Worum geht es?
In der Klasse 9a wurde gefragt: Hast du ein Haustier ()? Hast du Geschwister ()? Jede Person fällt in genau eines von vier Feldern:
| Summe | |||
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| Summe |
Das ist eine Vierfeldertafel. Die inneren Felder sind die Schnittmengen , , , , am Rand stehen die Randsummen , , , und die Gesamtzahl. Teilt man alles durch , erhält man Wahrscheinlichkeiten (relative Häufigkeiten).
Dieselben Daten zeigt ein Mengendiagramm: Die Kreise und liegen in der Grundmenge ; hier sind die Flächen sogar proportional zu den Anzahlen. Und ein Baumdiagramm: Erst wird nach unterschieden, dann nach . An den Ästen der zweiten Stufe stehen Anteile wie – „von den mit Haustier haben Geschwister“.
Ereignisse:
- Schnitt („ und “): ein Feld.
- Vereinigung („ oder “, auch beides): drei Felder.
- Gegenereignis : alles außer , also .
Bei der Vereinigung darf das Feld nicht doppelt gezählt werden – das ist der Additionssatz:
Der umgekehrte Baum beginnt mit . Seine Blätter sind dieselben vier Felder – nur in anderer Reihenfolge, mit anderen Anteilen an den Ästen: .
Tafel ergänzen: Jede Zeile und jede Spalte ist eine Summe. Kennt man in einer Zeile oder Spalte zwei von drei Werten, folgt der dritte durch Addieren oder Subtrahieren. In der Ansicht „Tafel ergänzen“ sind nur vier Werte bekannt – tippe ein „?“ an: Lässt es sich schon erschließen, erscheint der Wert mit Rechnung, sonst ein Hinweis.
Baum umkehren mit Wahrscheinlichkeiten: Oft sind und die bedingten Wahrscheinlichkeiten und gegeben. Mit der Pfadregel entsteht die Tafel, mit der Summenregel und daraus der umgekehrte Baum:
Mit , und ergibt sich und . Mit „Anzahlen“ zeigt die Tafel natürliche Häufigkeiten, z. B. von Personen: , , , .
Einheitsquadrat: Das Quadrat hat die Fläche . Es wird senkrecht im Verhältnis geteilt, dann jede Spalte waagerecht nach bzw. . Jede Teilfläche ist eine Pfadwahrscheinlichkeit. Liegen die beiden waagerechten Linien auf einer Höhe, ist : Dann sind und (stochastisch) unabhängig, und es gilt . Ausgeloste Personen fallen als Punkte zufällig ins Quadrat – ihre relativen Häufigkeiten liegen in der Nähe der Flächen.
Ausprobieren
- Fahre mit der Maus über ein Feld der Tafel (oder tippe es an): Dieselbe Teilmenge leuchtet im Mengendiagramm und im Baum auf. Beispiel laden
- Wähle nacheinander die Ereignisse , und . Welche Felder gehören jeweils dazu? A oder B
- Ändere die Anzahlen mit den Reglern. Wie verändern sich die Kreise?
- Drehe den Baum um („Baum beginnt mit B“). Warum stehen an den Ästen andere Brüche, an den Blättern aber dieselben Zahlen? Umgekehrter Baum
- Stelle auf Prozent um und betrachte die Umfrage unter 200 Jugendlichen. 200 Jugendliche
- Ergänze die Tafel Schritt für Schritt. Welches „?“ lässt sich zuerst erschließen, welches erst ganz am Schluss? Tafel ergänzen
- Vergleiche die beiden Bäume: Welche Zahlen stimmen überein, welche nicht? Tippe ein Blatt an. Baum umkehren
- Ziehe im Einheitsquadrat die beiden waagerechten Linien auf dieselbe Höhe. Was zeigt die Rechnung jetzt? Lose dann Personen aus. Einheitsquadrat
Aufgaben
Aufgabe 1: Tafel ergänzen
Von Personen haben ein Haustier und Geschwister; haben beides. Ergänze die Vierfeldertafel. Aufgabe laden
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: , : , : , : . In der Simulation zeigen
Aufgabe 2: Additionssatz
Berechne die Wahrscheinlichkeit, dass eine zufällig gewählte Person ein Haustier oder Geschwister hat – einmal mit dem Additionssatz, einmal über das Gegenereignis. Aufgabe laden
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Additionssatz: . Gegenereignis „weder noch“: ✓. In der Simulation zeigen
Aufgabe 3: Genau eins
In der Umfrage unter Jugendlichen sind im Sportverein, spielen ein Instrument, beides. Wie viel Prozent machen genau eines von beidem? Aufgabe laden
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Nur Sportverein: , nur Instrument: . Zusammen von , also . In der Simulation zeigen
Aufgabe 4: Umgekehrter Baum
Zeichne den Baum, der mit (Geschwister) beginnt, und trage alle Astwahrscheinlichkeiten ein. Prüfe an einem Pfad, dass dieselbe Blattwahrscheinlichkeit herauskommt wie im ersten Baum. Aufgabe laden
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Erste Stufe: , . Zweite Stufe: und bzw. und . Pfad : – wie im ersten Baum. In der Simulation zeigen
Aufgabe 5: Baum umkehren
, , . Berechne und . Wie viele von Personen gehören zu ? Aufgabe laden
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und . Von Personen gehören zu . In der Simulation zeigen
Aufgabe 6: Unabhängig?
Bei Personen gilt: , , . Zeige, dass gilt. Was bedeutet das? Aufgabe laden
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und ✓. Der Anteil von ist in genauso groß wie in (): und beeinflussen sich (statistisch) nicht – sie sind unabhängig. Im Einheitsquadrat liegen die Linien dann auf einer Höhe. Im Einheitsquadrat zeigen
Aufgabe 7: Entdecken im Einheitsquadrat
Stelle ein und ziehe und beide auf . Berechne und . Was passiert, wenn du nur eine Linie verschiebst? Aufgabe laden
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und , also – gleich, und sind unabhängig. Verschiebst du nur eine Linie, sind beide Werte nicht mehr gleich. Beispiel : bleibt, aber und . Die Ereignisse sind dann abhängig. In der Simulation zeigen
Ideen für den Unterricht
- Einsatz: Mittelstufe (Vierfeldertafel, Mengendiagramm, Additionssatz) und Oberstufe (bedingte Wahrscheinlichkeit, umgekehrter Baum).
- Eigene Umfrage: Zwei Ja/Nein-Fragen in der Klasse ergeben schnell eine eigene Vierfeldertafel, die sich mit den Reglern eintragen lässt.
- Darstellungswechsel: Das synchrone Hervorheben kann helfen, jede Zahl einer Darstellung in den anderen wiederzufinden.
- Häufige Stolpersteine:
- Bei wird das Feld doppelt gezählt.
- „ oder “ wird als „genau eines von beiden“ verstanden.
- Im Baum werden an der zweiten Stufe Anteile an der Gesamtzahl statt an der Teilgruppe eingetragen ( statt ).
- Beim umgekehrten Baum werden die Äste der ersten Stufe einfach übernommen.
- und werden verwechselt (in Aufgabe 5 zufällig beide – das ist nicht immer so).
- Einheitsquadrat: Es eignet sich gut, um Unabhängigkeit „zu sehen“, bevor die Formel eingeführt wird.