Wahrscheinlichkeitsverteilung: Unterschied zwischen den Versionen
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Eine Wahrscheinlichkeitsverteilung für ein [[Zufallsexperiment]] ordnet | Eine '''Wahrscheinlichkeitsverteilung''' für ein [[Zufallsexperiment]] ordnet jedem möglichen Ergebnis bzw. jedem Wert einer [[Zufallsvariable]] eine [[Wahrscheinlichkeit]] zu. Sie beschreibt, wie sich die Gesamtwahrscheinlichkeit von <math>1</math> (entsprechend <math>100\,\%</math>) auf die verschiedenen Ausgänge verteilt, und wird häufig tabellarisch oder durch ein [[Histogramm]] bzw. ein [[Säulendiagramm]] visualisiert. | ||
==Definition== | ==Definition== | ||
Es sei <math> | Es sei <math>\Omega = \{e_1, e_2, \dots, e_n\}</math> die endliche [[Zufallsexperiment#Definition|Ergebnismenge]] eines Zufallsexperiments mit <math>n \in \mathbb{N}</math> und <math>A \subseteq \Omega</math> ein [[Zufallsexperiment#Ereignis|Ereignis]]. Die reellen Zahlen <math>P(e_i) \in [0; 1]</math> genügen den folgenden Bedingungen (in Anlehnung an die Kolmogorov-Axiome): | ||
#'''Nichtnegativität und Beschränktheit:''' <math>0 \leq P(e_i) \leq 1</math> für alle <math>i \in \{1, \dots, n\}</math> | |||
#'''Normierung:''' Die Summe aller Einzelwahrscheinlichkeiten der Ergebnismenge beträgt genau <math>1</math>: | |||
#:<math>P(\Omega) = \sum_{i=1}^n P(e_i) = P(e_1) + P(e_2) + \dots + P(e_n) = 1</math> | |||
#'''Additivität für Ereignisse:''' Die Wahrscheinlichkeit eines zusammengesetzten Ereignisses <math>A = \{e_1, e_2, \dots, e_m\}</math> mit <math>m \leq n</math> ist gleich der Summe der Wahrscheinlichkeiten der in <math>A</math> enthaltenen Elementarereignisse: | |||
#:<math>P(A) = \sum_{e \in A} P(e) = P(e_1) + P(e_2) + \dots + P(e_m)</math> | |||
Die Zahl <math>P(e_i)</math> nennt man die '''Wahrscheinlichkeit''' des Ergebnisses <math>e_i</math>. Die [[Funktion]] <math>P: \Omega \to [0; 1]</math> bzw. die Zuordnung auf der Ereignismenge <math>P: \mathcal{P}(\Omega) \to [0; 1]</math> heißt '''Wahrscheinlichkeitsverteilung'''. | |||
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==Schreibweisen für Wahrscheinlichkeiten== | |||
<math> | Es sei <math>X</math> eine diskrete [[Zufallsexperiment#Zufallsvariable|Zufallsvariable]] und <math>k \in \mathbb{N}_0</math>. Zur präzisen mathematischen Beschreibung gelten folgende Konventionen: | ||
< | *<math>P(X = k)</math> bezeichnet die Wahrscheinlichkeit, dass die Zufallsvariable genau den Wert <math>k</math> annimmt (Einzelwahrscheinlichkeit). | ||
*<math>P(X \leq k)</math> bezeichnet die Wahrscheinlichkeit, dass die Zufallsvariable einen Wert von höchstens <math>k</math> annimmt (kumulierte Wahrscheinlichkeit). | |||
*<math>P(X < k)</math> bezeichnet die Wahrscheinlichkeit, dass die Zufallsvariable einen Wert kleiner als <math>k</math> (also echt kleiner) annimmt. | |||
*<math>P(X \geq k)</math> bezeichnet die Wahrscheinlichkeit, dass die Zufallsvariable einen Wert von mindestens <math>k</math> annimmt. | |||
*<math>P(X > k)</math> bezeichnet die Wahrscheinlichkeit, dass die Zufallsvariable einen Wert größer als <math>k</math> (also mehr als <math>k</math>) annimmt. | |||
Für ganzzahlige Zufallsvariablen (wie bei der Binomialverteilung) und zur Berechnung mit dem [[Taschenrechner verwenden#Wahrscheinlichkeitsrechnung|Taschenrechner]] gelten folgende Umformungsregeln über das Gegenereignis bzw. Nachbarwerte: | |||
*<math>P(X < k) = P(X \leq k - 1)</math> | |||
* <math>P(X\ | *<math>P(X > k) = 1 - P(X \leq k)</math> | ||
* <math>P(X\geq k)=1-P(X<k)</math> | *<math>P(X \leq k) = 1 - P(X > k)</math> | ||
* <math> P(X\geq k)=1-P(X\ | *<math>P(X \geq k) = 1 - P(X < k) = 1 - P(X \leq k - 1)</math> | ||
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*<math>P(k_1 \leq X \leq k_2) = P(X \leq k_2) - P(X \leq k_1 - 1)</math> für <math>k_1, k_2 \in \mathbb{N}_0</math> mit <math>k_1 \leq k_2</math> | |||
==Wahrscheinlichkeiten für Mengen berechnen== | ==Wahrscheinlichkeiten für Mengen berechnen== | ||
Für ein [[Zufallsexperiment]] | Für ein [[Zufallsexperiment]] mit der Ergebnismenge <math>\Omega</math> seien <math>A</math> und <math>B</math> zwei beliebige [[Zufallsexperiment#Ereignis|Ereignisse]] (<math>A, B \subseteq \Omega</math>). | ||
===Additionssatz (Vereinigung von Ereignissen)=== | |||
Die Wahrscheinlichkeit, dass mindestens eines der beiden Ereignisse eintritt (<math>A \cup B</math>), berechnet sich nach dem allgemeinen Additionssatz: | |||
<math>P(A \cup B) = P(A) + P(B) - P(A \cap B)</math> | |||
<math> | Sind <math>A</math> und <math>B</math> unvereinbar (disjunkt, d. h. <math>A \cap B = \emptyset</math> und <math>P(A \cap B) = 0</math>), so gilt der spezielle Additionssatz: | ||
<math>P(A \cup B) = P(A) + P(B)</math> | |||
<math>P(A \ | ===Multiplikationssatz (Schnittmenge von Ereignissen)=== | ||
Für die Wahrscheinlichkeit, dass beide Ereignisse gleichzeitig eintreten (<math>A \cap B</math>), muss differenziert werden: | |||
*'''Allgemeiner Fall (abhängige Ereignisse):''' Unter Verwendung der [[Bedingte Wahrscheinlichkeit|bedingten Wahrscheinlichkeit]] <math>P(B \mid A)</math> bzw. <math>P_A(B)</math> gilt: | |||
:<math>P(A \cap B) = P(A) \cdot P(B \mid A) = P(B) \cdot P(A \mid B)</math> | |||
*'''Spezialfall (stochastisch unabhängige Ereignisse):''' Die Produktformel gilt '''nur dann''', wenn <math>A</math> und <math>B</math> stochastisch unabhängig voneinander sind: | |||
:<math>P(A \cap B) = P(A) \cdot P(B)</math> | |||
==Beispiele== | ==Beispiele== | ||
===Wahrscheinlichkeitsverteilung einfacher Münzwurf=== | ===Wahrscheinlichkeitsverteilung einfacher Münzwurf=== | ||
Beim | Beim Wurf einer fairen Münze lautet die Ergebnismenge <math>\Omega = \{\text{Kopf}, \text{Zahl}\}</math>. Beiden Ausgängen wird dieselbe Wahrscheinlichkeit zugeordnet: <math>\text{Kopf} \mapsto \frac{1}{2}</math> und <math>\text{Zahl} \mapsto \frac{1}{2}</math>. Die Wahrscheinlichkeitsverteilung stellt sich tabellarisch wie folgt dar: | ||
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===Wahrscheinlichkeitsverteilung einmaliger Wurf eines Würfels=== | ===Wahrscheinlichkeitsverteilung einmaliger Wurf eines Würfels=== | ||
Die [[Zufallsexperiment#Zufallsvariable|Zufallsvariable]] <math>X</math> | Die Ergebnismenge beim Wurf eines fairen sechsseitigen Würfels ist <math>\Omega = \{1, 2, 3, 4, 5, 6\}</math>. Die diskrete [[Zufallsexperiment#Zufallsvariable|Zufallsvariable]] <math>X</math> gebe die gewürfelte Augenzahl an (z. B. steht <math>X = 3</math> für das Auftreten der Augenzahl 3). Da ein [[Laplace-Experiment]] mit sechs gleich wahrscheinlichen Ergebnissen vorliegt, lautet die Wahrscheinlichkeitsverteilung: | ||
<math>P(X = k) = \frac{1}{6}</math> für alle <math>k \in \{1, 2, 3, 4, 5, 6\}</math> | |||
In tabellarischer Form (Wahrscheinlichkeitstabelle): | |||
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[[Kategorie:Wahrscheinlichkeitsrechnung]] | [[Kategorie:Wahrscheinlichkeitsrechnung]] | ||
[[Kategorie:FHR | [[Kategorie:FHR WuV Mathe]] | ||
[[Kategorie:AHR WuV Mathe GK]] | |||
Aktuelle Version vom 28. September 2026, 08:19 Uhr
Eine Wahrscheinlichkeitsverteilung für ein Zufallsexperiment ordnet jedem möglichen Ergebnis bzw. jedem Wert einer Zufallsvariable eine Wahrscheinlichkeit zu. Sie beschreibt, wie sich die Gesamtwahrscheinlichkeit von [math]\displaystyle{ 1 }[/math] (entsprechend [math]\displaystyle{ 100\,\% }[/math]) auf die verschiedenen Ausgänge verteilt, und wird häufig tabellarisch oder durch ein Histogramm bzw. ein Säulendiagramm visualisiert.
Definition
Es sei [math]\displaystyle{ \Omega = \{e_1, e_2, \dots, e_n\} }[/math] die endliche Ergebnismenge eines Zufallsexperiments mit [math]\displaystyle{ n \in \mathbb{N} }[/math] und [math]\displaystyle{ A \subseteq \Omega }[/math] ein Ereignis. Die reellen Zahlen [math]\displaystyle{ P(e_i) \in [0; 1] }[/math] genügen den folgenden Bedingungen (in Anlehnung an die Kolmogorov-Axiome):
- Nichtnegativität und Beschränktheit: [math]\displaystyle{ 0 \leq P(e_i) \leq 1 }[/math] für alle [math]\displaystyle{ i \in \{1, \dots, n\} }[/math]
- Normierung: Die Summe aller Einzelwahrscheinlichkeiten der Ergebnismenge beträgt genau [math]\displaystyle{ 1 }[/math]:
- [math]\displaystyle{ P(\Omega) = \sum_{i=1}^n P(e_i) = P(e_1) + P(e_2) + \dots + P(e_n) = 1 }[/math]
- Additivität für Ereignisse: Die Wahrscheinlichkeit eines zusammengesetzten Ereignisses [math]\displaystyle{ A = \{e_1, e_2, \dots, e_m\} }[/math] mit [math]\displaystyle{ m \leq n }[/math] ist gleich der Summe der Wahrscheinlichkeiten der in [math]\displaystyle{ A }[/math] enthaltenen Elementarereignisse:
- [math]\displaystyle{ P(A) = \sum_{e \in A} P(e) = P(e_1) + P(e_2) + \dots + P(e_m) }[/math]
Die Zahl [math]\displaystyle{ P(e_i) }[/math] nennt man die Wahrscheinlichkeit des Ergebnisses [math]\displaystyle{ e_i }[/math]. Die Funktion [math]\displaystyle{ P: \Omega \to [0; 1] }[/math] bzw. die Zuordnung auf der Ereignismenge [math]\displaystyle{ P: \mathcal{P}(\Omega) \to [0; 1] }[/math] heißt Wahrscheinlichkeitsverteilung.
Schreibweisen für Wahrscheinlichkeiten
Es sei [math]\displaystyle{ X }[/math] eine diskrete Zufallsvariable und [math]\displaystyle{ k \in \mathbb{N}_0 }[/math]. Zur präzisen mathematischen Beschreibung gelten folgende Konventionen:
- [math]\displaystyle{ P(X = k) }[/math] bezeichnet die Wahrscheinlichkeit, dass die Zufallsvariable genau den Wert [math]\displaystyle{ k }[/math] annimmt (Einzelwahrscheinlichkeit).
- [math]\displaystyle{ P(X \leq k) }[/math] bezeichnet die Wahrscheinlichkeit, dass die Zufallsvariable einen Wert von höchstens [math]\displaystyle{ k }[/math] annimmt (kumulierte Wahrscheinlichkeit).
- [math]\displaystyle{ P(X < k) }[/math] bezeichnet die Wahrscheinlichkeit, dass die Zufallsvariable einen Wert kleiner als [math]\displaystyle{ k }[/math] (also echt kleiner) annimmt.
- [math]\displaystyle{ P(X \geq k) }[/math] bezeichnet die Wahrscheinlichkeit, dass die Zufallsvariable einen Wert von mindestens [math]\displaystyle{ k }[/math] annimmt.
- [math]\displaystyle{ P(X > k) }[/math] bezeichnet die Wahrscheinlichkeit, dass die Zufallsvariable einen Wert größer als [math]\displaystyle{ k }[/math] (also mehr als [math]\displaystyle{ k }[/math]) annimmt.
Für ganzzahlige Zufallsvariablen (wie bei der Binomialverteilung) und zur Berechnung mit dem Taschenrechner gelten folgende Umformungsregeln über das Gegenereignis bzw. Nachbarwerte:
- [math]\displaystyle{ P(X < k) = P(X \leq k - 1) }[/math]
- [math]\displaystyle{ P(X > k) = 1 - P(X \leq k) }[/math]
- [math]\displaystyle{ P(X \leq k) = 1 - P(X > k) }[/math]
- [math]\displaystyle{ P(X \geq k) = 1 - P(X < k) = 1 - P(X \leq k - 1) }[/math]
- [math]\displaystyle{ P(X \geq k) = 1 - P(X \leq k) + P(X = k) }[/math]
- [math]\displaystyle{ P(k_1 \leq X \leq k_2) = P(X \leq k_2) - P(X \leq k_1 - 1) }[/math] für [math]\displaystyle{ k_1, k_2 \in \mathbb{N}_0 }[/math] mit [math]\displaystyle{ k_1 \leq k_2 }[/math]
Wahrscheinlichkeiten für Mengen berechnen
Für ein Zufallsexperiment mit der Ergebnismenge [math]\displaystyle{ \Omega }[/math] seien [math]\displaystyle{ A }[/math] und [math]\displaystyle{ B }[/math] zwei beliebige Ereignisse ([math]\displaystyle{ A, B \subseteq \Omega }[/math]).
Additionssatz (Vereinigung von Ereignissen)
Die Wahrscheinlichkeit, dass mindestens eines der beiden Ereignisse eintritt ([math]\displaystyle{ A \cup B }[/math]), berechnet sich nach dem allgemeinen Additionssatz:
[math]\displaystyle{ P(A \cup B) = P(A) + P(B) - P(A \cap B) }[/math]
Sind [math]\displaystyle{ A }[/math] und [math]\displaystyle{ B }[/math] unvereinbar (disjunkt, d. h. [math]\displaystyle{ A \cap B = \emptyset }[/math] und [math]\displaystyle{ P(A \cap B) = 0 }[/math]), so gilt der spezielle Additionssatz:
[math]\displaystyle{ P(A \cup B) = P(A) + P(B) }[/math]
Multiplikationssatz (Schnittmenge von Ereignissen)
Für die Wahrscheinlichkeit, dass beide Ereignisse gleichzeitig eintreten ([math]\displaystyle{ A \cap B }[/math]), muss differenziert werden:
- Allgemeiner Fall (abhängige Ereignisse): Unter Verwendung der bedingten Wahrscheinlichkeit [math]\displaystyle{ P(B \mid A) }[/math] bzw. [math]\displaystyle{ P_A(B) }[/math] gilt:
- [math]\displaystyle{ P(A \cap B) = P(A) \cdot P(B \mid A) = P(B) \cdot P(A \mid B) }[/math]
- Spezialfall (stochastisch unabhängige Ereignisse): Die Produktformel gilt nur dann, wenn [math]\displaystyle{ A }[/math] und [math]\displaystyle{ B }[/math] stochastisch unabhängig voneinander sind:
- [math]\displaystyle{ P(A \cap B) = P(A) \cdot P(B) }[/math]
Beispiele
Wahrscheinlichkeitsverteilung einfacher Münzwurf
Beim Wurf einer fairen Münze lautet die Ergebnismenge [math]\displaystyle{ \Omega = \{\text{Kopf}, \text{Zahl}\} }[/math]. Beiden Ausgängen wird dieselbe Wahrscheinlichkeit zugeordnet: [math]\displaystyle{ \text{Kopf} \mapsto \frac{1}{2} }[/math] und [math]\displaystyle{ \text{Zahl} \mapsto \frac{1}{2} }[/math]. Die Wahrscheinlichkeitsverteilung stellt sich tabellarisch wie folgt dar:
| Ergebnis [math]\displaystyle{ e_i }[/math] | Wahrscheinlichkeit [math]\displaystyle{ P(e_i) }[/math] |
|---|---|
| Kopf | [math]\displaystyle{ \frac{1}{2} = 0{,}5 }[/math] |
| Zahl | [math]\displaystyle{ \frac{1}{2} = 0{,}5 }[/math] |
| Summe | [math]\displaystyle{ 1{,}0 }[/math] |
Wahrscheinlichkeitsverteilung einmaliger Wurf eines Würfels
Die Ergebnismenge beim Wurf eines fairen sechsseitigen Würfels ist [math]\displaystyle{ \Omega = \{1, 2, 3, 4, 5, 6\} }[/math]. Die diskrete Zufallsvariable [math]\displaystyle{ X }[/math] gebe die gewürfelte Augenzahl an (z. B. steht [math]\displaystyle{ X = 3 }[/math] für das Auftreten der Augenzahl 3). Da ein Laplace-Experiment mit sechs gleich wahrscheinlichen Ergebnissen vorliegt, lautet die Wahrscheinlichkeitsverteilung:
[math]\displaystyle{ P(X = k) = \frac{1}{6} }[/math] für alle [math]\displaystyle{ k \in \{1, 2, 3, 4, 5, 6\} }[/math]
In tabellarischer Form (Wahrscheinlichkeitstabelle):
| Wert [math]\displaystyle{ k }[/math] | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | Summe |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| [math]\displaystyle{ P(X = k) }[/math] | [math]\displaystyle{ \frac{1}{6} }[/math] | [math]\displaystyle{ \frac{1}{6} }[/math] | [math]\displaystyle{ \frac{1}{6} }[/math] | [math]\displaystyle{ \frac{1}{6} }[/math] | [math]\displaystyle{ \frac{1}{6} }[/math] | [math]\displaystyle{ \frac{1}{6} }[/math] | [math]\displaystyle{ 1 }[/math] |