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Simulation von Zufallsexperimenten

Manche Wahrscheinlichkeiten kann man nicht ausrechnen – wie oft landet eine Reißzwecke auf dem Rücken? Andere sind so verzwickt, dass selbst Erwachsene falsch tippen. Dann hilft ein Trick: Man wiederholt das Experiment sehr oft, echt oder am Computer, und zählt mit.

Relative Häufigkeit und Wahrscheinlichkeit

Relative Häufigkeit

Wird ein Zufallsexperiment $n$-mal durchgeführt und tritt ein Ereignis dabei $k$-mal ein, dann ist $k$ die absolute und

\[h = \frac{k}{n} = \frac{\text{Anzahl der Treffer}}{\text{Anzahl der Versuche}}\]

die relative Häufigkeit. Sie liegt immer zwischen 0 und 1 und lässt sich auch in Prozent angeben.

Wirft man einen Würfel nur zwölfmal, kann die Sechs durchaus fünfmal oder gar nicht fallen. Je länger man aber würfelt, desto ruhiger wird die Kurve der relativen Häufigkeit – sie pendelt sich in der Nähe von $\frac{1}{6} \approx 0{,}167$ ein. Das Bild zeigt drei solche Versuchsreihen mit je 600 Würfen:

00,250,50,7510150300450600Anzahl der VersucheP(6) = 0,167
Relative Häufigkeit der Sechs in drei Versuchsreihen (simuliert)

Empirisches Gesetz der großen Zahlen

Bei sehr vielen Wiederholungen stabilisiert sich die relative Häufigkeit eines Ereignisses. Der Wert, um den sie schwankt, ist eine gute Schätzung für die Wahrscheinlichkeit. Bei wenigen Versuchen sind dagegen auch große Abweichungen ganz normal.

Der Simulator

Statt selbst tausendmal zu würfeln, lässt Du hier den Computer würfeln, Münzen werfen oder Kugeln ziehen. Beobachte, wie die Kurve am Anfang springt und später kaum noch zuckt. Mit dem Häkchen zeichnest Du die berechnete Wahrscheinlichkeit zum Vergleich ein.

Simulator: Zufallsexperimente am Computer

Wahrscheinlichkeiten schätzen

Beispiel: die Reißzwecke

Eine Reißzwecke kann auf dem Kopf (Spitze nach oben) oder schräg auf der Seite landen. Weil sie nicht symmetrisch ist, gibt es keine Laplace-Regel. Eine Klasse wirft 20 Reißzwecken je 25-mal, also 500 Würfe, und zählt 312-mal „Kopf“:

\[h(\text{Kopf}) = \frac{312}{500} = 0{,}624\]

Als Wahrscheinlichkeit nimmt man deshalb etwa $P(\text{Kopf}) \approx 0{,}62$. Bei 1000 weiteren Würfen erwartet man dann ungefähr $1000 \cdot 0{,}62 = 620$-mal Kopf. Im Simulator ist die Reißzwecke bei jedem Seitenaufruf ein bisschen anders – finde ihre Wahrscheinlichkeit selbst heraus.

Eine Simulation planen

Für eine Simulation brauchst Du ein Zufallsgerät, bei dem die Treffer genau die richtige Wahrscheinlichkeit haben. Gut geeignet sind Münze, Würfel und Zufallsziffern 0 bis 9 (aus einer Tabelle, vom Taschenrechner oder einer Tabellenkalkulation).

WahrscheinlichkeitZufallsgerätTreffer, wenn …
$\frac{1}{2}$MünzeZahl oben liegt
$\frac{1}{6}$, $\frac{1}{3}$, $\frac{1}{2}$Würfelz. B. eine 6 bzw. 5 oder 6 bzw. gerade Zahl fällt
0,1 · k (z. B. 0,7)eine Zufallszifferdie Ziffer zu k festgelegten Ziffern gehört, z. B. 0 bis 6
0,01 · k (z. B. 0,35)zwei Ziffern als Zahl 00 bis 99die Zahl kleiner als k ist, z. B. 00 bis 34

Beispiel: drei Freiwürfe

Ida trifft 70 % ihrer Freiwürfe. Wie wahrscheinlich trifft sie bei drei Würfen alle drei?

  1. Modell: Eine Zufallsziffer ist ein Wurf. Die Ziffern 0 bis 6 bedeuten Treffer, 7 bis 9 daneben.
  2. Ein Durchgang: Je drei Ziffern hintereinander sind drei Würfe, z. B. 3 5 8 = Treffer, Treffer, daneben.
  3. Viele Durchgänge: 200 Dreiergruppen auswerten und zählen, wie oft alle drei Ziffern höchstens 6 sind.
  4. Auswerten: Ergibt das z. B. 71 Treffer-Gruppen, schätzt man $P \approx \frac{71}{200} \approx 0{,}36$.

Zum Vergleich mit dem Baumdiagramm: $0{,}7^3 = 0{,}343$. Die Simulation liegt also nahe dran.

Drei berühmte Simulationen

Das Ziegenproblem

Hinter einer von drei Türen steht ein Auto, hinter den anderen beiden je eine Ziege. Du wählst eine Tür. Der Moderator, der alles weiß, öffnet danach eine der anderen Türen mit einer Ziege und bietet Dir an zu wechseln. Viele meinen, es sei egal. Die Simulation zeigt aber deutlich: Wer wechselt, gewinnt in etwa zwei Dritteln der Spiele. Der Grund: Die erste Wahl ist nur in $\frac{1}{3}$ der Fälle richtig – und genau dann verliert man durch das Wechseln.

Das Geburtstagsproblem

Wie viele Personen braucht man, damit zwei mit hoher Wahrscheinlichkeit am selben Tag Geburtstag haben? Erstaunlich wenige: Schon bei 23 Personen liegt die Wahrscheinlichkeit über 50 %. Rechnen kann man es über das Gegenereignis „alle haben verschiedene Geburtstage“:

\[P(\text{mindestens zwei gleich}) = 1 - \frac{365 \cdot 364 \cdot \ldots \cdot (365 - n + 1)}{365^n}, \qquad n = 23: \; 1 - 0{,}493 \approx 0{,}507\]

π mit Zufallspunkten (Monte-Carlo-Methode)

Man wirft zufällige Punkte in ein Quadrat mit der Seitenlänge 1. Der Viertelkreis mit Radius 1 nimmt $\frac{\pi}{4}$ der Fläche ein. Also landet ungefähr dieser Anteil der Punkte im Viertelkreis:

\[\frac{\text{Punkte im Viertelkreis}}{\text{alle Punkte}} \approx \frac{\pi}{4} \quad\Longrightarrow\quad \pi \approx 4 \cdot \frac{\text{Punkte im Viertelkreis}}{\text{alle Punkte}}\]

Alle drei Experimente kannst Du im Simulator oben auswählen.

Typische Fehler

  • Zu wenige Versuche: Aus 10 Würfen lässt sich keine Wahrscheinlichkeit ablesen – die relative Häufigkeit schwankt dann noch stark.
  • „Jetzt ist die Sechs mal dran“: Würfel und Münze haben kein Gedächtnis. Nach fünfmal Kopf ist Zahl genauso wahrscheinlich wie vorher.
  • Relative Häufigkeit und Wahrscheinlichkeit verwechselt: Die relative Häufigkeit gehört zu einer bestimmten Versuchsreihe und ändert sich von Reihe zu Reihe, die Wahrscheinlichkeit nicht.
  • Falsches Zufallsgerät: Für $p = 0{,}7$ müssen genau 7 der 10 Ziffern als Treffer zählen, nicht 6 oder 8.

Im Lehrplan: Simulationen und das Schätzen von Wahrscheinlichkeiten über relative Häufigkeiten gehören zu den KMK-Bildungsstandards für den Mittleren Schulabschluss. In Niedersachsen beginnt das schon ab Jahrgang 6, in Hessen in Klasse 8; am bayerischen Gymnasium kommen in Klasse 10 Ziegen- und Geburtstagsproblem sowie die Monte-Carlo-Methode dazu.

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Online üben

Relative Häufigkeiten gibst Du als Dezimalzahl ein (z. B. 0,62), erwartete Anzahlen als ganze Zahl.

Stufe 1 Stufe 2 Stufe 3 Neue Aufgaben

Stufe 3: Simulation planen und beurteilen

  1. Aufgabe 1
    Ein Glücksrad hat 10 gleich große Felder, davon 3 rot. Bei 400 Drehungen kam 116-mal Rot. Wie groß ist die Wahrscheinlichkeit für Rot als Dezimalzahl – und passt das Ergebnis dazu?
    p = 3/10 = 0,3. Die relative Häufigkeit 116 : 400 ≈ 0,29 liegt nahe dabei – das passt.
  2. Aufgabe 2
    Ein Glücksrad hat 2 gleich große Felder, davon 1 rot. Bei 1000 Drehungen kam 500-mal Rot. Wie groß ist die Wahrscheinlichkeit für Rot als Dezimalzahl – und passt das Ergebnis dazu?
    p = 1/2 = 0,5. Die relative Häufigkeit 500 : 1000 ≈ 0,5 liegt nahe dabei – das passt.
  3. Aufgabe 3
    Mia wirft eine Münze 10-mal und erhält die relative Häufigkeit 0,5 für Zahl. Ben wirft 2000-mal und erhält 0,52. Wessen Wert ist die bessere Schätzung für die Wahrscheinlichkeit?
    Ben – je mehr Versuche, desto näher liegt die relative Häufigkeit meist an der Wahrscheinlichkeit 0,5.
  4. Aufgabe 4
    Ein Glücksrad hat 2 gleich große Felder, davon 1 rot. Bei 200 Drehungen kam 95-mal Rot. Wie groß ist die Wahrscheinlichkeit für Rot als Dezimalzahl – und passt das Ergebnis dazu?
    p = 1/2 = 0,5. Die relative Häufigkeit 95 : 200 ≈ 0,475 liegt nahe dabei – das passt.
  5. Aufgabe 5
    Ein Glücksrad hat 5 gleich große Felder, davon 1 rot. Bei 200 Drehungen kam 46-mal Rot. Wie groß ist die Wahrscheinlichkeit für Rot als Dezimalzahl – und passt das Ergebnis dazu?
    p = 1/5 = 0,2. Die relative Häufigkeit 46 : 200 ≈ 0,23 liegt nahe dabei – das passt.
  6. Aufgabe 6
    Ein Ereignis hat die Wahrscheinlichkeit 30 %. Du simulierst es mit Zufallsziffern 0 bis 9 (jede gleich wahrscheinlich). Wie viele der zehn Ziffern zählst Du als Treffer?
    Ziffern
    3 Ziffern, z. B. 0 bis 2, denn 3 von 10 = 30 %.

Tippe nur die Zahl ein – die Einheit steht schon daneben. Dezimalzahlen mit Komma (2,5), Zeiten als 2 h 15 min, Uhrzeiten als 14:35. Punkte: 10 für richtig beim ersten Versuch, 6 nach einem Fehlversuch, 5 mit Tipp. Deine Punkte siehst Du unter Mein Training.

Arbeitsblatt: Simulation und relative Häufigkeit

Eine volle DIN-A4-Seite Aufgaben mit Lösungsblatt zum Ausdrucken – bei jedem Klick neue Aufgaben. Klasse 6–10.

Schwierigkeit

Strichliste und Häufigkeitstabelle: absolute und relative Häufigkeit. Berechnen statt simulieren: Laplace-Wahrscheinlichkeit und Pfadregeln. Für die Grundschule: sicher, möglich, unmöglich.

Weiterlesen: Empirisches Gesetz der großen Zahlen, Monte-Carlo-Simulation bei Wikipedia

ErklärungAbsolute und relative Häufigkeit – Strichliste, Häufigkeitstabelle und AnteileStrichliste und absolute Häufigkeit, Anteile als Bruch, Dezimalzahl und Prozent, Gruppen vergleichen, Klassen bilden und ein Würfel-Experiment zum Gesetz der großen Zahlen.Klasse 4–7 · Stochastik & StatistikErklärungWahrscheinlichkeit berechnen – Laplace, Baumdiagramm, PfadregelnZufallsexperimente, Ergebnisse und Ereignisse, Laplace-Wahrscheinlichkeit und mehrstufige Versuche mit dem Baumdiagramm.Klasse 6–10 · Stochastik & StatistikErklärungBaumdiagramm und Pfadregeln – mit RechnerBaumdiagramme zeichnen, Produkt- und Summenregel, mit und ohne Zurücklegen, „mindestens einmal“ über das Gegenereignis – mit Rechner.Klasse 7–10 · Stochastik & StatistikErklärungMittelwert, Median, Modus und SpannweiteDaten mit Kennwerten beschreiben – Durchschnitt, Zentralwert, häufigster Wert, Spannweite, Quartile und Boxplot.Klasse 5–8 · Stochastik & StatistikErklärungBoxplot – Quartile bestimmen, Boxplot zeichnen, ablesen und vergleichenDie fünf Kennwerte Minimum, Quartile, Median und Maximum bestimmen, Boxplots zeichnen und ablesen, zwei Datenreihen vergleichen und Ausreißer erkennen.Klasse 7–10 · Stochastik & StatistikErklärungVarianz und Standardabweichung – berechnen und deuten, mit n und n − 1Streuung messen – Abweichungen quadrieren, durch n oder n − 1 teilen, Wurzel ziehen. Mit Verschiebungssatz, Zufallsgrößen und Binomialverteilung.Klasse 8–13 · Stochastik & Statistik
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