X X X ist eine Zufallsvariable : eine Größe, deren Wert vom Zufall abhängt. Das Zeichen X ∼ N ( 0 , 1 ) X
\sim N(0,1) X ∼ N ( 0 , 1 ) heißt: X X X ist normalverteilt mit der Mitte 0 0 0 und der Varianz 1 1 1 . Die Varianz
ist ein Maß dafür, wie breit die Werte um die Mitte streuen; Schritt 1 erklärt sie genauer.
Diese besondere Normalverteilung heißt Standardnormalverteilung .
Gesucht sind fünf Wahrscheinlichkeiten. Jede davon ist eine Fläche unter der
Glockenkurve rechts im Bild. Für diese Flächen gibt es keine Formel zum Ausrechnen von Hand.
Deshalb soll R helfen.
Der Weg in sechs Etappen:
Die Standardnormalverteilung ansehen und klären, was der R-Befehl
pnorm ausrechnet: die Fläche links von einer Grenze.
(i) fragt genau nach so einer Fläche links. Direkt einsetzen.
(ii) fragt nach einer Fläche rechts . Die ist die ganze Fläche 1 1 1 minus die Fläche
links.
(iii) fragt nach einer Fläche zwischen zwei Grenzen: Fläche links der großen Grenze
minus Fläche links der kleinen.
(iv) fragt nach e X e^{X} e X . Erst die Ungleichung so umformen, dass nur noch X X X dasteht. Dann
ist es wieder eine Fläche links.
(v) fragt nach dem Betrag ∣ X ∣ |X| ∣ X ∣ , dem Abstand von 0 0 0 . Gesucht sind dann zwei Flächen ganz
außen, links und rechts unter der Glocke. Sie sind gleich groß, also zweimal eine Fläche
links.
Merke: R liefert mit pnorm nur die Fläche links von
einer Grenze. Jede andere Frage muss man erst in Flächen links übersetzen. Diese Übersetzung
ist der eigentliche Inhalt der Aufgabe.
X ∼ N ( 0 , 1 ) X \sim N(0,1) X ∼ N ( 0 , 1 ) :
μ = 0 \mu = 0 μ = 0 ,
σ = 1 \sigma = 1 σ = 1
Aus Aufgabe 1 („Normalverteilung: die σ-Regeln“): Eine
stetige Zufallsvariable kann jeden Wert in einem Bereich annehmen. Ihre
Dichte f X f_X f X ist eine Kurve; eine Wahrscheinlichkeit ist die
Fläche unter dieser Kurve , die ganze Fläche ist
1 1 1 . Bei der Normalverteilung
N ( μ , σ 2 ) N(\mu,\sigma^2) N ( μ , σ 2 ) ist die Kurve eine Glocke: Der Erwartungswert
μ \mu μ ist die Mitte, die
Standardabweichung
σ \sigma σ die Breite. Der zweite Parameter ist die Varianz
σ 2 \sigma^2 σ 2 ,
nicht
σ \sigma σ . Die Glocke ist spiegelbildlich um
μ \mu μ .
In N ( 0 , 1 ) N(0,1) N ( 0 , 1 ) ist der erste Parameter μ = 0 \mu = 0 μ = 0 : Die Mitte der Glocke liegt bei 0 0 0 . Dort
ist die Kurve am höchsten.
Der zweite Parameter ist die Varianz: σ 2 = 1 \sigma^2 = 1 σ 2 = 1 . Die Standardabweichung ist die
Wurzel daraus: σ = 1 = 1 \sigma = \sqrt{1} = 1 σ = 1 = 1 . Hier sind Varianz und Standardabweichung also
zufällig gleich. Im Bild ist σ = 1 \sigma = 1 σ = 1 als Strecke von 0 0 0 bis 1 1 1 eingezeichnet.
Diese eine Normalverteilung mit μ = 0 \mu = 0 μ = 0 und σ = 1 \sigma = 1 σ = 1 heißt
Standardnormalverteilung . Sie ist die Normalverteilung, für die es Tabellen gibt
und die in R voreingestellt ist.
F X ( t ) = P ( X ≤ t ) F_X(t) = P(X \le t) F X ( t ) = P ( X ≤ t ) — nur mit Tabelle oder R
Die Höhe der Glocke lässt sich ausrechnen. Die Dichte der Standardnormalverteilung ist
f X ( x ) = 1 2 π e − 1 2 x 2 f_X(x) = \dfrac{1}{\sqrt{2\pi}}\, e^{-\frac{1}{2}x^{2}} f X ( x ) = 2 π 1 e − 2 1 x 2 .
Dabei ist π ≈ 3,14159 \pi \approx 3{,}14159 π ≈ 3 , 14159 die Kreiszahl und e ≈ 2,71828 e \approx 2{,}71828 e ≈ 2 , 71828 die Eulersche
Zahl. An der Mitte x = 0 x = 0 x = 0 ist e 0 = 1 e^{0} = 1 e 0 = 1 , die Höhe also 1 2 π ≈ 0,3989 \tfrac{1}{\sqrt{2\pi}} \approx
0{,}3989 2 π 1 ≈ 0 , 3989 .
Gefragt ist aber nie die Höhe, sondern eine Fläche . Die wichtigste ist die Fläche
links von einer Grenze t t t :
Aus Aufgabe 2 („Exponentialverteilung: ein Punkt, links davon, dazwischen“): Die
Verteilungsfunktion ist
F X ( t ) = P ( X ≤ t ) F_X(t) = P(X \le t) F X ( t ) = P ( X ≤ t ) , die Wahrscheinlichkeit für
„höchstens
t t t “. Im Bild ist das die Fläche unter der Dichte links von
t t t . Bei der
Exponentialverteilung gibt es dafür eine Formel:
F X ( t ) = 1 − e − λ t F_X(t) = 1 - e^{-\lambda t} F X ( t ) = 1 − e − λ t .
Für die Normalverteilung gibt es so eine Formel nicht . Man kann die Fläche unter
der Glocke nicht mit + + + , − - − , ⋅ \cdot ⋅ , Wurzeln und Potenzen hinschreiben. Mathematiker
haben bewiesen, dass das unmöglich ist, nicht nur schwer.
Die Werte von F X F_X F X werden deshalb numerisch berechnet, also näherungsweise durch viele
kleine Rechenschritte. Früher standen sie in Tabellen, heute rechnet sie R. Darum sagt die
Aufgabe „mit Hilfe von R“.
pnorm(t) = F X ( t ) = P ( X ≤ t ) = F_X(t) = P(X \le t) = F X ( t ) = P ( X ≤ t )
Aus Blatt 3, Aufgabe 4 („Binomialverteilung: genau, mindestens, mehr als“):
R ist eine kostenlose Statistik-Software. Man tippt einen Befehl ein, R antwortet
mit einer Zeile, die mit #[1] beginnt. Dort gab
pbinom die Verteilungsfunktion der Binomialverteilung.
Für die Normalverteilung heißt der Befehl pnorm. Das
p steht für die Verteilungsfunktion, also die aufsummierte
Wahrscheinlichkeit, norm für Normalverteilung.
pnorm(t) gibt F X ( t ) = P ( X ≤ t ) F_X(t) = P(X \le t) F X ( t ) = P ( X ≤ t ) : die Fläche unter der Glocke
links von t t t . Nur diese eine Sorte Fläche.
Die vollständige Form ist pnorm(t, mean = 0, sd = 1).
mean ist der Erwartungswert μ \mu μ ,
sd („standard deviation“) die Standardabweichung σ \sigma σ
— nicht die Varianz. Beide sind in R mit 0 0 0 und 1 1 1 voreingestellt. Für N ( 0 , 1 ) N(0,1) N ( 0 , 1 ) darf man
sie deshalb weglassen.
In R steht ein Dezimalpunkt statt eines Kommas: 0,83 0{,}83 0 , 83 wird als
0.83 eingetippt.
Erster Test: pnorm(0) gibt 0.5.
Das passt zum Bild: Die Glocke ist spiegelbildlich um 0 0 0 . Links von 0 0 0 liegt also genau
die Hälfte der Gesamtfläche 1 1 1 .
P ( X ≤ 0,83 ) ≈ 0,7967 P(X \le 0{,}83) \approx 0{,}7967 P ( X ≤ 0 , 83 ) ≈ 0 , 7967
P ( X ≤ 0,83 ) P(X \le 0{,}83) P ( X ≤ 0 , 83 ) fragt nach der Wahrscheinlichkeit für „höchstens 0,83 0{,}83 0 , 83 “. Das ist
genau F X ( 0,83 ) F_X(0{,}83) F X ( 0 , 83 ) , die Fläche links von 0,83 0{,}83 0 , 83 . Diese Form liefert
pnorm ohne Umweg:
pnorm(0.83) gibt 0,7967306 0{,}7967306 0 , 7967306 .
Die Musterlösung schreibt pnorm(0.83, mean = 0, sd = 1). Das ist
derselbe Befehl, nur mit den voreingestellten Werten ausgeschrieben.
Auf vier Nachkommastellen gerundet: P ( X ≤ 0,83 ) ≈ 0,7967 P(X \le 0{,}83) \approx \mathbf{0{,}7967} P ( X ≤ 0 , 83 ) ≈ 0 , 7967 . In
Worten: Rund 80 % aller Werte von X X X sind höchstens 0,83 0{,}83 0 , 83 .
Probe am Bild: Links von 0 0 0 liegt die Hälfte, also 0,5 0{,}5 0 , 5 . Die Grenze 0,83 0{,}83 0 , 83
liegt rechts von 0 0 0 , also muss mehr als die Hälfte herauskommen. Der Streifen von 0 0 0 bis
0,83 0{,}83 0 , 83 bringt 0,7967 − 0,5 = 0,2967 0{,}7967 - 0{,}5 = 0{,}2967 0 , 7967 − 0 , 5 = 0 , 2967 dazu.
P ( X > 1,54 ) = 1 − F X ( 1,54 ) P(X > 1{,}54) = 1 - F_X(1{,}54) P ( X > 1 , 54 ) = 1 − F X ( 1 , 54 )
P ( X > 1,54 ) P(X > 1{,}54) P ( X > 1 , 54 ) fragt nach der Fläche rechts von 1,54 1{,}54 1 , 54 . Die gibt
pnorm nicht direkt. Aber die Fläche links davon bekommt man.
Das Gegenereignis A c A^{c} A c eines Ereignisses A A A tritt genau dann ein, wenn A A A
nicht eintritt. Das hochgestellte c c c steht für das Gegenereignis.
Hier: Ist X X X nicht größer als 1,54 1{,}54 1 , 54 , dann ist X X X höchstens 1,54 1{,}54 1 , 54 . Also { X > 1,54 } c = { X ≤ 1,54 } \{X >
1{,}54\}^{c} = \{X \le 1{,}54\} { X > 1 , 54 } c = { X ≤ 1 , 54 } . Die beiden Ereignisse passen genau zusammen: Jede Zahl
ist entweder größer als 1,54 1{,}54 1 , 54 oder höchstens 1,54 1{,}54 1 , 54 . Keine Zahl liegt in beiden,
keine fehlt. Auch der Punkt 1,54 1{,}54 1 , 54 selbst hat einen festen Platz: Er gehört zu
„höchstens 1,54 1{,}54 1 , 54 “.
Aus Blatt 1, Aufgabe 6 („Rechenregeln am Würfel“): Der Komplementsatz
P ( A c ) = 1 − P ( A ) P(A^{c}) = 1
- P(A) P ( A c ) = 1 − P ( A ) : Ein Ereignis und sein Gegenereignis haben zusammen die Wahrscheinlichkeit
1 1 1 .
Im Bild: Die rote Fläche links von 1,54 1{,}54 1 , 54 und die blaue rechts davon ergeben zusammen
die ganze Fläche 1 1 1 . Also
P ( X > 1,54 ) = 1 − P ( X ≤ 1,54 ) = 1 − F X ( 1,54 ) P(X > 1{,}54) = 1 - P(X \le 1{,}54) = 1 - F_X(1{,}54) P ( X > 1 , 54 ) = 1 − P ( X ≤ 1 , 54 ) = 1 − F X ( 1 , 54 ) .
P ( X > 1,54 ) ≈ 0,0618 P(X > 1{,}54) \approx 0{,}0618 P ( X > 1 , 54 ) ≈ 0 , 0618
Zuerst die Fläche links: pnorm(1.54) gibt F X ( 1,54 ) = 0,9382198 F_X(1{,}54) =
0{,}9382198 F X ( 1 , 54 ) = 0 , 9382198 .
Dann den Komplementsatz anwenden:
P ( X > 1,54 ) = 1 − 0,9382198 = 0,0617802 P(X > 1{,}54) = 1 - 0{,}9382198 = 0{,}0617802 P ( X > 1 , 54 ) = 1 − 0 , 9382198 = 0 , 0617802
In R geht beides in einer Zeile: 1 - pnorm(1.54) gibt
0,06178018 0{,}06178018 0 , 06178018 — dieselbe Zahl, nur mit einer Stelle mehr.
Gerundet: P ( X > 1,54 ) ≈ 0,0618 P(X > 1{,}54) \approx \mathbf{0{,}0618} P ( X > 1 , 54 ) ≈ 0 , 0618 . Nur rund 6 % der Werte sind
größer als 1,54 1{,}54 1 , 54 .
Aus Aufgabe 1 („Normalverteilung: die σ-Regeln“): Zwischen
μ − σ \mu - \sigma μ − σ und
μ + σ \mu
+ \sigma μ + σ liegen rund
68,2 % 68{,}2\,\% 68 , 2 % der Werte, zwischen
μ − 2 σ \mu - 2\sigma μ − 2 σ und
μ + 2 σ \mu + 2\sigma μ + 2 σ
rund
95,4 % 95{,}4\,\% 95 , 4 % .
Probe: Hier ist μ = 0 \mu = 0 μ = 0 und σ = 1 \sigma = 1 σ = 1 . Außerhalb von − 1 -1 − 1 bis 1 1 1 liegen
100 % − 68,2 % = 31,8 % 100\,\% - 68{,}2\,\% = 31{,}8\,\% 100 % − 68 , 2 % = 31 , 8 % . Wegen der Symmetrie liegt die Hälfte davon rechts von
1 1 1 : 31,8 % : 2 = 15,9 % 31{,}8\,\% : 2 = 15{,}9\,\% 31 , 8 % : 2 = 15 , 9 % , also rund 16 % 16\,\% 16 % . Die Grenze 1,54 1{,}54 1 , 54 liegt weiter
rechts als 1 1 1 . Deshalb muss weniger als 16 % 16\,\% 16 % herauskommen. 6 % 6\,\% 6 % passt.
P ( 1,68 ≤ X ≤ 2 ) = F X ( 2 ) − F X ( 1,68 ) P(1{,}68 \le X \le 2) = F_X(2) - F_X(1{,}68) P ( 1 , 68 ≤ X ≤ 2 ) = F X ( 2 ) − F X ( 1 , 68 )
Gefragt ist der schmale Streifen zwischen 1,68 1{,}68 1 , 68 und 2 2 2 . Auch den gibt
pnorm nicht direkt. Aber er lässt sich aus zwei Flächen links
zusammensetzen.
Im Bild: Die ganze Fläche links von 2 2 2 besteht aus zwei Stücken. Das erste ist die rote
Fläche links von 1,68 1{,}68 1 , 68 . Das zweite ist der gesuchte Streifen von 1,68 1{,}68 1 , 68 bis 2 2 2 :
F X ( 2 ) = F X ( 1,68 ) + P ( 1,68 ≤ X ≤ 2 ) F_X(2) = F_X(1{,}68) + P(1{,}68 \le X \le 2) F X ( 2 ) = F X ( 1 , 68 ) + P ( 1 , 68 ≤ X ≤ 2 )
Auf beiden Seiten F X ( 1,68 ) F_X(1{,}68) F X ( 1 , 68 ) abziehen. Dann steht der Streifen allein:
P ( 1,68 ≤ X ≤ 2 ) = F X ( 2 ) − F X ( 1,68 ) P(1{,}68 \le X \le 2) = F_X(2) - F_X(1{,}68) P ( 1 , 68 ≤ X ≤ 2 ) = F X ( 2 ) − F X ( 1 , 68 )
Aus Aufgabe 2 („Exponentialverteilung: ein Punkt, links davon, dazwischen“): Dort
stand dieselbe Regel allgemein:
P ( a ≤ X ≤ b ) = F X ( b ) − F X ( a ) P(a \le X \le b) = F_X(b) - F_X(a) P ( a ≤ X ≤ b ) = F X ( b ) − F X ( a ) — große Grenze minus
kleine Grenze.
Genau genommen gehört der Punkt 1,68 1{,}68 1 , 68 zu beiden Stücken: Er liegt in „X ≤ 1,68 X \le 1{,}68 X ≤ 1 , 68 “
und im Streifen. Das macht nichts aus:
Aus Aufgabe 2 („Exponentialverteilung: ein Punkt, links davon, dazwischen“): Bei
einer stetigen Zufallsvariable ist
P ( X = x ) = 0 P(X = x) = 0 P ( X = x ) = 0 für jede einzelne Zahl
x x x . Ein Punkt
hat keine Breite, also keine Fläche. Deshalb ist es egal, ob
≤ \le ≤ oder
< < < dasteht.
P ( 1,68 ≤ X ≤ 2 ) ≈ 0,0237 P(1{,}68 \le X \le 2) \approx 0{,}0237 P ( 1 , 68 ≤ X ≤ 2 ) ≈ 0 , 0237
Die beiden Flächen links aus R:
pnorm(2) gibt F X ( 2 ) = 0,9772499 F_X(2) = 0{,}9772499 F X ( 2 ) = 0 , 9772499
pnorm(1.68) gibt F X ( 1,68 ) = 0,9535213 F_X(1{,}68) = 0{,}9535213 F X ( 1 , 68 ) = 0 , 9535213
Abziehen:
P ( 1,68 ≤ X ≤ 2 ) = 0,9772499 − 0,9535213 = 0,0237286 P(1{,}68 \le X \le 2) = 0{,}9772499 - 0{,}9535213 = 0{,}0237286 P ( 1 , 68 ≤ X ≤ 2 ) = 0 , 9772499 − 0 , 9535213 = 0 , 0237286
R gibt für pnorm(2) - pnorm(1.68) den Wert 0,02372853 0{,}02372853 0 , 02372853 . Der
Unterschied in der siebten Nachkommastelle kommt vom Runden: R rechnet intern mit mehr
Stellen, als es anzeigt. Wer zwei fast gleich große Zahlen abzieht, verliert vorne
Stellen. Auf vier Stellen stimmen beide Wege überein.
Gerundet: P ( 1,68 ≤ X ≤ 2 ) ≈ 0,0237 P(1{,}68 \le X \le 2) \approx \mathbf{0{,}0237} P ( 1 , 68 ≤ X ≤ 2 ) ≈ 0 , 0237 , also rund 2 % .
Probe mit einem Rechteck: Der Streifen ist 2 − 1,68 = 0,32 2 - 1{,}68 = 0{,}32 2 − 1 , 68 = 0 , 32 breit. In seiner
Mitte, bei 1,68 + 2 2 = 1,84 \tfrac{1{,}68 + 2}{2} = 1{,}84 2 1 , 68 + 2 = 1 , 84 , ist die Kurve so hoch:
Zuerst der Exponent: 1,84 2 = 1,84 ⋅ 1,84 = 3,3856 1{,}84^{2} = 1{,}84 \cdot 1{,}84 = 3{,}3856 1 , 8 4 2 = 1 , 84 ⋅ 1 , 84 = 3 , 3856 , halbiert 3,3856 : 2 = 1,6928 3{,}3856 : 2
= 1{,}6928 3 , 3856 : 2 = 1 , 6928 . Außerdem ist 1 2 π ≈ 0,3989 \tfrac{1}{\sqrt{2\pi}} \approx 0{,}3989 2 π 1 ≈ 0 , 3989 (Schritt 2).
Eingesetzt:
f X ( 1,84 ) = 1 2 π e − 1 2 ⋅ 1,84 2 = 0,3989 ⋅ e − 1,6928 = 0,3989 ⋅ 0,1840 ≈ 0,0734 f_X(1{,}84) = \dfrac{1}{\sqrt{2\pi}}\, e^{-\frac{1}{2}\cdot 1{,}84^{2}} = 0{,}3989 \cdot
e^{-1{,}6928} = 0{,}3989 \cdot 0{,}1840 \approx 0{,}0734 f X ( 1 , 84 ) = 2 π 1 e − 2 1 ⋅ 1 , 8 4 2 = 0 , 3989 ⋅ e − 1 , 6928 = 0 , 3989 ⋅ 0 , 1840 ≈ 0 , 0734
In R: dnorm(1.84). Das d steht für die
Dichte, also die Höhe. Ein Rechteck mit Breite 0,32 0{,}32 0 , 32 und Höhe 0,0734 0{,}0734 0 , 0734 hat die Fläche
0,32 ⋅ 0,0734 ≈ 0,0235 0{,}32 \cdot 0{,}0734 \approx 0{,}0235 0 , 32 ⋅ 0 , 0734 ≈ 0 , 0235 . Das liegt sehr nah an 0,0237 0{,}0237 0 , 0237 .
Für welche
X X X gilt
e X ≤ 2,5 e^{X} \le 2{,}5 e X ≤ 2 , 5 ?
Jetzt steht nicht X X X in der Klammer, sondern e X e^{X} e X : die Eulersche Zahl e ≈ 2,71828 e \approx
2{,}71828 e ≈ 2 , 71828 hoch X X X .
pnorm beantwortet aber nur Fragen der Form „X ≤ t X \le t X ≤ t “. Und
e X e^{X} e X ist selbst nicht normalverteilt : Es ist nie negativ, denn e e e hoch
irgendetwas ist immer größer als 0 0 0 . Eine Glocke um die Mitte 0 0 0 kann das nicht sein.
Und pnorm(2.5) wäre falsch: Es beantwortet P ( X ≤ 2,5 ) P(X \le 2{,}5) P ( X ≤ 2 , 5 ) , und
das ist ein anderes Ereignis . Ein Beispiel: X = 1 X = 1 X = 1 erfüllt 1 ≤ 2,5 1 \le 2{,}5 1 ≤ 2 , 5 . Aber
e 1 ≈ 2,72 e^{1} \approx 2{,}72 e 1 ≈ 2 , 72 ist größer als 2,5 2{,}5 2 , 5 . Dieser Wert gehört also zu „X ≤ 2,5 X \le 2{,}5 X ≤ 2 , 5 “,
aber nicht zu „e X ≤ 2,5 e^{X} \le 2{,}5 e X ≤ 2 , 5 “.
Die Verteilung von e X e^{X} e X braucht man aber gar nicht. Man beschreibt
dasselbe Ereignis nur anders. Die Frage lautet:
Für welche Werte von X X X ist e X ≤ 2,5 e^{X} \le 2{,}5 e X ≤ 2 , 5 ?
Findet man dafür eine Grenze t t t mit „e X ≤ 2,5 e^{X} \le 2{,}5 e X ≤ 2 , 5 genau dann, wenn X ≤ t X \le t X ≤ t “, dann
haben beide Ereignisse dieselbe Wahrscheinlichkeit. Denn es sind dieselben Ausgänge, nur
in anderen Worten.
Aus Blatt 3, Aufgabe 5 („Poissonverteilung: den Parameter aus einer Wahrscheinlichkeit
gewinnen“):
Der natürliche Logarithmus
ln \ln ln ist die Umkehrung von
e e e . Er holt den Exponenten
herunter:
ln ( e a ) = a \ln(e^{a}) = a ln ( e a ) = a .
Mit ln \ln ln lässt sich das e e e also entfernen. Ob man ln \ln ln auf eine
Ungleichung anwenden darf, klärt der nächste Schritt.
e X ≤ 2,5 ⟺ X ≤ ln 2,5 ≈ 0,916 e^{X} \le 2{,}5 \iff X \le \ln 2{,}5 \approx 0{,}916 e X ≤ 2 , 5 ⟺ X ≤ ln 2 , 5 ≈ 0 , 916
Bei einer Gleichung darf man auf beide Seiten dieselbe Funktion anwenden. Bei einer
Ungleichung kann sich dabei aber die Richtung umdrehen. Ein Beispiel: Es ist 2 < 3 2 < 3 2 < 3 .
Mit − 1 -1 − 1 malgenommen wird daraus − 2 > − 3 -2 > -3 − 2 > − 3 . Das Zeichen hat sich umgedreht.
Beim ln \ln ln passiert das nicht. Die Funktion ln \ln ln ist streng monoton wachsend : Eine
größere Zahl hat immer auch den größeren ln \ln ln . Am Beispiel:
2 < 3 2 < 3 2 < 3 und ln 2 ≈ 0,693 < ln 3 ≈ 1,099 \ln 2 \approx 0{,}693 < \ln 3 \approx 1{,}099 ln 2 ≈ 0 , 693 < ln 3 ≈ 1 , 099 .
Die Reihenfolge bleibt also erhalten. Deshalb bleibt auch das ≤ \le ≤ stehen:
e X ≤ 2,5 ⟺ ln ( e X ) ≤ ln 2,5 ⟺ X ≤ ln 2,5 e^{X} \le 2{,}5 \iff \ln\!\big(e^{X}\big) \le \ln 2{,}5 \iff X \le \ln 2{,}5 e X ≤ 2 , 5 ⟺ ln ( e X ) ≤ ln 2 , 5 ⟺ X ≤ ln 2 , 5
Das Zeichen ⟺ \iff ⟺ heißt „genau dann, wenn“: Beide Aussagen sind für genau dieselben Werte
von X X X wahr. ln \ln ln ist nur für positive Zahlen erklärt. Das ist hier erfüllt, denn
e X e^{X} e X und 2,5 2{,}5 2 , 5 sind beide größer als 0 0 0 .
Die neue Grenze ist ln 2,5 = 0,9162907 ≈ 0,916 \ln 2{,}5 = 0{,}9162907 \approx 0{,}916 ln 2 , 5 = 0 , 9162907 ≈ 0 , 916 .
Probe: e 0,9162907 ≈ 2,5 e^{0{,}9162907} \approx 2{,}5 e 0 , 9162907 ≈ 2 , 5 .
P ( e X ≤ 2,5 ) ≈ 0,8202 P(e^{X} \le 2{,}5) \approx 0{,}8202 P ( e X ≤ 2 , 5 ) ≈ 0 , 8202
Nach dem Umformen ist es wieder die Grundform, eine Fläche links:
P ( e X ≤ 2,5 ) = P ( X ≤ ln 2,5 ) = F X ( 0,9162907 ) P(e^{X} \le 2{,}5) = P(X \le \ln 2{,}5) = F_X(0{,}9162907) P ( e X ≤ 2 , 5 ) = P ( X ≤ ln 2 , 5 ) = F X ( 0 , 9162907 )
In R: pnorm(log(2.5)) gibt 0,8202428 0{,}8202428 0 , 8202428 .
Achtung: log ist in R der natürliche
Logarithmus ln \ln ln , nicht der Zehnerlogarithmus.
log(2.5) gibt 0,9162907 0{,}9162907 0 , 9162907 , genau die Grenze aus dem letzten
Schritt.
Gerundet: P ( e X ≤ 2,5 ) ≈ 0,8202 P(e^{X} \le 2{,}5) \approx \mathbf{0{,}8202} P ( e X ≤ 2 , 5 ) ≈ 0 , 8202 , rund 82 % .
Probe am Bild: Die Grenze 0,916 0{,}916 0 , 916 liegt etwas rechts von 0,83 0{,}83 0 , 83 aus Teil (i).
Die Fläche links muss also etwas größer sein als dort: 0,8202 > 0,7967 0{,}8202 > 0{,}7967 0 , 8202 > 0 , 7967 . Das
stimmt.
∣ X ∣ ≥ 2,4 ⟺ X ≤ − 2,4 |X| \ge 2{,}4 \iff X \le -2{,}4 ∣ X ∣ ≥ 2 , 4 ⟺ X ≤ − 2 , 4 oder
X ≥ 2,4 X \ge 2{,}4 X ≥ 2 , 4
Die senkrechten Striche bedeuten den Betrag . ∣ x ∣ |x| ∣ x ∣ ist der Abstand der Zahl x x x von
0 0 0 , ohne Vorzeichen:
∣ − 3 ∣ = 3 |{-3}| = 3 ∣ − 3 ∣ = 3 , ∣ 3 ∣ = 3 \;|3| = 3 ∣3∣ = 3 , ∣ − 1,5 ∣ = 1,5 \;|{-1{,}5}| = 1{,}5 ∣ − 1 , 5 ∣ = 1 , 5 .
∣ X ∣ ≥ 2,4 |X| \ge 2{,}4 ∣ X ∣ ≥ 2 , 4 heißt also: X X X liegt mindestens 2,4 2{,}4 2 , 4 von der 0 0 0 entfernt . Das
geht auf zwei Arten:
X X X liegt weit links: X ≤ − 2,4 X \le -2{,}4 X ≤ − 2 , 4 (zum Beispiel − 3 -3 − 3 )
X X X liegt weit rechts: X ≥ 2,4 X \ge 2{,}4 X ≥ 2 , 4 (zum Beispiel 3 3 3 )
Alles dazwischen, etwa X = 1 X = 1 X = 1 oder X = − 2 X = -2 X = − 2 , ist näher als 2,4 2{,}4 2 , 4 an der 0 0 0 und zählt
nicht. Im Bild sind das die beiden Ränder : die Flächen ganz außen links und ganz
außen rechts unter der Glocke.
Beide Ränder können nicht gleichzeitig eintreten: X X X kann nicht zugleich links von
− 2,4 -2{,}4 − 2 , 4 und rechts von 2,4 2{,}4 2 , 4 liegen. Deshalb werden sie addiert:
P ( ∣ X ∣ ≥ 2,4 ) = P ( X ≤ − 2,4 ) + P ( X ≥ 2,4 ) P(|X| \ge 2{,}4) = P(X \le -2{,}4) + P(X \ge 2{,}4) P ( ∣ X ∣ ≥ 2 , 4 ) = P ( X ≤ − 2 , 4 ) + P ( X ≥ 2 , 4 )
Aus Blatt 1, Aufgabe 6 („Rechenregeln am Würfel“): Die Additivitätsregel
P ( A ∪ B ) = P ( A ) + P ( B ) − P ( A ∩ B ) P(A \cup
B) = P(A) + P(B) - P(A \cap B) P ( A ∪ B ) = P ( A ) + P ( B ) − P ( A ∩ B ) . Haben
A A A und
B B B nichts gemeinsam, ist
P ( A ∩ B ) = 0 P(A \cap B) =
0 P ( A ∩ B ) = 0 , und es bleibt die Summe.
P ( ∣ X ∣ ≥ 2,4 ) = 2 ⋅ F X ( − 2,4 ) P(|X| \ge 2{,}4) = 2 \cdot F_X(-2{,}4) P ( ∣ X ∣ ≥ 2 , 4 ) = 2 ⋅ F X ( − 2 , 4 )
Die Glocke von N ( 0 , 1 ) N(0,1) N ( 0 , 1 ) ist spiegelbildlich um ihre Mitte 0 0 0 (siehe Schritt 1). Klappt
man die linke Hälfte an der 0 0 0 nach rechts, liegt sie genau auf der rechten.
Dabei landet der linke Rand ab − 2,4 -2{,}4 − 2 , 4 genau auf dem rechten Rand ab 2,4 2{,}4 2 , 4 . Beide
Ränder haben also dieselbe Fläche:
P ( X ≥ 2,4 ) = P ( X ≤ − 2,4 ) P(X \ge 2{,}4) = P(X \le -2{,}4) P ( X ≥ 2 , 4 ) = P ( X ≤ − 2 , 4 )
Damit wird aus der Summe zweier gleicher Zahlen das Doppelte:
P ( ∣ X ∣ ≥ 2,4 ) = 2 ⋅ P ( X ≤ − 2,4 ) = 2 ⋅ F X ( − 2,4 ) P(|X| \ge 2{,}4) = 2 \cdot P(X \le -2{,}4) = 2 \cdot F_X(-2{,}4) P ( ∣ X ∣ ≥ 2 , 4 ) = 2 ⋅ P ( X ≤ − 2 , 4 ) = 2 ⋅ F X ( − 2 , 4 )
Warum der linke Rand? P ( X ≤ − 2,4 ) P(X \le -2{,}4) P ( X ≤ − 2 , 4 ) ist eine Fläche links, also genau das, was
pnorm liefert. Beim rechten Rand bräuchte man wieder den Umweg
„1 − 1 - 1 − “ aus Teil (ii). Beide Wege führen zum selben Ergebnis.
P ( ∣ X ∣ ≥ 2,4 ) ≈ 0,0164 P(|X| \ge 2{,}4) \approx 0{,}0164 P ( ∣ X ∣ ≥ 2 , 4 ) ≈ 0 , 0164
pnorm(-2.4) gibt den linken Rand: F X ( − 2,4 ) = 0,008197536 F_X(-2{,}4) = 0{,}008197536 F X ( − 2 , 4 ) = 0 , 008197536 .
Probe der Symmetrie: Den rechten Rand liefert
1 - pnorm(2.4). R gibt dafür dieselbe Zahl 0,008197536 0{,}008197536 0 , 008197536 .
Genau genommen ist 1 - pnorm(2.4) die Wahrscheinlichkeit P ( X > 2,4 ) P(X
> 2{,}4) P ( X > 2 , 4 ) , gefragt ist aber P ( X ≥ 2,4 ) P(X \ge 2{,}4) P ( X ≥ 2 , 4 ) . Der Unterschied ist P ( X = 2,4 ) P(X = 2{,}4) P ( X = 2 , 4 ) . Das
ist 0 0 0 , weil ein einzelner Punkt keine Fläche hat (siehe Schritt 7). Beide
Wahrscheinlichkeiten sind also gleich.
Verdoppeln:
P ( ∣ X ∣ ≥ 2,4 ) = 2 ⋅ 0,008197536 = 0,016395072 P(|X| \ge 2{,}4) = 2 \cdot 0{,}008197536 = 0{,}016395072 P ( ∣ X ∣ ≥ 2 , 4 ) = 2 ⋅ 0 , 008197536 = 0 , 016395072
In einer Zeile: 2 * pnorm(-2.4) gibt 0,01639507 0{,}01639507 0 , 01639507 .
Gerundet: P ( ∣ X ∣ ≥ 2,4 ) ≈ 0,0164 P(|X| \ge 2{,}4) \approx \mathbf{0{,}0164} P ( ∣ X ∣ ≥ 2 , 4 ) ≈ 0 , 0164 . Nur rund 1,6 % der Werte
liegen mindestens 2,4 2{,}4 2 , 4 von der Mitte entfernt.
Probe mit den σ-Regeln aus Aufgabe 1: Zwischen − 2 -2 − 2 und 2 2 2 liegen rund
95,4 % 95{,}4\,\% 95 , 4 % . Außerhalb liegen also 100 % − 95,4 % = 4,6 % 100\,\% - 95{,}4\,\% = 4{,}6\,\% 100 % − 95 , 4 % = 4 , 6 % , die Hälfte davon
auf jeder Seite: 2,3 % 2{,}3\,\% 2 , 3 % . Die Grenzen ± 2,4 \pm 2{,}4 ± 2 , 4 liegen noch weiter außen. Deshalb
muss jeder Rand kleiner als 2,3 % 2{,}3\,\% 2 , 3 % sein und beide zusammen kleiner als 4,6 % 4{,}6\,\% 4 , 6 % .
0,82 % 0{,}82\,\% 0 , 82 % je Rand und 1,6 % 1{,}6\,\% 1 , 6 % zusammen passen.
Teil
Weg
Wert
(i) X ≤ 0,83 X \le 0{,}83 X ≤ 0 , 83
Fläche links
0,7967
(ii) X > 1,54 X > 1{,}54 X > 1 , 54
1 − 1 - 1 − Fläche links
0,0618
(iii) 1,68 ≤ X ≤ 2 1{,}68 \le X \le 2 1 , 68 ≤ X ≤ 2
Differenz zweier Flächen links
0,0237
(iv) e X ≤ 2,5 e^{X} \le 2{,}5 e X ≤ 2 , 5
mit ln \ln ln umformen, dann Fläche links
0,8202
(v) ∣ X ∣ ≥ 2,4 |X| \ge 2{,}4 ∣ X ∣ ≥ 2 , 4
zwei gleiche Ränder
0,0164
Rückblick: pnorm(t) kennt nur die Fläche links von
t t t .
Rechts:
1 − F X ( t ) 1 - F_X(t) 1 − F X ( t ) . Zwischen:
F X ( b ) − F X ( a ) F_X(b) - F_X(a) F X ( b ) − F X ( a ) . Steht nicht
X X X allein da, erst mit einer
streng monoton wachsenden Funktion umformen. Beim Betrag: zwei Ränder, und wegen der
Symmetrie
2 ⋅ F X ( − c ) 2 \cdot F_X(-c) 2 ⋅ F X ( − c ) .
Typische Fehler:
Bei (ii) das „1 − 1 - 1 − “ vergessen. Dann steht 0,9382 0{,}9382 0 , 9382 da, die Fläche links statt rechts.
Bei (iv) pnorm(2.5) rechnen. Die Grenze für X X X ist aber ln 2,5 ≈ 0,916 \ln
2{,}5 \approx 0{,}916 ln 2 , 5 ≈ 0 , 916 , nicht 2,5 2{,}5 2 , 5 .
Bei (v) nur einen Rand zählen (0,0082 0{,}0082 0 , 0082 ) oder die Mitte nehmen (1 − 0,0164 = 0,9836 1 - 0{,}0164 =
0{,}9836 1 − 0 , 0164 = 0 , 9836 ).
In pnorm bei sd die Varianz statt der
Standardabweichung eintragen. Bei N ( 0 , 1 ) N(0,1) N ( 0 , 1 ) fällt das nicht auf, weil beide 1 1 1 sind — bei
anderen Normalverteilungen schon.