Ein Ergebnis verändert die Wahrscheinlichkeit des anderen nicht
In manchen Wahrscheinlichkeitsmodellen gilt: Die Kenntnis eines Ergebnisses lässt die Wahrscheinlichkeit des anderen unverändert. Wirf eine faire Münze und einen fairen Würfel. Das Ergebnis der Münze liefert keine Information über das Würfelergebnis. Die beiden Ereignisse sind unabhängig.
Die Ereignisse und sind unabhängig, wenn die Wahrscheinlichkeit des jeweils anderen unverändert bleibt, sobald wir eines als Bedingung voraussetzen. Unabhängigkeit ist eine Eigenschaft des Wahrscheinlichkeitsmodells. Gleichzeitig stattfindende Ereignisse sind nicht automatisch unabhängig.
Zwei Ereignisse können eine gemeinsame Ursache haben, obwohl keines das andere direkt steuert. Zwei Alarme können zum Beispiel auf denselben Vorfall reagieren. Nimm Unabhängigkeit nur an, wenn sie im Wahrscheinlichkeitsmodell vorgegeben ist oder sich aus den bedingten Wahrscheinlichkeiten ergibt.
Wie sich Unabhängigkeit in den Wahrscheinlichkeiten zeigt
Bei unabhängigen Ereignissen ändert die Information über ein Ereignis die Wahrscheinlichkeit nicht, mit der das andere eintritt. Die Ereignisse können aus demselben oder aus getrennten Versuchen stammen. Entscheidend sind ihre Wahrscheinlichkeiten, nicht die Anzahl der Versuche.
Unveränderte bedingte Wahrscheinlichkeit
Das Hauptmerkmal unabhängiger Ereignisse lautet: Das Ergebnis eines Ereignisses verändert die Wahrscheinlichkeit des anderen nicht. Sind und unabhängig und gilt , dann folgt:
Dies bedeutet, dass die Wahrscheinlichkeit, dass auftritt, wenn bereits aufgetreten ist, genauso groß ist wie die Wahrscheinlichkeit, dass im Allgemeinen auftritt.
Getrennte Zufallsversuche
Beispiele mit einem klar unabhängigen Mechanismus sind:
- zwei getrennte faire Münzwürfe
- je eine Karte aus zwei unabhängig gemischten Stapeln
- zwei getrennte faire Würfel
- zwei Zufallszahlen aus unabhängigen Versuchen
Identifizieren unabhängiger Ereignisse
Frage zur Prüfung: „Verändert die Kenntnis des ersten Ergebnisses die Wahrscheinlichkeitsverteilung des zweiten?“ Eine vermutete Ursache-Wirkungs-Beziehung allein reicht nicht aus. Nutze das angegebene Modell oder vergleiche die bedingte mit der gewöhnlichen Wahrscheinlichkeit.
Als Beispiel aus einem einzigen fairen Würfelwurf betrachten wir und . Die Tabelle zeigt die Zugehörigkeit aller sechs Ergebnisse.
| Ergebnis | Gehört zu A | Gehört zu B |
|---|---|---|
| 1 | Nein | Nein |
| 2 | Ja | Nein |
| 3 | Nein | Ja |
| 4 | Ja | Nein |
| 5 | Nein | Nein |
| 6 | Ja | Ja |
Die Ereignisse sind unabhängig, obwohl sie aus einem Wurf stammen und die Schnittmenge haben.
Formel für die Wahrscheinlichkeit unabhängiger Ereignisse
Da unabhängige Ereignisse sich nicht gegenseitig beeinflussen, wird die Berechnung ihrer gemeinsamen Wahrscheinlichkeit einfach. Die Grundformel für die Wahrscheinlichkeit unabhängiger Ereignisse lautet:
Die Wahrscheinlichkeit dafür, dass und gemeinsam eintreten, ist also das Produkt ihrer Einzelwahrscheinlichkeiten.
Warum die beiden Wahrscheinlichkeiten multipliziert werden
Bei unabhängigen Ereignissen stimmt die bedingte Wahrscheinlichkeit mit der gewöhnlichen Wahrscheinlichkeit überein. Wegen lautet die Multiplikationsregel:
Setzen wir in die Multiplikationsregel ein, erhalten wir .
Berechnungen mit unabhängigen Ereignissen
Jede Rechnung unten multipliziert die Wahrscheinlichkeiten zweier unabhängiger Ereignisse. Die Beispiele gehen von zwei Würfeln über einen Würfel und eine Münze bis zu zwei Sensortests.
Zwei Würfel werfen
Ein roter und ein weißer fairer Würfel werden unabhängig voneinander geworfen. Gesucht ist die Wahrscheinlichkeit dafür, dass der rote Würfel und der weiße zeigt.
Lösung:
- Ereignis : Der rote Würfel zeigt
- Ereignis : Der weiße Würfel zeigt
Beide Ereignisse sind unabhängig, da das Ergebnis des roten Würfels keinen Einfluss auf das Ergebnis des weißen Würfels hat.
Die Wahrscheinlichkeit, die Zahl auf dem roten Würfel und die Zahl auf dem weißen Würfel zu bekommen, beträgt also .
Werfen eines Würfels und einer Münze
Ein fairer Würfel und eine faire Münze werden unabhängig voneinander geworfen. Gesucht ist die Wahrscheinlichkeit für eine gerade Würfelzahl und die Zahlseite der Münze.
Lösung:
- Ereignis : Die gerade Würfelzahl liegt in
- Ereignis : Die Zahlseite der Münze wird durch dargestellt, also
Beide Ereignisse sind unabhängig, da das Ergebnis des Würfels keinen Einfluss auf das Ergebnis der Münze hat.
Unabhängige Selbsttests zweier Sensoren
Zwei unabhängig versorgte Überwachungssensoren führen täglich einen Selbsttest durch. Sensor besteht ihn mit Wahrscheinlichkeit , Sensor mit Wahrscheinlichkeit . Wie groß ist im angegebenen Unabhängigkeitsmodell die Wahrscheinlichkeit, dass beide Tests erfolgreich sind?
Die Unabhängigkeitsannahme ist Teil dieses Modells. Wenn beide Sensoren eine gemeinsame Stromversorgung oder ein gemeinsames Netzwerk hätten, müssten wir diese Annahme erneut testen.
Lösung:
- Ereignis : Der erste Sensor besteht seinen Selbsttest
- Ereignis : Der zweite Sensor besteht seinen Selbsttest
Das Problem besagt, dass die beiden Selbsttests unabhängig sind, sodass ein Ergebnis die Wahrscheinlichkeit des anderen nicht ändert.
Detaillierte Berechnung:
Die Wahrscheinlichkeit, dass beide Sensoren bestehen, beträgt somit oder .
So gehst du eine Unabhängigkeitsaufgabe an
Die Multiplikation kann ein falsches Ergebnis liefern, wenn die Unabhängigkeit ungeprüft bleibt. Die Schritte unten stellen diese Prüfung an den Anfang und kontrollieren am Ende das Ergebnis.
Unabhängigkeit vor dem Multiplizieren prüfen
Bei Aufgaben mit unabhängigen Ereignissen gehst du so vor:
- Benenne die Ereignisse im Problem
- Prüfe ihre Unabhängigkeit anhand des Modells oder der bedingten Wahrscheinlichkeiten
- Berechne die Einzelwahrscheinlichkeiten
- Wende die Formel an
- Prüfe das Ergebnis im Kontext der Aufgabe
Kontrollen für das Endergebnis
Die Wahrscheinlichkeit, dass beide Ereignisse eintreten, darf keine der beiden Einzelwahrscheinlichkeiten übersteigen. Die Schnittmenge enthält nur Ergebnisse, die bereits zu jedem Ereignis gehören.
Beim Sensorbeispiel gilt , die Schranke ist also erfüllt. Sie beweist keine Unabhängigkeit. Diese muss weiterhin aus dem Modell oder der Gleichheit bedingter Wahrscheinlichkeiten folgen.
Unabhängige Ereignisse erkennen
Prüfe die folgenden Merkmale, um unabhängige Ereignisse zu erkennen:
Unabhängig unter dem angegebenen Modell:
- getrennte Würfe mit fairen Münzen
- Kartenziehen mit Zurücklegen und erneutem Mischen
- Würfe mit separaten fairen Würfeln
- unabhängige Zufallsversuche
Situationen, in denen Unabhängigkeit nicht vorausgesetzt werden darf:
- Kartenziehen ohne Zurücklegen
- Körpergröße und Gewicht einer Person, sofern Modell oder Daten keine Unabhängigkeit belegen
- Testergebnisse derselben Person in verschiedenen Fächern, sofern keine Unabhängigkeit nachgewiesen ist
- Lufttemperatur und Luftfeuchtigkeit, sofern keine Unabhängigkeit für das betrachtete Modell nachgewiesen ist
Übungen
-
Zwei faire Münzen werden unabhängig voneinander geworfen. Bestimme die Wahrscheinlichkeit für Kopf bei der ersten und Zahl bei der zweiten Münze.
-
Ein fairer Würfel wird unabhängig vom Ziehen einer Karte aus einem gemischten Standardkartenspiel geworfen. Berechne die Wahrscheinlichkeit für eine Primzahl auf dem Würfel und eine rote Karte.
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In einer Klasse beträgt die Wahrscheinlichkeit für das Bestehen in Mathematik und in Physik . Das Modell nimmt Unabhängigkeit an. Wie groß ist die Wahrscheinlichkeit, beide Fächer zu bestehen?
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Drei faire Münzen werden unabhängig voneinander geworfen. Bestimme die Wahrscheinlichkeit für genau zweimal Zahl.
Bearbeite jede Aufgabe selbst, bevor du die ausführliche Lösung liest. Begründe die Unabhängigkeit, bevor du Wahrscheinlichkeiten multiplizierst.
Ausführliche Lösungen
Aufgabe 1
- Ereignis : Kopf bei der ersten Münze,
- Ereignis : Zahl bei der zweiten Münze,
Beide Ereignisse sind unabhängig, da das Ergebnis der ersten Münze keinen Einfluss auf die zweite Münze hat.
Aufgabe 2
- Ereignis : Primzahl auf dem Würfel ist , also
- Ereignis : Rote Karte (Herzen und Karo), also
Beide Ereignisse sind unabhängig.
Aufgabe 3
- Ereignis : Mathematik bestanden,
- Ereignis : Physik bestanden,
Da beide Fächer unabhängig sind:
Die Wahrscheinlichkeit, beide Fächer zu bestehen, beträgt oder .
Aufgabe 4
Methode 1: Direkte Aufzählung
Verwende für Kopf und für Zahl. Der Ergebnisraum für Münzen enthält Ergebnisse:
Genau zweimal Zahl tritt in auf. Es gibt also günstige Ergebnisse.
Methode 2: Binomialverteilung verwenden
Für Würfe mit der Erfolgswahrscheinlichkeit für Zahl berechnen wir genau Erfolge:
Werte ersetzen:
Schritt-für-Schritt-Erklärung:
- (Auswahl der Positionen für Zahl unter Würfen)
- (Wahrscheinlichkeit für Zahlseiten)
- (Wahrscheinlichkeit für Kopfseite)
Die Berechnung lautet also:
Die Wahrscheinlichkeit für genau zweimal Zahl beträgt somit .