Eine Münze zeigt Kopf mit Wahrscheinlichkeit 0,6 und Zahl mit Wahrscheinlichkeit 1−0,6=0,4. Sie ist also unfair: Kopf kommt häufiger. Wir werfen sie dreimal und
zählen, wie oft Kopf erscheint. Diese Anzahl heißt X.
Eine Zufallsvariable ist nichts anderes als so eine Zählvorschrift: Sie ordnet jedem
Versuchsergebnis eine Zahl zu.
Der Weg hat vier Abschnitte, genau wie die Aufgabe:
- (i) die beiden Räume aufschreiben: Wurffolgen und Anzahlen
- (ii) für jede Anzahl k die Wahrscheinlichkeit pk berechnen
- (iii) diese Werte aufsummieren — das ergibt die Verteilungsfunktion FX
- (iv) vier Wahrscheinlichkeiten allein aus FX ablesen
Merke: Die Verteilungsfunktion
FX(x)=P(X≤x) sammelt alles, was
bis x
passiert. Steht sie einmal da, braucht man für jede weitere Frage nur noch zwei ihrer Werte.
∣Ω∣=23=8 Wurffolgen
Die Menge aller möglichen Versuchsausgänge heißt Ergebnisraum Ω (großes
Omega); in der Aufgabenstellung steht dafür Ereignisraum. Beide Wörter meinen
dasselbe.
Hier ist ein solcher Ausgang eine Folge aus drei Würfen, zum Beispiel (K,Z,K):
erst Kopf, dann Zahl, dann Kopf.
Jeder der drei Würfe hat zwei Ausgänge. Also gibt es 2⋅2⋅2=8 Folgen.
Die Tabelle rechts zeigt alle acht. Die Reihenfolge zählt mit: (K,Z,Z) und (Z,K,Z)
sind zwei verschiedene Folgen, auch wenn beide einmal Kopf enthalten.
Die dritte Spalte der Tabelle — die Wahrscheinlichkeit jeder einzelnen Folge — rechnen wir
erst in Schritt 4 aus. Hier wird nur abgezählt, dass es acht Folgen sind.
Aus Blatt 1, Aufgabe 2 („Zwei Münzen gleichzeitig“): Bei mehreren Würfen ist ein
Ergebnis immer ein Tupel. „Kopf, Zahl“ und „Zahl, Kopf“ sind zwei Einträge, nicht
einer.
Aus Blatt 1, Aufgabe 1 („Ergebnisraum und Ereignisse“): ∣Ω∣ bedeutet „Anzahl
der Elemente von
Ω“, hier also die Anzahl der Wurffolgen. Der senkrechte Strich in
{(ω1,ω2,ω3)∣ωi∈{K,Z}} heißt „für die gilt“:
gemeint sind alle Dreier-Tupel, deren Einträge
ω1,ω2,ω3 jeweils
K
oder
Z sind. Das Zeichen
∈ heißt „ist Element von“.
Ω′={0,1,2,3}
X interessiert sich nicht für die Reihenfolge, sondern nur für die
Anzahl der Kopf-Würfe. Damit landen alle acht Folgen auf einer von vier Zahlen.
Der Zielraum Ω′ (gesprochen „Omega Strich“) ist die Menge dieser möglichen
Werte: {0,1,2,3}. Weniger als null Kopf-Würfe gibt es nicht, mehr als drei auch nicht.
Beide Räume gehören zusammen, sind aber verschieden: Ω enthält Wurffolgen,
Ω′ enthält Anzahlen.
Merke: Eine Zufallsvariable ist eine Abbildung
X:Ω→Ω′. Sie fasst
mehrere Ergebnisse zu einer Zahl zusammen — drei Folgen werden hier zum Wert
1.
0,216=0,064
Ein Laplace-Raum ist ein Ergebnisraum, in dem alle Elementarereignisse —
also alle einzelnen Ergebnisse, hier die acht Wurffolgen — dieselbe Wahrscheinlichkeit
haben. Bei acht Folgen wäre das jeweils 81=0,125.
Zum Widerlegen genügt ein Gegenbeispiel-Paar. Weil die Würfe unabhängig sind,
multiplizieren wir:
- P(KKK)=0,6⋅0,6⋅0,6=0,216
- P(ZZZ)=0,4⋅0,4⋅0,4=0,064
Die beiden Werte sind verschieden. Damit ist Ω kein Laplace-Raum.
Folge für die Rechnung: Die Laplace-Formel
P(A)=∣Ω∣∣A∣ darf hier
nicht benutzt werden. Abzählen allein reicht nicht — jede Folge muss einzeln
gewichtet werden.
P(Folge)=0,6k⋅0,43−k
Die drei Würfe beeinflussen sich nicht: die Münze hat kein Gedächtnis. Bei
unabhängigen Ereignissen wird die Wahrscheinlichkeit des gemeinsamen Auftretens
multipliziert.
Für (K,Z,K) heißt das 0,6⋅0,4⋅0,6=0,144.
An der Reihenfolge der Faktoren ändert sich nichts, wenn man sie vertauscht. Deshalb hängt
die Wahrscheinlichkeit einer Folge nur davon ab, wie viele Kopf-Würfe sie enthält,
nicht davon, an welcher Stelle sie stehen: mit k-mal Kopf und (3−k)-mal Zahl ist sie
0,6k⋅0,43−k.
Aus Blatt 2, Aufgabe 2 („Stochastische Unabhängigkeit“): Unabhängig heißt genau,
dass
P(A∩B)=P(A)⋅P(B) gilt — der Durchschnitt wird zum Produkt.
(k3) Folgen
Jetzt fehlt nur noch, wie viele Folgen zum Wert k gehören. Die Frage lautet:
Welche k der drei Wurfplätze zeigen Kopf?
Das beantwortet der Binomialkoeffizient (k3) (gesprochen „3 über k“):
die Anzahl der Möglichkeiten, aus 3 Plätzen k auszuwählen, ohne auf die Reihenfolge der
Auswahl zu achten.
Dabei ist 3!=1⋅2⋅3=6, und 0! ist als 1 festgelegt. Eingesetzt:
- (03)=0!3!3!=1⋅66=1 — nur ZZZ
-
(13)=1!2!3!=1⋅26=3 — KZZ, ZKZ, ZZK
-
(23)=2!1!3!=2⋅16=3 — KKZ, KZK, ZKK
- (33)=3!0!3!=6⋅16=1 — nur KKK
Probe: 1+3+3+1=8 — genau die acht Folgen aus Schritt 1.
Aus Blatt 2, Aufgabe 1 („Ziehen ohne Zurücklegen“): (kn)=k!(n−k)!n!, wobei
n! („
n Fakultät“) das Produkt
1⋅2⋅…⋅n ist und
0!=1 gesetzt wird.
pk=(k3)0,6k0,43−k
Beide Bausteine zusammengesetzt:
- (k3) — wie viele Folgen zum Wert k führen (Schritt 5)
-
0,6k⋅0,43−k — wie wahrscheinlich jede einzelne davon ist
(Schritt 4)
Alle diese Folgen schließen sich gegenseitig aus: es tritt genau eine ein. Deshalb dürfen
ihre Wahrscheinlichkeiten addiert werden — und weil alle denselben Wert haben, ist das
Addieren ein Multiplizieren mit ihrer Anzahl.
Merke: Das ist die Formel der
Binomialverteilung. Sie passt immer, wenn ein
Versuch mit zwei Ausgängen
n-mal unabhängig wiederholt wird und die Trefferzahl gezählt
wird.
p0=0,064,
p1=0,288,
p2=0,432,
p3=0,216
Jetzt nur noch k=0,1,2,3 einsetzen. Dabei gilt 0,60=1 und 0,40=1 —
jede Zahl hoch null ist eins.
Die Potenzen einzeln: 0,43=0,064, 0,42=0,16, 0,62=0,36,
0,63=0,216. Damit:
- p0=1⋅1⋅0,43=1⋅1⋅0,064=0,064
-
p1=3⋅0,6⋅0,42=3⋅0,6⋅0,16=3⋅0,096=0,288
-
p2=3⋅0,62⋅0,4=3⋅0,36⋅0,4=3⋅0,144=0,432
- p3=1⋅0,63⋅1=1⋅0,216⋅1=0,216
Alle Werte gehen glatt auf; gerundet wird in dieser Aufgabe nirgends.
Probe: 0,064+0,288+0,432+0,216=1,000. Die Summe muss 1 sein,
denn einer der vier Werte tritt sicher ein. Stimmt das nicht, steckt ein Rechenfehler
drin.
Der größte Wert steht bei k=2, nicht bei k=1 — weil Kopf häufiger kommt als Zahl.
Die vier Säulen in der Grafik sind genau diese Werte.
FX(x)=P(X≤x)
Die kumulative Verteilungsfunktion FX („kumulativ“ = aufsummiert) beantwortet
für jede Stelle x die Frage: Wie wahrscheinlich ist es, dass X höchstens x
ist?
Wichtig ist das Zeichen ≤. FX(2) ist nicht die Wahrscheinlichkeit für genau zwei
Kopf-Würfe, sondern für null, einen oder zwei.
Weil X nur ganze Zahlen annimmt, ist das Aufsummieren einfach: FX(k)=p0+p1+⋯+pk.
Warum überhaupt kumulieren? Teil (iv) fragt nach „höchstens“, „mehr als“, „genau“
und „zwischen“. Alle vier lassen sich aus
FX mit höchstens einer Subtraktion
beantworten.
FX(0)=0,064,
FX(1)=0,352
Bis 0 gibt es nur einen Summanden: FX(0)=p0=0,064.
Bis 1 kommt p1 dazu. Statt neu zu summieren, nehmen wir den vorigen Wert:
FX(1)=0,064+0,288=0,352
In der Grafik springt die Treppe an der Stelle 1 um genau 0,288 nach oben — die Höhe
der Säule über der 1.
FX(2)=0,784,
FX(3)=1
Weiter mit demselben Muster:
FX(2)=0,352+0,432=0,784
FX(3)=0,784+0,216=1,000
Bei 3 sind alle vier Einzelwahrscheinlichkeiten aufgebraucht. Mehr als drei Kopf-Würfe
sind unmöglich, also bleibt die Treppe ab dort auf 1.
Zwei Proben, die immer gelten: FX fällt nie, und der letzte Wert ist genau
1.
Kommt mehr als
1 heraus, ist irgendwo zu viel addiert worden.
vier Sprünge bei
0,1,2,3
FX ist auch für Zwischenstellen definiert, etwa für x=1,7. Zwischen zwei ganzen
Zahlen kann X aber keinen Wert annehmen, also ändert sich dort nichts: FX(1,7)=FX(1)=0,352.
Deshalb ist FX eine Treppenfunktion: waagerechte Stücke, zwischen ihnen Sprünge.
Sie springt an den Stellen 0,1,2,3 um p0,p1,p2,p3.
Rechtsseitig stetig heißt: an der Sprungstelle gilt schon der obere Wert.
Weil FX(2)=P(X≤2) die 2 einschließt, ist FX(2)=0,784 und nicht
0,352. In der Grafik ist der Punkt oben deshalb gefüllt und der Punkt unten leer.
Die wichtigste Eigenschaft für Teil (iv): Die
Sprunghöhe an der Stelle
k
ist genau
P(X=k). Säulenhöhe und Sprunghöhe sind in der Grafik dasselbe.
P(X≤2)=FX(2)=0,784
P(X≤2) ist wörtlich die Definition von FX an der Stelle 2. Hier ist also nichts
zu rechnen, nur abzulesen:
P(X≤2)=FX(2)=0,784
In Worten: In 78,4 % der Fälle erscheint höchstens zweimal Kopf.
Gegenprobe: p0+p1+p2=0,064+0,288+0,432=0,784.
P(X>1)=1−FX(1)=0,648
FX beantwortet nur Fragen der Form „höchstens“. Gefragt ist aber „mehr als“. Die beiden
Ereignisse X>1 und X≤1 schließen sich aus und decken zusammen alles ab — sie
sind Gegenereignisse:
P(X>1)=1−P(X≤1)=1−FX(1)
P(X>1)=1−0,352=0,648
In 64,8 % der Fälle erscheint mindestens zweimal Kopf.
Merke: P(X>a)=1−FX(a). Der Wert
a selbst gehört zum
Gegenereignis, wird also mit abgezogen.
P(X=2)=FX(2)−FX(1)
FX(2) enthält die Fälle 0,1,2. FX(1) enthält die Fälle 0,1. Die Differenz
lässt genau den Fall 2 übrig:
P(X=2)=FX(2)−FX(1)=0,784−0,352=0,432
In 43,2 % der Wurfserien erscheint also genau zweimal Kopf.
Das ist die Sprunghöhe der Treppe an der Stelle 2 — und derselbe Wert, der in
Teil (ii) als p2 herauskam. Die Probe geht also auf.
Nur für ganzzahlige Zufallsvariablen: P(X=k)=FX(k)−FX(k−1). Bei Größen,
die auch Zwischenwerte annehmen können (etwa Zeiten), ist die Wahrscheinlichkeit für einen
einzelnen Wert dagegen null.
P(1≤X≤2)=FX(2)−FX(0)
Für Intervalle gibt es die Regel P(a<X≤b)=FX(b)−FX(a). Sie beruht auf
derselben Überlegung wie Schritt 14: FX(b) enthält alle Fälle bis b, FX(a) alle
bis a; zieht man ab, bleiben genau die Fälle dazwischen.
Die Regel verlangt links ein echtes Kleiner-Zeichen — gefragt ist aber 1≤X.
Weil X nur ganze Zahlen annimmt, ist das dieselbe Bedingung: „mindestens 1“ heißt
„größer als 0“. Also a=0 und b=2:
P(1≤X≤2)=P(0<X≤2)=FX(2)−FX(0)
=0,784−0,064=0,720
Gegenprobe: p1+p2=0,288+0,432=0,720 — passt.
In 72 % der Wurfserien erscheint Kopf ein- oder zweimal, also weder gar nicht noch
dreimal.
Häufigster Fehler hier: FX(2)−FX(1) rechnen. Dann fehlt der Fall
X=1,
obwohl er ausdrücklich mitgefragt ist. Bei ganzzahligem
X immer erst die Grenze um
1
nach unten schieben:
1≤X wird zu
0<X.
Alle vier Teile auf einen Blick:
| Frage |
Weg über FX |
Wert |
| a) P(X≤2) |
FX(2) |
0,784 |
| b) P(X>1) |
1−FX(1) |
0,648 |
| c) P(X=2) |
FX(2)−FX(1) |
0,432 |
| d) P(1≤X≤2) |
FX(2)−FX(0) |
0,720 |
Rückblick in vier Sätzen: Erst haben wir die acht Wurffolgen einzeln gewichtet, weil
kein Laplace-Raum vorliegt. Dann haben wir gleichartige Folgen mit dem Binomialkoeffizienten
zusammengefasst. Das Aufsummieren machte daraus die Treppe
FX. Und die Treppe beantwortet
jede weitere Frage mit einer Subtraktion.