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Binomialverteilung

Du würfelst 10-mal. Wie wahrscheinlich sind genau 2 Sechsen? Oder höchstens 3? Für solche Fragen – ein Versuch mit zwei möglichen Ausgängen wird mehrmals wiederholt – gibt es die Binomialverteilung.

Bernoulli-Experiment und Bernoulli-Kette

  • Ein Bernoulli-Experiment hat genau zwei Ausgänge: Treffer (Wahrscheinlichkeit $p$) oder Niete (Wahrscheinlichkeit $1 - p$). Beispiel: Sechs oder keine Sechs.
  • Wird es $n$-mal unabhängig und unter gleichen Bedingungen wiederholt, spricht man von einer Bernoulli-Kette der Länge $n$.
  • Die Zufallsgröße $X$ zählt die Treffer. Sie ist binomialverteilt mit den Parametern $n$ und $p$.

Achtung

Die Trefferwahrscheinlichkeit muss bei jedem Versuch gleich sein. Beim Ziehen ohne Zurücklegen ändert sie sich – das ist streng genommen keine Bernoulli-Kette (bei sehr großen Grundgesamtheiten rechnet man trotzdem oft näherungsweise so).

Die Formel von Bernoulli

Merke

\[P(X = k) = \binom{n}{k} \cdot p^k \cdot (1-p)^{n-k}\]
  • $p^k \cdot (1-p)^{n-k}$ ist die Wahrscheinlichkeit für einen Pfad mit $k$ Treffern und $n - k$ Nieten.
  • $\binom{n}{k}$ zählt, wie viele solche Pfade es gibt – an welchen Stellen die Treffer liegen können.

Beispiel: genau 2 Sechsen bei 10 Würfen

\[P(X = 2) = \binom{10}{2} \cdot \left(\frac{1}{6}\right)^2 \cdot \left(\frac{5}{6}\right)^8 = 45 \cdot \frac{1}{36} \cdot \left(\frac{5}{6}\right)^8 \approx 0{,}2907\]

Mit knapp 29 % Wahrscheinlichkeit fallen genau zwei Sechsen.

Die Verteilung als Histogramm

Für $n = 10$ und $p = \frac{1}{6}$ sieht die Verteilung so aus. Am wahrscheinlichsten ist eine Sechs, gefolgt von zwei Sechsen:

00,10,20,30,4012345678910k (Anzahl der Sechsen)

Kumulierte Wahrscheinlichkeiten

Fragen wie „höchstens“ oder „mindestens“ betreffen mehrere Werte von $k$:

Frageso rechnest Du
höchstens 2 Sechsen$P(X \leq 2) = P(X=0) + P(X=1) + P(X=2) \approx 0{,}7752$
mindestens 1 Sechs$P(X \geq 1) = 1 - P(X = 0) = 1 - \left(\frac{5}{6}\right)^{10} \approx 0{,}8385$
mehr als 2 Sechsen$P(X > 2) = P(X \geq 3) = 1 - P(X \leq 2) \approx 0{,}2248$

Tipp: Gegenereignis

Bei „mindestens“ ist das Gegenereignis fast immer schneller: „mindestens eine Sechs“ ist das Gegenteil von „keine Sechs“.

Erwartungswert und Standardabweichung

Merke

\[\mu = E(X) = n \cdot p \qquad\qquad \sigma = \sqrt{n \cdot p \cdot (1-p)}\]

Bei 10 Würfen erwartest Du $\mu = 10 \cdot \frac{1}{6} \approx 1{,}67$ Sechsen. Die Standardabweichung $\sigma = \sqrt{10 \cdot \frac{1}{6} \cdot \frac{5}{6}} \approx 1{,}18$ zeigt, wie stark die Trefferzahl typischerweise um diesen Wert schwankt.

Tipp: Sigma-Regeln

Ist $\sigma > 3$, liegt die Trefferzahl mit etwa 68 % Wahrscheinlichkeit im Bereich $\mu \pm \sigma$ und mit etwa 95 % im Bereich $\mu \pm 2\sigma$.

Mit dem Binomialverteilung-Rechner berechnest Du alle Wahrscheinlichkeiten mit Rechenweg, Tabelle und Histogramm. Die Grundlagen zu $\binom{n}{k}$ findest Du in der Kombinatorik.

Weiterlesen: Binomialverteilung bei Wikipedia

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