MathematikKlasse 12–13 · Uni

Normalverteilung

Wie viele Flaschen sind zu leicht befüllt? Unter der Glockenkurve ist jede Wahrscheinlichkeit eine Fläche, mit den Sigma-Regeln als Faustregel.

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Worum geht es?

Viele Messgrößen – Körpergrößen, Abfüllmengen, Messfehler, IQ-Werte – sind näherungsweise normalverteilt. Ihre Werte häufen sich um den Erwartungswert μ\mu; die Standardabweichung σ\sigma beschreibt, wie stark sie streuen. Man schreibt X∼N(μ; σ2)X \sim N(\mu;\,\sigma^2).

Bei einer stetigen Zufallsgröße hat ein einzelner Wert die Wahrscheinlichkeit 00: Über einem Punkt liegt keine Fläche, also P(X=a)=0P(X = a) = 0. Man fragt nach Intervallen. Die Wahrscheinlichkeit P(a≤X≤b)P(a \leq X \leq b) ist die Fläche unter der Dichtekurve

φ(x)=1σ2π⋅e−(x−μ)22σ2\varphi(x) = \frac{1}{\sigma\sqrt{2\pi}} \cdot e^{-\frac{(x-\mu)^2}{2\sigma^2}}

zwischen aa und bb. Die Verteilungsfunktion F(x)=P(X≤x)F(x) = P(X \leq x) gibt die Fläche links von xx an; also ist P(a≤X≤b)=F(b)−F(a)P(a \leq X \leq b) = F(b) - F(a) und P(X≥a)=1−F(a)P(X \geq a) = 1 - F(a). Für die Standardnormalverteilung N(0; 1)N(0;\,1) heißt sie Φ\Phi; nach dem Standardisieren gilt F(x)=Φ ⁣(x−μσ)F(x) = \Phi\!\left(\frac{x - \mu}{\sigma}\right), zum Beispiel beim IQ P(X≤130)=F(130)=Φ(2,00)P(X \leq 130) = F(130) = \Phi(2{,}00).

Eigenschaften der Glockenkurve: symmetrisch zu x=μx = \mu, Hochpunkt bei μ\mu mit φ(μ)=1σ2π\varphi(\mu) = \frac{1}{\sigma\sqrt{2\pi}} (für σ=1\sigma = 1 etwa 0,39890{,}3989), Wendestellen bei μ±σ\mu \pm \sigma, Gesamtfläche 11. Die Wendetangenten schneiden die xx-Achse genau bei μ±2σ\mu \pm 2\sigma. Halbiert man σ\sigma, wird die Glocke halb so breit und doppelt so hoch.

Sigma-Regeln: P(μ−σ≤X≤μ+σ)≈68,3 %P(\mu - \sigma \leq X \leq \mu + \sigma) \approx 68{,}3\,\%, für 2σ2\sigma etwa 95,4 %95{,}4\,\%, für 3σ3\sigma etwa 99,7 %99{,}7\,\% – für jede Normalverteilung. Standardisieren: Mit z=x−μσz = \frac{x - \mu}{\sigma} wird jede Normalverteilung zur Standardnormalverteilung N(0; 1)N(0;\,1). Die Glocke wird um μ\mu verschoben und mit dem Faktor 1σ\frac{1}{\sigma} gestreckt bzw. gestaucht, die markierte Fläche bleibt dabei gleich groß. Deshalb genügt eine einzige Tabelle für Φ\Phi. Umkehrung (Quantile): Ist die Wahrscheinlichkeit gegeben und die Grenze gesucht, liest man die zz-Tabelle rückwärts. Aus P(X≥x)=5 %P(X \geq x) = 5\,\% folgt Φ(z)=0,95\Phi(z) = 0{,}95, also z≈1,645z \approx 1{,}645 und x=μ+z⋅σx = \mu + z \cdot \sigma.

Näherung der Binomialverteilung: Für X∼B(n; p)X \sim B(n;\,p) mit μ=n⋅p\mu = n \cdot p und σ=n⋅p⋅(1−p)\sigma = \sqrt{n \cdot p \cdot (1-p)} gilt bei großem σ\sigma die Näherung P(X≤k)≈Φ ⁣(k+0,5−μσ)P(X \leq k) \approx \Phi\!\left(\frac{k + 0{,}5 - \mu}{\sigma}\right). Das + 0,5+\,0{,}5 ist die Stetigkeitskorrektur: Der Balken für kk reicht von k−0,5k - 0{,}5 bis k+0,5k + 0{,}5. Als Faustregel gilt die Laplace-Bedingung σ>3\sigma > 3.

Ausprobieren

  1. Standardnormalverteilung: Ziehe die Grenzen aa und bb. Wie ändern sich die Fläche und der Balken F(b)−F(a)F(b) - F(a)? (Hier ist F=ΦF = \Phi.) Drücke nacheinander „μ ± σ“, „μ ± 2σ“ und „μ ± 3σ“.
  2. Verändere σ\sigma, während „μ ± σ“ markiert ist. Warum bleibt die Wahrscheinlichkeit gleich, obwohl die Kurve ganz anders aussieht?
  3. Eigenschaften der Glocke: Wo liegen Hochpunkt, Wendestellen und die Nullstellen der Wendetangenten? Stelle dann sehr kleines σ ein: Wie hoch wird die Glocke?
  4. Standardisieren: Drücke „Standardisieren“. Beobachte, wie die IQ-Achse zur zz-Achse wird. Welche Zahlen stehen am Ende über z=1z = 1 und z=2z = 2?
  5. Sonderfall X = a: Warum ist P(X=1)=0P(X = 1) = 0, obwohl die Kurve dort nicht null ist?
  6. Umkehrung: Drücke „Grenze suchen“ und ziehe die Grenze. Zwischen welchen Tabellenwerten liegt 0,950{,}95?
  7. Zwei Abfüllanlagen: Welche Anlage hält den Bereich 495495 bis 505 ml505\,\text{ml} besser ein? Drücke „Beide mittig einstellen“. Vergleiche mit schmal, aber verschoben.
  8. Binomialverteilung nähern: Schalte die Stetigkeitskorrektur aus und an. Ziehe dann in der Stichprobe 1000 Werte auf einmal.

Aufgaben

Aufgabe 1: Standardisieren

a) Berechne P(X≥130)P(X \geq 130) und P(115≤X≤130)P(115 \leq X \leq 130) beim IQ (μ=100\mu = 100, σ=15\sigma = 15). Aufgabe laden b) Eine Anlage füllt Flaschen mit μ=500 ml\mu = 500\,\text{ml} und σ=4 ml\sigma = 4\,\text{ml}. Wie wahrscheinlich sind 497497 bis 503 ml503\,\text{ml}? Aufgabe laden

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a) z=130−10015=2z = \frac{130 - 100}{15} = 2, also P(X≥130)=1−Φ(2)≈1−0,9772=0,0228≈2,3 %P(X \geq 130) = 1 - \Phi(2) \approx 1 - 0{,}9772 = 0{,}0228 \approx 2{,}3\,\%. Für 115115 ist z=1z = 1: P(115≤X≤130)=Φ(2)−Φ(1)≈0,9772−0,8413=0,1359P(115 \leq X \leq 130) = \Phi(2) - \Phi(1) \approx 0{,}9772 - 0{,}8413 = 0{,}1359. Lösung zeigen

b) z=±0,75z = \pm 0{,}75, also P=2Φ(0,75)−1≈2⋅0,7734−1=0,5467≈54,7 %P = 2\Phi(0{,}75) - 1 \approx 2 \cdot 0{,}7734 - 1 = 0{,}5467 \approx 54{,}7\,\%. Lösung zeigen

Aufgabe 2: Die Grenze ist gesucht

a) Welcher IQ wird nur von 5 %5\,\% der Menschen übertroffen? b) In welchem Bereich symmetrisch um 500 ml500\,\text{ml} liegen 95 %95\,\% der Füllmengen? Aufgabe laden

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a) 1−Φ(z)=0,051 - \Phi(z) = 0{,}05, also Φ(z)=0,95\Phi(z) = 0{,}95. In der Tabelle liegt 0,950{,}95 zwischen Φ(1,64)=0,9495\Phi(1{,}64) = 0{,}9495 und Φ(1,65)=0,9505\Phi(1{,}65) = 0{,}9505, also z≈1,645z \approx 1{,}645. Dann x=100+1,645⋅15≈124,7x = 100 + 1{,}645 \cdot 15 \approx 124{,}7. Lösung zeigen

b) 2Φ(z)−1=0,952\Phi(z) - 1 = 0{,}95, also Φ(z)=0,975\Phi(z) = 0{,}975 und z≈1,96z \approx 1{,}96. c=1,96⋅4 ml=7,84 mlc = 1{,}96 \cdot 4\,\text{ml} = 7{,}84\,\text{ml}, Bereich [492,16; 507,84] ml[492{,}16;\ 507{,}84]\,\text{ml}. Lösung zeigen

Aufgabe 3: Zwei Anlagen, eine Toleranz

Anlage A: μ=500 ml\mu = 500\,\text{ml}, σ=4 ml\sigma = 4\,\text{ml}. Anlage B: μ=502 ml\mu = 502\,\text{ml}, σ=2,5 ml\sigma = 2{,}5\,\text{ml}. Erlaubt sind 495495 bis 505 ml505\,\text{ml}. Welche Anlage ist besser? Was ändert sich, wenn man B auf 500 ml500\,\text{ml} einstellt? Aufgabe laden

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A: Φ(1,25)−Φ(−1,25)≈0,7887\Phi(1{,}25) - \Phi(-1{,}25) \approx 0{,}7887. B: z1=495−5022,5=−2,8z_1 = \frac{495 - 502}{2{,}5} = -2{,}8, z2=1,2z_2 = 1{,}2, also Φ(1,2)−Φ(−2,8)≈0,8849−0,0026=0,8824\Phi(1{,}2) - \Phi(-2{,}8) \approx 0{,}8849 - 0{,}0026 = 0{,}8824. B ist besser. Mittig eingestellt liegen die Grenzen bei ±2σ\pm 2\sigma, dann sind es sogar 95,4 %95{,}4\,\%. Lösung zeigen

Aufgabe 4: Binomialverteilung nähern

Eine Münze wird 100-mal geworfen. Berechne P(X≤55)P(X \leq 55) für die Anzahl XX der Wappen näherungsweise. Aufgabe laden

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μ=50\mu = 50, σ=100⋅0,5⋅0,5=5>3\sigma = \sqrt{100 \cdot 0{,}5 \cdot 0{,}5} = 5 > 3. P(X≤55)≈Φ ⁣(55,5−505)=Φ(1,1)≈0,8643P(X \leq 55) \approx \Phi\!\left(\frac{55{,}5 - 50}{5}\right) = \Phi(1{,}1) \approx 0{,}8643. Exakt: 0,86440{,}8644. Ohne Stetigkeitskorrektur: Φ(1)≈0,8413\Phi(1) \approx 0{,}8413. Lösung zeigen

Aufgabe 5: Laplace-Bedingung (Knobelaufgabe)

Bei p=0,1p = 0{,}1: Ab welcher Anzahl nn ist die Laplace-Bedingung σ>3\sigma > 3 erfüllt? Ist sie für n=100n = 100 erfüllt? Aufgabe laden

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σ=n⋅0,1⋅0,9>3  ⟺  n⋅0,09>9  ⟺  n>100\sigma = \sqrt{n \cdot 0{,}1 \cdot 0{,}9} > 3 \iff n \cdot 0{,}09 > 9 \iff n > 100. Für n=100n = 100 ist σ=3\sigma = 3 – knapp nicht erfüllt. Erst ab n=101n = 101. Lösung zeigen

Ideen für den Unterricht

  • Einsatz: Oberstufe (stetige Zufallsgrößen, Normalverteilung). Ob Quantile und die Näherung der Binomialverteilung im Unterricht gerechnet werden, bitte am Lehrplan prüfen.
  • Einstieg über die Fläche: Erst schätzen lassen, welcher Anteil zwischen aa und bb liegt, dann ziehen und vergleichen. Der Balken im Diagramm der Verteilungsfunktion zeigt, warum man zwei Tabellenwerte subtrahiert.
  • Standardisieren sichtbar machen: Die Animation eignet sich, um zu begründen, warum eine einzige Φ\Phi-Tabelle für alle Normalverteilungen reicht.
  • Tabelle rückwärts und Qualitätskontrolle: Die Ansicht „Umkehrung“ zeigt, wo man in der Tabelle sucht (Vergleich mit dem Taschenrechner). Beim Vergleich zweier Anlagen kann die Klasse vorab argumentieren, ob kleines σ\sigma oder mittiges μ\mu wichtiger ist.
  • Häufige Stolpersteine:
    • Die Höhe der Dichtekurve wird als Wahrscheinlichkeit gelesen – es zählt die Fläche; φ\varphi kann sogar größer als 11 sein.
    • Bei P(X≥a)P(X \geq a) wird 1−F(a)1 - F(a) vergessen.
    • Beim Standardisieren werden μ\mu und σ\sigma vertauscht oder es wird durch σ2\sigma^2 geteilt.
    • Bei der Umkehrung wird Φ(z)=0,05\Phi(z) = 0{,}05 statt 0,950{,}95 gesucht.
    • Die Stetigkeitskorrektur wird vergessen oder falsch angewendet (P(X<k)=P(X≤k−1)P(X < k) = P(X \leq k - 1)).