approx 1{,}45. Der Mittelwert der 1000 Kugeln liegt meist sehr nahe bei 7. In der Simulation zeigen

Aufgabe 4: Symmetrie

Warum ist die Verteilung für p=0,5p = 0{,}5 symmetrisch, für p=0,7p = 0{,}7 aber nicht? Wie hängen die Verteilungen für p=0,3p = 0{,}3 und p=0,7p = 0{,}7 zusammen?

Lösung anzeigen

Für p=0,5p = 0{,}5 ist jeder Weg gleich wahrscheinlich, und es gibt zu Fach kk genauso viele Wege wie zu Fach n−kn - k: (nk)=(nn−k)\binom{n}{k} = \binom{n}{n-k}. Für p=0,7p = 0{,}7 sind Wege mit vielen R wahrscheinlicher. Vertauscht man links und rechts, wird aus p=0,3p = 0{,}3 die Verteilung für p=0,7p = 0{,}7 – sie sind spiegelbildlich: P0,3(X=k)=P0,7(X=n−k)P_{0{,}3}(X = k) = P_{0{,}7}(X = n - k).

Ideen für den Unterricht

  • Einsatz: Oberstufe (Bernoulli-Ketten, Binomialverteilung); qualitativ auch früher bei mehrstufigen Zufallsexperimenten. Die Glockenkurve leitet zur Normalverteilung über.
  • Darstellung: Solange es passt, werden die Kugeln einzeln gestapelt; bei vielen Kugeln werden die Fächer als Säulen dargestellt. Die waagerechten Striche (in der Legende „B(n; p)“) zeigen die erwartete Anzahl N⋅P(X=k)N \cdot P(X = k) bei NN Kugeln.
  • Gruppen vergleichen: Lassen Sie mehrere Gruppen je 100 Kugeln werfen. Jede Gruppe erhält eine etwas andere Verteilung – zusammengelegt kommen die Häufigkeiten der Binomialverteilung immer näher.
  • Bilder: Holzbrett und Kugeln werden gezeichnet; optional können Fotos ergänzt werden (siehe docs/BILDER.md).
  • Häufige Stolpersteine:
    • „Die Kugel wird zur Mitte gelenkt.“ – Es gibt nur mehr Wege dorthin.
    • Fachnummer und Weg werden verwechselt: Viele verschiedene Wege führen ins gleiche Fach.
    • Die Glockenkurve ist eine Näherung für große nn – für kleine nn oder pp nahe 0 oder 1 passt sie schlecht.