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Statistik · Übungsblatt 3 · Aufgabe 1

Sportverein: Vierfeldertafel und bedingte Wahrscheinlichkeit

70 BWL-Studierende, davon 49 sportlich aktiv. Manche sind Mitglied im Sportverein, aber nicht alle Mitglieder treiben Sport. Gesucht sind Wahrscheinlichkeiten für einen zufällig ausgewählten Studierenden. Das Werkzeug ist die Vierfeldertafel: eine Tabelle mit vier Feldern für die vier Kombinationen aus aktiv oder nicht aktiv und Mitglied oder nicht. Alles wird von Hand gerechnet, wie in der Klausur. Der ganze Lösungsweg steht offen da, die Erklärung gehört jeweils zum aktuellen Schritt. Mit Weiter geht es Schritt für Schritt voran. Ein Klick auf einen Schritt springt direkt dorthin.

Die Aufgabe

Jeder weiß, dass eine Mitgliedschaft im Sportverein nicht zwangsläufig ein Indiz für sportliche Aktivität ist. An einer Hochschule sind derzeit 70 Studierende (=männlich und weiblich) im Studiengang BWL eingeschrieben.

49 dieser 70 BWL-Studierenden sind regelmäßig sportlich aktiv. Die Hälfte dieser sportlich Aktiven hat eine Mitgliedschaft im Sportverein.

Ein Drittel der nicht sportlich Aktiven besitzt ebenfalls noch eine Mitgliedschaft im Sportverein (Kündigungsfrist wurde versäumt, der Sportverein wird aber an sich nicht mehr besucht).

  1. Ermitteln Sie die Wahrscheinlichkeit, dass ein zufällig ausgewählter Studierender dieses Studiengangs eine Mitgliedschaft im Sportverein hat.
  2. Berechnen Sie die Wahrscheinlichkeit dafür, dass ein solcher Studierender unter der Bedingung, dass er/sie eine Mitgliedschaft im Sportverein besitzt, sportlich aktiv ist.
  3. Bestimmen Sie die Wahrscheinlichkeit dafür, dass ein Studierender keine Mitgliedschaft im Sportverein besitzt und sportlich aktiv ist. Erstellen Sie hierfür eine Vier-Felder-Tafel.
  4. Berechnen Sie die Wahrscheinlichkeit, dass ein Studierender eine Mitgliedschaft im Sportverein besitzt oder sportlich aktiv ist.
  5. Bestimmen Sie, ob die Ereignisse „eine Mitgliedschaft im Sportverein besitzen“ und „sportlich aktiv sein“ unabhängig sind.

Lösungshinweise:

A - BWL-Studierender ist regelmäßig sportlich aktiv.
B - BWL-Studierender hat eine Mitgliedschaft im Sportverein.

Ereignisse und gegebene Anteile

die Angaben der Aufgabe als Wahrscheinlichkeiten

Ereignis A: sportlich aktiv

Anteil der Aktiven: 49 von 70
P(A)=4970=710=0,7P(A) = \frac{49}{70} = \frac{7}{10} = 0{,}7
Gegenereignis: nicht aktiv (70 − 49 = 21 Studierende, 21/70 = 0,3)
P(Aˉ)=1−P(A)=1−0,7=0,3P(\bar{A}) = 1 - P(A) = 1 - 0{,}7 = 0{,}3

Die Anteile in den Gruppen: bedingte Wahrscheinlichkeiten

Die Hälfte der Aktiven ist Mitglied
P(B/A)=12=0,5P(B/A) = \frac{1}{2} = 0{,}5
Ein Drittel der nicht Aktiven ist Mitglied
P(B/Aˉ)=13=0,333…P(B/\bar{A}) = \frac{1}{3} = 0{,}333\ldots
In Personen: keine ganze Zahl, darum weiter mit Anteilen
12⋅49=24,5\tfrac{1}{2} \cdot 49 = 24{,}5
13⋅21=7\tfrac{1}{3} \cdot 21 = 7

Aktiv und Mitglied: der Multiplikationssatz

Definition der bedingten Wahrscheinlichkeit
P(B/A)=P(A∩B)P(A)∣⋅P(A)P(B/A) = \frac{P(A \cap B)}{P(A)} \quad \mid \cdot P(A)
Multiplikationssatz: beide Seiten mal P(A)
P(A∩B)=P(B/A)⋅P(A)P(A \cap B) = P(B/A) \cdot P(A)
Aktiv und Mitglied
P(A∩B)=12⋅0,7=0,35P(A \cap B) = \frac{1}{2} \cdot 0{,}7 = 0{,}35
Nicht aktiv und Mitglied
P(Aˉ∩B)=P(B/Aˉ)⋅P(Aˉ)=13⋅0,3=0,1\begin{aligned} P(\bar{A} \cap B) &= P(B/\bar{A}) \cdot P(\bar{A}) \\ &= \frac{1}{3} \cdot 0{,}3 = 0{,}1 \end{aligned}

a) Mitglied im Sportverein

aus beiden Gruppen zusammen

Totale Wahrscheinlichkeit: P(B)

Satz von der totalen Wahrscheinlichkeit
P(B)=P(B/A)⋅P(A)+P(B/Aˉ)⋅P(Aˉ)\begin{aligned} P(B) = {} & P(B/A) \cdot P(A) \\ & + P(B/\bar{A}) \cdot P(\bar{A}) \end{aligned}
Eingesetzt, mit den Werten aus Schritt 3
P(B)=12⋅0,7⏟0,35+13⋅0,3⏟0,1=0,45\begin{aligned} P(B) &= \underbrace{\tfrac{1}{2} \cdot 0{,}7}_{0{,}35} + \underbrace{\tfrac{1}{3} \cdot 0{,}3}_{0{,}1} \\ &= 0{,}45 \end{aligned}

b) Aktiv unter den Mitgliedern

die Bedingung ist jetzt B

Bedingte Wahrscheinlichkeit: P(A/B)

Bedingte Wahrscheinlichkeit, Bedingung B
P(A/B)=P(A∩B)P(B)P(A/B) = \frac{P(A \cap B)}{P(B)}
falls P(B)>0\text{falls } P(B) > 0
Eingesetzt
P(A/B)=0,350,45=3545=79=0,7777…≈0,7778\begin{aligned} P(A/B) &= \frac{0{,}35}{0{,}45} = \frac{35}{45} = \frac{7}{9} \\ &= 0{,}7777\ldots \approx 0{,}7778 \end{aligned}
Probe mit dem Satz von Bayes
P(A/B)=P(B/A)⋅P(A)P(B)=0,5⋅0,70,45=79\begin{aligned} P(A/B) &= \frac{P(B/A) \cdot P(A)}{P(B)} \\ &= \frac{0{,}5 \cdot 0{,}7}{0{,}45} = \frac{7}{9} \end{aligned}

c) Aktiv, aber kein Mitglied

und die Vierfeldertafel

Aktiv und kein Mitglied

Die Aktiven: Mitglieder plus Nicht-Mitglieder
P(A)=P(A∩B)+P(A∩Bˉ)P(A) = P(A \cap B) + P(A \cap \bar{B})
Nach dem gesuchten Teil umgestellt und eingesetzt
P(A∩Bˉ)=P(A)−P(A∩B)=0,7−0,35=0,35\begin{aligned} P(A \cap \bar{B}) &= P(A) - P(A \cap B) \\ &= 0{,}7 - 0{,}35 = 0{,}35 \end{aligned}

Die Vierfeldertafel

Das vierte Feld: nicht aktiv und kein Mitglied
P(Aˉ∩Bˉ)=P(Aˉ)−P(Aˉ∩B)=0,3−0,1=0,2\begin{aligned} P(\bar{A} \cap \bar{B}) &= P(\bar{A}) - P(\bar{A} \cap B) \\ &= 0{,}3 - 0{,}1 = 0{,}2 \end{aligned}
Die fehlende Randsumme: kein Mitglied
P(Bˉ)=1−P(B)=1−0,45=0,55P(\bar{B}) = 1 - P(B) = 1 - 0{,}45 = 0{,}55
BB MitgliedBˉ\bar{B} kein MitgliedSumme
AA aktiv0,350,350,7
Aˉ\bar{A} nicht aktiv0,10,20,3
Summe0,450,551

Grün: das Feld aus Teil c), aktiv und kein Mitglied.

d) Mitglied oder aktiv

der Additionssatz

Additionssatz: P(A ∪ B)

Allgemeiner Additionssatz
P(A∪B)=P(A)+P(B)−P(A∩B)P(A \cup B) = P(A) + P(B) - P(A \cap B)
Eingesetzt
P(A∪B)=0,7+0,45−0,35=0,8P(A \cup B) = 0{,}7 + 0{,}45 - 0{,}35 = 0{,}8
Probe: alles außer dem Feld weder aktiv noch Mitglied
P(A∪B)=1−P(Aˉ∩Bˉ)=1−0,2=0,8P(A \cup B) = 1 - P(\bar{A} \cap \bar{B}) = 1 - 0{,}2 = 0{,}8

e) Unabhängig oder nicht?

das Produkt mit dem Schnitt vergleichen

Unabhängigkeit prüfen

Multiplikationssatz mit P(B/A) = P(B)
P(A∩B)=P(B/A)⋅P(A)=P(B)⋅P(A)P(A \cap B) = P(B/A) \cdot P(A) = P(B) \cdot P(A)
Bedingung für Unabhängigkeit
A,B unabha¨ngig  ⟺   P(A∩B)=P(A)⋅P(B)\begin{aligned} & A, B \ \text{unabhängig} \\ \iff \ & P(A \cap B) = P(A) \cdot P(B) \end{aligned}
Beide Seiten ausgerechnet
P(A)⋅P(B)=0,7⋅0,45=0,315P(A) \cdot P(B) = 0{,}7 \cdot 0{,}45 = 0{,}315
P(A∩B)=0,35P(A \cap B) = 0{,}35
Vergleich
0,315≠0,35⇒A,B abha¨ngig0{,}315 \neq 0{,}35 \quad\Rightarrow\quad A, B \ \text{abhängig}

Ergebnis

a) P(B)=0,45P(B) = 0{,}45
b) P(A/B)=79≈0,7778P(A/B) = \tfrac{7}{9} \approx 0{,}7778
c) P(A∩Bˉ)=0,35P(A \cap \bar{B}) = 0{,}35, Vierfeldertafel in Schritt 7
d) P(A∪B)=0,8P(A \cup B) = 0{,}8
e) P(A)⋅P(B)=0,315P(A) \cdot P(B) = 0{,}315, aber P(A∩B)=0,35P(A \cap B) = 0{,}35: abhängig
Plausibel: Alle Werte liegen zwischen 0 und 1. Die vier Felder der Tafel ergeben 1. P(A∪B)=0,8P(A \cup B) = 0{,}8 ist mindestens so groß wie P(A)=0,7P(A) = 0{,}7 und P(B)=0,45P(B) = 0{,}45.
Plausibel: Aktive sind öfter Mitglied (1/2) als nicht Aktive (1/3). Darum ist unter den Mitgliedern der Anteil der Aktiven (0,78) größer als insgesamt (0,7).

Der Weg in Kürze: Ereignisse benennen. Anteile, die sich auf eine Teilgruppe beziehen, als bedingte Wahrscheinlichkeiten schreiben. Mit dem Multiplikationssatz die Felder „beides“ berechnen. Daraus die Vierfeldertafel füllen: Innenfelder durch Abziehen, Ränder durch Addieren. Bedingte Wahrscheinlichkeiten als Feld geteilt durch Rand ablesen, „oder“ mit dem Additionssatz, Unabhängigkeit mit dem Produkt prüfen.