Aufgabenbeispiele von Normalverteilung

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Intervall Normalverteilung (einfach)

Beispiel:

Die Zufallsgröße X ist normalverteilt mit dem Erwartungswert μ=2 und der Standardabweichung σ=1.4 .

Berechne P(X ≤ 1.4).

Runde dein Ergebnis auf 3 Stellen hinter dem Komma.

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Hier kann man einfach die WTR-Befehle ("Normalcdf" beim TI, bzw. "Kumul. Normal-V" beim Casio) verwenden: Erst μ und σ, dann die Intervallgrenzen eingeben. Die linke Intervallgrenze wäre hier jedoch - ∞. Stattdessen kann man einfach einen sehr kleinen Wert eingeben, z.B.: -10000000.

Jetzt kann man das Ergebnis ablesen: P(X ≤ 1.4) ≈ 0.3341

Intervall Normalverteilung rückwärts

Beispiel:

Die Zufallsgröße X ist normalverteilt mit dem Erwartungswert μ=40 und der Standardabweichung σ=6 .

Es gilt P(X ≥ k) = 0.6. Bestimme k.

Runde auf eine Stelle hinter dem Komma genau.

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Der WTR kann leider kein k berechnen mit P(X ≥ k) = 0.6, weil er immer nur ein k bei P(X ≤ k) = p berechnen kann.

Also nutzen wir aus, dass P(X ≤ k) = 0.4 (im Schaubild die blaue Fläche) gelten muss, wenn P(X ≥ k) = 0.6 (im Schaubild die rote Fläche) gilt.

Für P(X ≤ k) = 0.4 liefert der WTR k ≈ 38.48.

(TI: invNormal, Casio: Inv. Normal-V. )

Normalverteilung Anwendung

Beispiel:

Man geht davon aus, dass die Intelligenz bei Menschen normalverteilt ist. Ein Intelligenztest wird immer so skaliert, dass der Erwartungswert des IQ bei 100 und die Standardabweichung bei 15 liegt. Bestimme die Wahrscheinlichkeit, dass ein zufällig gewählter Mensch einen Intelligenzquotient größer oder gleich 103 hat.
(Bitte auf 3 Stellen nach dem Komma runden)

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Die Zufallsgröße X beschreibt den Intelligenzquotient IQ, sie wird als normalverteilt angenommen mit dem Erwartungswert μ = 100 und der Standardabweichung σ = 15.

Somit kann man einfach die WTR-Befehle ("Normalcdf" beim TI, bzw. "Kumul. Normal-V" beim Casio) verwenden: Erst μ und σ, dann die Intervallgrenzen eingeben. Die rechte Intervallgrenze wäre hier jedoch + ∞. Stattdessen kann man einfach einen sehr großen Wert eingeben, z.B.: 10000000.

Jetzt lässt sich das Ergebnis ablesen: P(X ≥ 103) ≈ 0.4207

Normalverteilung Anwendung (rückwärts)

Beispiel:

Ein exotisches Insekt wird im Mittel 2 cm lang. Dabei beträgt die Standardabweichung der Körperlänge 0,6 cm. Wie lang darf ein solches Insekt höchstens sein, damit es zu den kleinsten 65% dieser Insekten gehört.
(Bitte auf 2 Stellen nach dem Komma runden, ohne Einheiten eingeben!)

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Die Zufallsgröße X beschreibt die Körperlänge des Insekts im cm, sie wird als normalverteilt angenommen mit dem Erwartungswert μ = 2 und der Standardabweichung σ = 0.6.

Gesucht ist somit das k, so dass P(X ≤ k) = 0.65 gilt.

Der WTR liefert für P(X ≤ k) = 0.65 den Wert k ≈ 2.231.

(TI: invNormal, Casio: Inv. Normal-V. )

Mittelwert, Standardabw. ablesen

Beispiel:

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Die Zufallsgröße X ist normalverteilt. Ihr Schaubild zeigt die zugehörige Gauß'sche Glockenkurve mit den ganzzahligen Parametern μ und σ.

Gib die Werte für μ und σ an.

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Den Mittelwert μ= 3 kann man einfach am x-Wert des Hochpunkts der Glockenkurve ablesen.

Die Standardabweichung σ = 1 kann man am Abstand der x-Werte des Hochpunkts vom Wendepunkt ablesen.

Dichtefunktion aus Graph ablesen

Beispiel:

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Die Zufallsgröße X ist normalverteilt. Ihr Schaubild zeigt die zugehörige Gauß'sche Glockenkurve mit den ganzzahligen Parametern μ und σ.

Gib den Funktionsterm der Dichtefunktion an.

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Den Mittelwert μ= 1 kann man einfach am x-Wert des Hochpunkts der Glockenkurve ablesen.

Die Standardabweichung σ = 5 kann man am Abstand der x-Werte des Hochpunkts vom Wendepunkt ablesen.

Eingesetzt in die allgemeine Dichtefunktion: φ(x) = 1 σ · 2π · e - 1 2 ( x - μ σ ) 2 ergibt:

φ(x) = 1 5 2π · e - 1 2 ( x -1 5 ) 2

μ und σ ablesen und Intervall berechnen

Beispiel:

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Die Zufallsgröße X ist normalverteilt. Ihr Schaubild zeigt die zugehörige Gauß'sche Glockenkurve mit den ganzzahligen Parametern μ und σ.

Gib die Werte für μ und σ an und berechne damit die eingefärbte Fläche.

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Den Mittelwert μ= 5 kann man einfach am x-Wert des Hochpunkts der Glockenkurve ablesen.

Die Standardabweichung σ = 2 kann man am Abstand der x-Werte von Hochpunkt und Wendepunkt ablesen.

Jetzt kann man einfach einfach die WTR-Befehle ("Normalcdf" beim TI, bzw. "Kumul. Normal-V" beim Casio) verwenden: μ und σ, dann die Intervallgrenzen eingeben - und schließlich das Ergebnis ablesen:

P(3 ≤ X ≤ 7) ≈ 0.6827

Symmetrie nutzen

Beispiel:

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Die Zufallsgröße X ist normalverteilt. Ihr Schaubild zeigt die zugehörige Gauß'sche Glockenkurve mit einem ganzzahligen Erwartungswert μ. Der Inhalt der gefärbten Fläche beträgt 0.086.

Bestimme P(-2 ≤ X ≤ 1).

Gib die Wahrscheinlichkeit auf 3 Stellen nach dem Komma genau an.

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Wir wissen, dass das Schaubild einer normalverteilten Zufallsgröße achsenssymmetrisch zur senkrechten Gerade durch den Hochpunkt ist, hier also zu x = -2.

Somit gilt auch für den helleren blauen Flächeninhalt, der der Wahrscheinlichkeit P( X ≥ 1) entspricht: P( X ≥ 1) = 0.086.

Die beiden roten Flächen teilen sich dann die Restwahrscheinlichkeit:
1 - 0.086 - 0.086 = 0.828

Aus den bereits oben genannten Symmetriegründen sind aber auch die beiden roten Flächen gleich groß, so dass für die gesuchte (dunklere) Fläche gilt:

P(-2 ≤ X ≤ 1) = 0.828 2 = 0.414

Standardabweichung bestimmen

Beispiel:

Der Punkt P(-4|0.0363) liegt auf der Gauß'schen Glockenkurve mit ganzzahligem Parameter σ und μ = -4.

Bestimme die Standardabweichung σ.

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Der gegebene Punkt ist der Hochpunkt der Gauß' schen Glockenkurve, weil ja der gegebene x-Wert gerade dem Erwartungswert μ = -4 entspricht.

Um einen ersten möglichen Wert für eine Standardabweichung σ zu bekommen, berechen wir am besten den Quotient von 0,5 und dem y-Wert der gegebenen Hochpunkts, also 0.5 0.0363 ≈ 13.774 und runden diesen auf σ1 = 14.

Damit berechnen wir nun den y-Wert der Glockenkurve (mit μ = -4 und σ1=14) an der gegebenen Stelle x = -4 und erhalten f1(-4) = 0.0285
(TI: DISTR -> 1: Normalpdf; Casio: Dichte ..).

Wir wissen ja: Je größer das σ ist, desto breiter wird die Glockenkurve. Da ja aber die ganze Fläche unter der Glockenkurve (die ja der Gesamt-Wahrscheinlichkeit für alles entspricht) immer genau 1 ist, muss die breitere Glockenkurve dementsprechend auch flacher und damit mit einem niedrigeren Hochpunkt ausfallen. Somit gilt:

Je höher das σ, desto niedriger der y-Wert des Hochpunkts.

Und da der y-Wert unserer ersten Kurve mit σ1=14 (in der Abbilung in grün) zu tief war, muss also σ1 zu groß sein und wir müssen jetzt eben schrittweise kleinere Standardabweichungen σ durchprobieren und die zugehörigen y-Werte an der Stelle x = -4 berechnen:

μ = -4σ = 13f(-4) = 0.0307
μ = -4σ = 12f(-4) = 0.0332
μ = -4σ = 11f(-4) = 0.0363

Somit muss die gesuchte Standardabweichung σ = 11 sein.

Sigmaregel rückwärts

Beispiel:

X ist normalverteilt mit μ und σ = 5. Es gilt P(μ ≤ X ≤ 250) ≈ 0,477. Bestimme μ.

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Es gilt: P(μ ≤ X ≤ 250) ≈ 0,477≈ 0.954 2

Wegen der Sigma-Regel P(μ - 2⋅σ ≤ X ≤ μ + 2⋅σ) ≈ 0.954 und der Symmetrie der Gauß'schen Glockenkurve
muss also P(μ ≤ X ≤ μ + 2⋅σ) ≈ 0.954 2 sein.
Mit σ = 5 gilt somit: P(μ ≤ X ≤ μ + 10) ≈ 0.954 2

Wenn man dies mit der 1 .Zeile vergleicht, erkennt man, dass 250 um 10 größer als μ sein muss.

Für den Mittwelwert gilt somit: μ = 250 - 10 = 240 .

variabler Erwartungswert (Anwendungen)

Beispiel:

Bei einer Maschine, die Schrauben herstellt, kann man die Länge der Schrauben auf ganze mm einstellen. Trotzdem sind dann nicht alle produzierten Schrauben ganz exakt gleich lang. Man kann aber davon ausgehen, dass die Schraubenlänge normalverteilt ist mit der eingestellten Länge als Erwartungswert und einer Standardabweichung von 1,4 mm. Auf welchen Wert (ganzzahlig in mm) muss man die Maschine mindestens einstellen, wenn eine zufällig gewählte Schraube mit einer Wahrscheinlichkeit von mindestens 75% mindestens 45 mm lang sein soll?

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Die Zufallsgröße X beschreibt die Schraubenlänge in mm.

Zunächst untersuchen wir die Wahrscheinlichkeit, wenn der Erwartungswert μ = 45 gewählt würde. Aus Symmetriegründen wäre dann aber P(X ≥ 45) = 0,5.

Deswegen wird nun der Erwartungswert schrittweise immer um eine Einheit erhöht, bis die gesuchte Wahrscheinlichkeit P(X ≥ 45) mindestens 0.75 ist:

μ = 45: P(X ≥ 45) = 0.5

μ = 46: P(X ≥ 45) = 0.7625

Man muss also den Erwartungswert auf mindestens μ = 46 einstellen.

Normalverteilung variables σ

Beispiel:

Ein Fernreisebusunternehmen gibt als Reisezeit zwischen zwei Städte 180 Minuten an. Da die tatsächliche Fahrtzeit immer etwas schwankt, kann sie als normalverteilt mit Erwartungswert μ = 180 und einer Standardabweichung σ angenommen werden. Das Unternehmen wirbt damit, dass die Wahrscheinlichkeit einer Verspätung von 7 oder mehr Minuten bei unter 5% liegt. Wie groß darf dann die Standardabweichung σ der Normalverteilung dieser Fahrten (auf eine Stelle nach dem Komma gerundet) maximal sein?

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Die Zufallsgröße X beschreibt die Fahrtzeit in Minuten.

Gesucht ist die Standardabweichung σ, so dass P(X ≥ 187) < 5% gilt.

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Je kleiner das σ ist, desto enger und höher ist die Glockenkurve der Dichtefunktion.

Wegen der Symmetrie der Glockenkurve folgt aus P(X ≥ 187) < 5% , dass P(173 ≤ X ≤ 187) > 90 % gelten muss.

Aufgrund der Sigmaregel (P(μ-2σ ≤ X ≤ μ+2σ) ≈ 95,4% ) wissen wir, dass die 7 min eine kleinere Wahrscheinlichkeit auf sich vereinen als eine Abweichung um 2 σ, folglich muss die Abweichung 7 weniger als 2 σ entsprechen.

7 < 2⋅σ |:2
3.5 < σ

Wir starten also mal bei σ = 3.5 und erhöhen dieses so lange, bis P(X ≥ 187) über die 0.05 steigt:

σ = 3.5: P( X ≥ 187) ≈ 0.0227

σ = 3.6: P( X ≥ 187) ≈ 0.0259

...

σ = 4: P( X ≥ 187) ≈ 0.0401

σ = 4.1: P( X ≥ 187) ≈ 0.0439

σ = 4.2: P( X ≥ 187) ≈ 0.0478

σ = 4.3: P( X ≥ 187) ≈ 0.0518

Die Standardabweichung darf also höchstens σ = 4.2 einstellen.

Normalverteilung Anwendung

Beispiel:

Man geht davon aus, dass die Intelligenz bei Menschen normalverteilt ist. Ein Intelligenztest wird immer so skaliert, dass der Erwartungswert des IQ bei 100 und die Standardabweichung bei 15 liegt. Bestimme die Wahrscheinlichkeit, dass ein zufällig gewählter Mensch einen Intelligenzquotient kleiner oder gleich 82 hat.
(Bitte auf 3 Stellen nach dem Komma runden)

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Die Zufallsgröße X beschreibt den Intelligenzquotient IQ, sie wird als normalverteilt angenommen mit dem Erwartungswert μ = 100 und der Standardabweichung σ = 15.

Somit kann man einfach die WTR-Befehle ("Normalcdf" beim TI, bzw. "Kumul. Normal-V" beim Casio) verwenden: Erst μ und σ, dann die Intervallgrenzen eingeben. Die linke Intervallgrenze wäre hier jedoch - ∞. Stattdessen kann man einfach einen sehr kleinen Wert eingeben, z.B.: -10000000.

Jetzt lässt sich das Ergebnis ablesen: P(X ≤ 82) ≈ 0.1151

Kombination Normal- und Binomialverteilung

Beispiel:

Ein exotisches Insekt wird im Mittel 45 mm lang. Dabei beträgt die Standardabweichung der Körperlänge 7 mm. Ein Forscher entdeckt insgesamt 60 solcher Insekten. Bestimme die Wahrscheinlichkeit dafür, dass mindestens 2, aber nicht mehr als 6 dieser Insekten größer als 56,2 mm sind.

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Zuerst berechnen wir die Wahrscheinlichkeit dafür, dass ein Insekt die geforderte Größe hat. Die Zufallsgröße Y beschreibt dabei die Körperlänge des Insekts, sie wird als normalverteilt angenommen mit dem Erwartungswert μ = 45 und der Standardabweichung σ = 7.

Mit derm WTR lässt sich so P(Y ≥ 56.2) ≈ 0.0548 berechnen.

(TI: Normalcdf, Casio: Kumul. Normal-V. )

Und weil dies für jedes der 60 Exemplare gilt, können wir die Zufallsgröße X (, die die Anzahl der Insekten mit der geforderten Mindestgröße zählt) als binomialverteilt mit n = 60 und p = 0.0548 annehmen.

Für die gesuchte Wahrscheinlichkeit gilt somit:
P0.05560 (2X6) =

...
0
1
2
3
4
5
6
7
8
...

P0.05560 (X6) - P0.05560 (X1) ≈ 0.9548 - 0.1523 = 0.8025

(TI-Befehl: binomcdf(60,0.0548,6) - binomcdf(60,0.0548,1))

Die gesuchte Wahrscheinlichkeit beträgt somit ca. 80,3%.

Kombination Normal- und Binomialverteilung rw

Beispiel:

Ein exotisches Insekt wird im Mittel 50 mm lang. Dabei beträgt die Standardabweichung der Körperlänge 4 mm. Übergroße Insekten mit einer Länge von über 56,4 mm gelten als besonders aggressiv und greifen oft andere Insekten an. Deswegen sollten nie mehr als 6 solcher übergroßen Insekten in einem Terrarium untergebracht sein. Wie viele Insekten kann man höchstens in ein Terrarium setzen, damit dies mit einer Wahrscheinlichkeit von mindestens 80% gewährleistet ist?

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Zuerst berechnen wir die Wahrscheinlichkeit dafür, dass ein Insekt die problematische Größe hat. Die Zufallsgröße Y beschreibt dabei die Körperlänge des Insekts, sie wird als normalverteilt angenommen mit dem Erwartungswert μ = 50 und der Standardabweichung σ = 4.

Mit derm WTR lässt sich so P(Y ≥ 56.4) ≈ 0.054799 berechnen.

(TI: Normalcdf, Casio: Kumul. Normal-V. )

Und weil dies für jedes Exemplar gilt, können wir die Zufallsgröße X (, die die Anzahl der die Insekten mit der problematischen Mindestgröße zählt) als binomialverteilt mit unbekanntem n und p = 0.054799 annehmen.

nP(X≤k)
......
870.8002
880.7924
890.7845
900.7765
910.7684
920.7602
930.7519
940.7435
950.735
960.7264
970.7178
980.7091
990.7004
1000.6916
1010.6827
1020.6738
1030.6649
1040.6559
1050.6469
1060.6379
1070.6289
1080.6198
1090.6108
......

Die Zufallsgröße X gibt die Insekten mit der problematischen Mindestgröße an und ist im Idealfall binomialverteilt mit p = 0.054799 und variablem n.

Es muss gelten: P0.055n (X6) ≥ 0.8

Jetzt müssen wir eben so lange mit verschiedenen Werten von n probieren, bis diese Gleichung erstmals erfüllt wird:

Dabei stellt sich nun natürlich die Frage, mit welchem Wert für n wir dabei beginnen. Im Normalfall enden 5.4799% der Versuche mit einem Treffer. Also müssten dann doch bei 6 0.054799 ≈ 109 Versuchen auch ungefähr 6 (≈0.054799⋅109) Treffer auftreten.

Wir berechnen also mit unserem ersten n=109:
P0.055n (X6) ≈ 0.6108 (TI-Befehl: Binomialcdf ...)

Je nachdem, wie weit nun dieser Wert noch von den gesuchten 0.8 entfernt ist, erhöhen bzw. verkleinern wir das n eben in größeren oder kleineren Schrittweiten.

Dies wiederholen wir solange, bis wir zwei aufeinanderfolgende Werte von n gefunden haben, bei denen die 0.8 überschritten wird.

Aus der Werte-Tabelle (siehe links) erkennt man dann, dass letztmals bei n=87 die gesuchte Wahrscheinlichkeit über 80% ist.