Beim Lotto kreuzt man vor der Ziehung einige Zahlen an, den Tipp. Dann zieht eine Maschine Kugeln mit Zahlen aus einer Trommel. Eine gezogene Kugel kommt nicht zurück. Die gezogenen Zahlen heißen Hauptzahlen.
- Australien: Die Trommel enthält 45 Kugeln, 6 werden gezogen.
- USA: Die Trommel enthält 69 Kugeln, 5 werden gezogen.
- Kanada: Die Trommel enthält 49 Kugeln, 6 werden gezogen.
Den Hauptgewinn bekommt, wer alle Hauptzahlen richtig getippt hat. Viele Länder ziehen noch eine Zusatzzahl für kleinere Gewinne. Die Aufgabe sagt: Sie spielt hier keine Rolle.
Gesucht sind drei Wahrscheinlichkeiten für einen Hauptgewinn, eine je Land (a bis c). Dann der Vergleich (d): In welchem Land ist die Chance am größten?
Der Weg:
- Das Lotto als Zufallsexperiment beschreiben, als Urne ohne Zurücklegen, und die passende Verteilung samt Formel kennenlernen (Schritte 1 bis 4).
- Australien: Formel ansetzen, Binomialkoeffizient ausrechnen, Ergebnis (5 bis 7).
- USA mit demselben Weg (8 und 9).
- Kanada mit demselben Weg (10 und 11).
- Die drei Wahrscheinlichkeiten vergleichen (12).
Merke: Für den Hauptgewinn zählt nur, wie viele verschiedene Tipps es gibt. Genau einer davon gewinnt.
P(Hauptgewinn)=P(X=n) Ein Zufallsexperiment ist ein Vorgang, dessen Ausgang man vorher nicht kennt. Die Ziehung der Lottozahlen ist so ein Vorgang. Ein Ereignis fasst Ausgänge zusammen, über die man eine Aussage macht, etwa „Hauptgewinn“.
Die Wahrscheinlichkeit eines Ereignisses ist eine Zahl zwischen 0 und 1. 0 heißt: Es tritt nie ein. 1 heißt: Es tritt sicher ein. Man schreibt sie mit P, vom englischen „probability“ (Wahrscheinlichkeit).
Eine Zufallsvariable ordnet jedem Ausgang des Experiments eine Zahl zu. Hier ist das X = Anzahl der Hauptzahlen, die im Tipp richtig sind. In Australien kann X die Werte 0, 1, 2, 3, 4, 5 oder 6 annehmen.
Der Hauptgewinn heißt: Alle gezogenen Hauptzahlen sind richtig. In Australien und Kanada ist das X=6, in den USA X=5. Allgemein ist es X=n, wenn n die Anzahl der gezogenen Hauptzahlen ist.
X∼H(N,M,n) Viele Aufgaben zur Wahrscheinlichkeit lassen sich als Urnenmodell beschreiben: ein Gefäß mit Kugeln, aus dem zufällig Kugeln gezogen werden. Die Lottotrommel ist genau so eine Urne.
- N = Anzahl aller Kugeln in der Urne. In Australien N=45.
- M = Anzahl der Kugeln mit einer bestimmten Eigenschaft. Hier: Ihre getippten Zahlen. Wer in Australien spielt, tippt 6 Zahlen, also M=6.
- n = Anzahl der gezogenen Kugeln. In Australien n=6.
Gezogen wird ohne Zurücklegen: Eine gezogene Kugel bleibt draußen, jede Zahl kommt höchstens einmal. Die Reihenfolge der Ziehung spielt keine Rolle, nur welche Zahlen am Ende gezogen sind.
Für genau diese Lage gibt es eine eigene Verteilung. Zählt X, wie viele der gezogenen Kugeln die Eigenschaft haben, dann ist X hypergeometrisch verteilt mit den Zahlen N, M und n. Solche festen Zahlen einer Verteilung heißen Parameter. Man schreibt X∼H(N,M,n), die Tilde ∼ liest man „ist verteilt nach“.
Zur Schreibweise: Die Parameter werden mit Kommas getrennt, wie in der Formelsammlung: H(N,M,n). Eine Verwechslung mit dem Dezimalkomma droht nicht, denn alle drei Parameter sind ganze Zahlen. In der Formel fH(x;N,M,n) (Schritt 4) trennt ein Semikolon den Wert x von den Parametern.
Merke: Ziehen ohne Zurücklegen, Anzahl der „Treffer“ zählen: hypergeometrische Verteilung. Würde jede Kugel zurückgelegt, wäre es eine andere Verteilung, die Binomialverteilung.
(xn)=x!⋅(n−x)!n! Die Formel der hypergeometrischen Verteilung (nächster Schritt) besteht aus Binomialkoeffizienten. Darum kommen diese zuerst.
Die Fakultät n! (gelesen „n Fakultät“) ist das Produkt aller ganzen Zahlen von 1 bis n. Zum Beispiel ist 3!=1⋅2⋅3=6. Festgelegt ist 0!=1.
Der Binomialkoeffizient (xn) (gelesen „n über x“) gibt an, auf wie viele Arten man x Dinge aus n Dingen auswählen kann. Die Reihenfolge zählt dabei nicht. Die obere Zahl ist nie kleiner als die untere.
Achtung, Platzhalter: n und x stehen hier für beliebige ganze Zahlen. Dieses n ist nicht die Anzahl der gezogenen Kugeln aus Schritt 2. In der Lotto-Formel steht oben N oder M, etwa (nN) oder (xM).
Ein kleines Beispiel: Aus den Zahlen 1, 2, 3, 4 sollen 2 gewählt werden. Möglich sind 1–2, 1–3, 1–4, 2–3, 2–4 und 3–4, also 6 Arten. Die Formel liefert dasselbe.
Warum die Formel so aussieht: Mit Reihenfolge gibt es für die erste Wahl n Möglichkeiten, für die zweite n−1 und so weiter. Jede Auswahl taucht dabei aber in allen x! Reihenfolgen auf. Darum teilt man durch x!.
fH(x;N,M,n)=(nN)(xM)⋅(n−xN−M) Die Wahrscheinlichkeitsfunktion fH gibt für jeden Wert x an, wie wahrscheinlich X=x ist. Das H steht für hypergeometrisch. Hinter dem Semikolon stehen die Parameter N, M, n.
Die Formel ist ein Bruch: günstige Ziehungen geteilt durch alle Ziehungen.
- Nenner (nN): Auf so viele Arten kann man n Kugeln aus allen N ziehen. Jede dieser Ziehungen ist gleich wahrscheinlich, weil die Maschine rein zufällig zieht.
- Zähler, erster Faktor (xM): Auf so viele Arten kommen x Kugeln aus den M getippten.
- Zähler, zweiter Faktor (n−xN−M): Die übrigen n−x gezogenen Kugeln kommen aus den N−M nicht getippten.
Beide Faktoren werden multipliziert: Jede Wahl der Treffer lässt sich mit jeder Wahl der übrigen Kugeln kombinieren.
Merke (Laplace-Regel): Sind alle Ausgänge eines Zufallsexperiments gleich wahrscheinlich, dann ist die Wahrscheinlichkeit eines Ereignisses
A die Anzahl der günstigen Ausgänge geteilt durch die Anzahl aller möglichen Ausgänge. Die Formel
fH ist genau so gebaut.
P(X=6)=(645)1 In Australien ist N=45, M=6 und n=6 (Tabelle in Schritt 2). Also X∼H(45,6,6). Gesucht ist der Hauptgewinn, X=6.
Eingesetzt ergeben sich zwei Binomialkoeffizienten, die sich ohne Rechnung angeben lassen:
- (66)=1: Alle 6 getippten Zahlen auszuwählen geht nur auf eine Art. Mit der Formel: 6!⋅0!6!=1, denn 0!=1.
- (039)=1: Keine der 39 nicht getippten Zahlen auszuwählen geht auch nur auf eine Art. Mit der Formel: 0!⋅39!39!=1, wieder wegen 0!=1.
Der Zähler ist also 1. Das passt: Genau eine Ziehung bringt den Hauptgewinn, nämlich die mit Ihren 6 Zahlen.
(645)=8.145.060 Jetzt fehlt nur der Nenner: Auf wie viele Arten kann man 6 Zahlen aus 45 ziehen? Die Formel aus Schritt 3 gibt 6!⋅39!45!.
Kürzen: 45! ist 45⋅44⋅…⋅40 mal 39!. Das 39! steht auch im Nenner und fällt weg. Übrig bleiben oben 6 Faktoren, von 45 abwärts, unten 6!=720.
Von Hand geht es leichter, wenn man vor dem Multiplizieren kürzt. Die Faktoren 6, 5, 4, 3, 2, 1 von 6! werden auf die Zahlen oben verteilt: 45 durch 5 und 3 gibt 3, 44 durch 4 gibt 11, 42 durch 6 gibt 7, 40 durch 2 gibt 20. Die Faktoren 43 und 41 bleiben. Dann multipliziert man paarweise.
Hat Ihr Taschenrechner eine Taste nCr (Binomialkoeffizient), liefert 45 nCr 6 dieselbe Zahl direkt.
P(X=6)≈0,000000123 Der Nenner aus Schritt 6 wird in den Bruch aus Schritt 5 eingesetzt. Gerundet wird erst jetzt, am Ende.
Der Taschenrechner zeigt etwa 1.227738E-07. Das „E-07“ heißt „mal 10 hoch minus 7“: Das Komma wandert 7 Stellen nach links. Diese Zehnerpotenz-Schreibweise spart die vielen Nullen: 10−7=0,0000001.
Gültige Ziffern sind alle Ziffern ab der ersten, die nicht 0 ist. In der Zehnerpotenz-Schreibweise runden wir auf drei gültige Ziffern: 1,23. Als Dezimalzahl runden wir auf 9 Nachkommastellen. Das reicht, um die drei Länder zu unterscheiden. Hier bleiben so drei gültige Ziffern (123), bei den USA und Kanada nur zwei. Beide Rundungen gehen vom ungerundeten Wert aus.
Interpretation: In Australien gewinnt ein Tipp mit Wahrscheinlichkeit von etwa 0,000000123 den Hauptgewinn. Anders gesagt: Einer von 8.145.060 möglichen Tipps gewinnt, etwa einer von 8,1 Millionen.
P(X=5)=(569)1 In den USA ist N=69, M=5 und n=5 (Tabelle in Schritt 2). Also X∼H(69,5,5). Der Hauptgewinn ist jetzt X=5, denn es werden nur 5 Hauptzahlen gezogen.
Wie in Schritt 5 sind beide Koeffizienten im Zähler 1: (55)=1 (alle 5 getippten auswählen) und (064)=1 (keine der 69−5=64 übrigen). Es bleibt 1 durch die Anzahl aller Ziehungen.
P(X=5)=11.238.5131≈0,000000089 Wie in Schritt 6: 64! kürzt sich weg. Oben bleiben 5 Faktoren von 69 abwärts, unten 5!=120.
Von Hand kürzen: 65 durch 5 gibt 13, 68 durch 4 gibt 17, 66 durch 3 und 2 gibt 11.
Dann wie in Schritt 7: 1 durch den Binomialkoeffizienten. Der Taschenrechner zeigt etwa 8.897974E-08. Aus diesem ungerundeten Wert wird zweimal gerundet: auf drei gültige Ziffern 8,90⋅10−8, auf 9 Nachkommastellen 0,000000089.
Interpretation: In den USA gewinnt einer von 11.238.513 möglichen Tipps den Hauptgewinn, etwa einer von 11,2 Millionen.
P(X=6)=(649)1 In Kanada ist N=49, M=6 und n=6 (Tabelle in Schritt 2). Also X∼H(49,6,6), der Hauptgewinn ist X=6.
Im Zähler stehen wieder zwei Einsen: (66)=1 und (043)=1, denn 49−6=43 Zahlen sind nicht getippt.
P(X=6)=13.983.8161≈0,000000072 43! kürzt sich weg. Oben bleiben 6 Faktoren von 49 abwärts, unten wieder 6!=720.
Von Hand kürzen: 48 durch 6, 4 und 2 gibt 1, 45 durch 5 und 3 gibt 3.
Der ungerundete Wert ist 0,000000071511… Auf drei gültige Ziffern gerundet ist das 7,15⋅10−8. Auf 9 Nachkommastellen gerundet ist es 0,000000072. Beide Rundungen gehen vom ungerundeten Wert aus, nicht voneinander.
Interpretation: In Kanada gewinnt einer von 13.983.816 möglichen Tipps den Hauptgewinn, etwa einer von 14 Millionen.
1,23⋅10−7>8,90⋅10−8>7,15⋅10−8 Alle drei Wahrscheinlichkeiten haben dieselbe Form: 1 geteilt durch die Anzahl der möglichen Tipps. Ein Bruch mit 1 im Zähler ist umso größer, je kleiner sein Nenner ist. Die größte Chance hat also das Land mit den wenigsten möglichen Tipps, in der Grafik der niedrigste Balken.
Das ist Australien mit 8.145.060 Tipps. Die USA liegen mit 11.238.513 in der Mitte, Kanada hat mit 13.983.816 die meisten.
Wie viel besser? Das Verhältnis der Nenner sagt es: In Kanada gibt es etwa 1,72-mal so viele Tipps wie in Australien. Die Chance in Australien ist darum etwa 1,72-mal so groß wie in Kanada. Gegenüber den USA ist sie etwa 1,38-mal so groß.
Die USA ziehen nur 5 Zahlen und haben trotzdem mehr mögliche Tipps als Australien. Der Grund ist die große Trommel mit 69 Kugeln. Für die Chance zählen beide Zahlen, nicht nur die Anzahl der gezogenen.
Die Aufgabe fragt nur nach der Chance. Wie hoch der Gewinn ist oder was ein Tipp kostet, spielt hier keine Rolle.
Die vier Antworten:
- a) Australien: P(X=6)=1/8.145.060≈0,000000123.
- b) USA: P(X=5)=1/11.238.513≈0,000000089.
- c) Kanada: P(X=6)=1/13.983.816≈0,000000072.
- d) Am ehesten in Australien: Dort ist die Chance auf den Hauptgewinn am größten, etwa 1,72-mal so groß wie in Kanada.
Typische Fehler:
- Die Reihenfolge mitzählen: 45⋅44⋅43⋅42⋅41⋅40 ohne die Division durch 6! ist 720-mal zu groß. Beim Lotto zählt nur, welche Zahlen gezogen sind.
- Die Binomialverteilung nehmen: Sie gilt für Ziehen mit Zurücklegen. Beim Lotto kommt keine Kugel zurück.
- Oben und unten im Binomialkoeffizienten vertauschen: (456) ist sinnlos, die große Zahl steht oben.
- Die Anzeige 1.227738E-07 als 1,23 lesen oder zu früh auf 0 runden. „E-07“ heißt mal 10−7.
- Aus „nur 5 Zahlen“ schließen, die USA seien am günstigsten. Es zählt die Anzahl aller möglichen Tipps.