Regeln Wahrscheinlichkeitsrechnung – Grundlagen
In der Wahrscheinlichkeitsrechnung gibt es verschiedene Begriffe und Symbole. Diese kommen auch in den Regeln und Sätzen für das Rechnen mit Wahrscheinlichkeiten vor. Doch was bedeuten diese Begriffe und Symbole genau?
Wenn Du ein Zufallsexperiment durchführst, gibt es verschiedene Möglichkeiten für den Ausgang. Das sind die möglichen Ergebnisse des Zufallsexperiments.
Die Menge aller möglichen Ergebnisse wird Ergebnismenge genannt.
Das Symbol ist ein griechischer Buchstabe und wird "Omega" ausgesprochen.
Stell Dir vor, Du würfelst einen Würfel. Die möglichen Ergebnisse dieses Zufallsexperiments sind die Zahlen 1 bis 6.
Die Ergebnismenge ist:
Du kannst aber auch eine Teilmenge der Ergebnismenge betrachten. Diese Teilmenge wird Ereignis E genannt.
Du spielst ein Würfelspiel und gewinnst, wenn Du eine gerade Zahl würfelst. Dann ist ein Ereignis.
Ein Ereignis kann auch nur aus einem Element der Ergebnismenge bestehen. Solch ein Ereignis, das nur aus einem Ergebnis besteht, wird Elementarereignis E genannt.
Ein Würfel wird geworfen. Du gewinnst, wenn eine 6 geworden wird. Dann ist dies das Ereignis E.
Dieses Ereignis ist ein Elementarereignis.
Außerdem gibt es zu jedem Ereignis ein Gegenereignis . Das Gegenereignis beinhaltet immer alle Ergebnisse, die nicht in liegen.
Du gewinnst beim Würfeln, wenn eine Zahl kleiner als 3 geworfen wird. Dann ist:
Das Gegenereignis beinhaltet alle Ergebnisse, die nicht in E liegen.
Hier ist das Gegenereignis eine Zahl größer als 2 zu werfen.
Ein Ereignis wird meist mit einem Großbuchstaben abgekürzt.
Die Wahrscheinlichkeit eines Ereignisses wird mit einem großen P abgekürzt. Hinter das P schreibst Du in Klammern das zugehörige Ereignis. Die Wahrscheinlichkeit selber ist eine Zahl. Sie kann auch als Bruch angegeben werden.
Für ein Ereignis E ist
die Wahrscheinlichkeit des Ereignisses.
kannst Du "P von E" aussprechen.
Laplace-Experiment
Ein wichtiger Zufallsversuch der Wahrscheinlichkeitsrechnung ist das Laplace-Experiment.
Wenn Du einen Zufallsversuch durchführst, bei dem alle Elementarereignisse dieselbe Wahrscheinlichkeit haben, ist dies ein Laplace-Experiment.
Die Wahrscheinlichkeit für ein Ereignis kannst Du dann berechnen, indem Du die Anzahl der günstigen Ergebnisse (das sind die Ergebnisse, mit denen das Ereignis eintritt) durch die Anzahl aller möglichen Ergebnisse teilst.
Haben bei einem Zufallsexperiment alle Elementarereignisse dieselbe Wahrscheinlichkeit, so wird dieser Zufallsversuch Laplace-Experiment genannt. Die Wahrscheinlichkeit für ein Ereignis ist:
Die Anzahl aller möglichen Ergebnisse ist genau die Anzahl an Elementen in .
Das Werfen eines Würfels ist ein Laplace-Experiment, da die Wahrscheinlichkeit für jede geworfene Zahl dieselbe ist. Du kannst die Wahrscheinlichkeit für ein bestimmtes Ereignis daher mit der Laplace-Formel berechnen.
Sei das Ereignis, dass eine Zahl kleiner als 3 geworfen wird: . Dann ist die Wahrscheinlichkeit von :
Es gibt zwei Ergebnisse, mit denen das Ereignis eintritt. Insgesamt existieren sechs mögliche Ergebnisse.
Auch das Ziehen von Kugeln ist unter anderem ein typisches Beispiel für Laplace-Experimente in der Wahrscheinlichkeitsrechnung.
Regeln für einstufige Wahrscheinlichkeitsrechnung
Es gibt einige Regeln, die für die Wahrscheinlichkeitsrechnung bei allen Zufallsergebnissen gelten.
Allgemeine Regeln für das Rechnen mit Wahrscheinlichkeiten
Diese Regeln können Dir helfen, Wahrscheinlichkeiten anzugeben und zu berechnen.
Sicheres Ereignis
Die Wahrscheinlichkeit für alle Ergebnisse eines Zufallsexperiments zusammen ist immer 1. Eines der Ergebnisse tritt sicher ein.
Für ein Zufallsexperiment mit Ergebnismenge gilt:
Du kannst auch sagen: Die Wahrscheinlichkeit eines sicheren Ereignisses ist 1.
Wenn also sicher ist, dass ein bestimmtes Ereignis eintritt, da es keine andere Möglichkeit gibt, ist die Wahrscheinlichkeit für dieses Ereignis 1.
Unmögliches Ereignis
Genauso gibt es in der Wahrscheinlichkeitsrechnung aber auch unmögliche Ereignisse. Dieses Ereignis kann nicht eintreten. Dann ist seine Wahrscheinlichkeit 0.
Für ein Zufallsexperiment ist
Ein unmögliches Ereignis hat also die Wahrscheinlichkeit 0, ein sicheres Ereignis die Wahrscheinlichkeit 1.
Wahrscheinlichkeit eines Ereignisses
Aus den Wahrscheinlichkeiten für ein sicheres und ein unmögliches Ereignis kannst Du schließen, dass für jedes Ereignis eines Zufallsexperiments die Wahrscheinlichkeit zwischen 0 und 1 liegt.
Für die Wahrscheinlichkeit eines Ereignisses eines Zufallsexperiments gilt stets
Die Wahrscheinlichkeit eines Ereignisses kann nie kleiner als 0 sein und nie größer als 1.
Summenregel für Elementarereignisse
Besteht ein Ereignis aus mehreren Elementarereignissen, so ist die Wahrscheinlichkeit des Ereignisses gleich die Summe der Wahrscheinlichkeiten der Elementarereignisse.
Seien Elementarereignisse und ein Ereignis. Dann ist
Wahrscheinlichkeit des Gegenereignisses
Da die Summe aller Wahrscheinlichkeiten stets 1 ist, müssen auch ein Ereignis und das zugehörige Gegenereignis zusammen die Wahrscheinlichkeit 1 haben.
Für ein Ereignis und sein Gegenereignis gilt
Daraus folgt, dass Du die Wahrscheinlichkeit eines Ereignisses berechnen kannst, indem Du rechnest:
Betrachte noch einmal das Werfen eines Würfels. Sei das Ereignis, dass eine Zahl zwischen 1 und 6 geworfen wird:
Dann ist ein sicheres Ereignis und es ist
Nun ist das Ereignis, dass eine Zahl größer als 4 geworfen wird.
Das Gegenereignis von ist
Die Ereignisse bestehen aus Elementarereignissen. Du kannst die Wahrscheinlichkeiten berechnen, indem Du die Wahrscheinlichkeiten der Elementarereignisse addierst.
Wenn Du die Wahrscheinlichkeiten von und addierst, erhältst Du:
Du kannst im Beispiel die Wahrscheinlichkeiten von und auch mit der Laplace-Formel berechnen und nicht über die Summe der Wahrscheinlichkeiten der Elementarereignisse.
Manchmal ist es in der Wahrscheinlichkeitsrechnung einfacher, die Wahrscheinlichkeit des Gegenereignisses zu berechnen als die Wahrscheinlichkeit des Ereignisses selber. Dann kannst Du verwenden, um zum Schluss die Wahrscheinlichkeit des Ereignisses zu berechnen.
Additionssatz bei zwei Ereignissen
Wenn Du die Vereinigung zweier Ereignisse betrachtest, kannst Du auch die Wahrscheinlichkeit dieser Vereinigung berechnen. Eine Vereinigung von zwei Ereignissen bedeutet, dass das eine oder das andere Ereignis eintreten kann und auch beide gemeinsam eintreten können. Das Symbol für die Vereinigung ist .
Für die Vereinigung zweier Ereignisse ist
ist die Schnittmenge der Ereignisse . Hier sind alle Elemente enthalten, die sowohl in als auch in liegen.
Um die Wahrscheinlichkeit einer Vereinigung von Ereignissen zu berechnen, addierst Du also nicht einfach nur die Wahrscheinlichkeiten der Ereignisse und , sondern ziehst die Wahrscheinlichkeit der Schnittmenge auch einmal wieder ab. Die Schnittmenge von kannst Du in Abbildung 1 erkennen.
Abbildung 1: Schnittmenge der Ereignisse
Du möchtest mehr über die Schnittmenge und Vereinigungsmenge wissen? Dann klicke auf die Begriffe und schau Dir die Erklärungen hierzu an.
Es wird ein Würfel geworfen. Die Ereignisse sind:
: Es wird eine Zahl kleiner als 3 geworfen.
: Es wird eine gerade Zahl geworfen.
Dann liegt die Zahl 2 sowohl in als auch in , also .
Die Wahrscheinlichkeiten sind:
Das Ereignis, dass eine Zahl kleiner als 3 geworfen wird und/oder eine gerade Zahl, ist die Vereinigung .
Es ist
Du könntest hier die Wahrscheinlichkeit aber auch direkt angeben, da Du die Menge bestimmen kannst.
Wahrscheinlichkeit von Teilmengen
Wenn Du in der Wahrscheinlichkeitsrechnung zwei Ereignisse hast und aus dem Eintreten des ersten Ereignisses direkt das Eintreten des zweiten Ereignisses folgt, so ist die Wahrscheinlichkeit des ersten Ereignisses kleiner oder gleich der Wahrscheinlichkeit des zweiten Ereignisses.
Gegeben seien für ein Zufallsexperiment die Ereignisse und mit . Dann ist
Dies ist immer dann der Fall, wenn das eine Ereignis das andere Ereignis beinhaltet.
Beim Würfeln werden die folgenden Ereignisse betrachtet.
: Es wird die Zahl 1 gewürfelt.
: Es wird eine ungerade Zahl gewürfelt.
Dann ist eine Teilmenge () von :
Wenn eintritt, tritt auch automatisch ein. Deswegen muss die Wahrscheinlichkeit für das Werfen einer 1 kleiner als die Wahrscheinlichkeit für das Werfen einer ungeraden Zahl sein.
Regeln für mehrstufige Zufallsversuche
Bei einem mehrstufigen Zufallsversuche in der Wahrscheinlichkeitsrechnung werden mehrere Zufallsversuche hintereinander ausgeführt und zu einem Zufallsversuch zusammengefasst. Häufig werden mehrstufige Zufallsversuche mit einem Baumdiagramm dargestellt.
Regeln für Baumdiagramme
Für die Wahrscheinlichkeitsrechnung in einem Baumdiagramm gibt es zwei Regeln, die auch Pfadregeln genannt werden.
Produktregel (1. Pfadregel)
Die Wahrscheinlichkeit eines Elementarereignisses in einem mehrstufigen Zufallsversuch entspricht dem Produkt der Wahrscheinlichkeiten entlang des zugehörigen Pfades im Baumdiagramm.
Möchtest Du also die Wahrscheinlichkeit eines Pfades berechnen, so multiplizierst Du die einzelnen Wahrscheinlichkeiten entlang des Pfades.
Abbildung 1: Baumdiagramm
Mit dem Baumdiagramm aus Abbildung 1 kannst Du die Wahrscheinlichkeit für das Ereignis mit der ersten Pfadregel berechnen:
Summenregel (2. Pfadregel)
Die Wahrscheinlichkeit eines Ereignisses in einem mehrstufigen Zufallsversuch entspricht der Summe der Wahrscheinlichkeiten aller Pfade, bei denen das Ereignis eintritt.
Möchtest Du mit dem Baumdiagramm aus Abbildung 1 die Wahrscheinlichkeit berechnen, dass und eintreten, so addierst Du die Wahrscheinlichkeit aller Pfade, bei denen eintreten. Das sind hier genau die beiden Pfade und .
Regeln für bedingte Wahrscheinlichkeiten
Die Wahrscheinlichkeit eines Ereignisses ist nicht immer dieselbe. Sie kann sich ändern, wenn bereits ein anderes Ereignis eingetreten ist. Dies wird bedingte Wahrscheinlichkeit genannt.
Gegeben sind die Ereignisse A und B. Das Ereignis B ist mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit bereits eingetreten. Dann kannst Du die bedingte Wahrscheinlichkeit für das Ereignis A berechnen mit
kannst Du als "Wahrscheinlichkeit von A unter der Bedingung B" aussprechen.
ist die Wahrscheinlichkeit dafür, dass A und B eintritt.
Du kannst eine bedingte Wahrscheinlichkeit eines Ereignisses A also berechnen, wenn Du die Wahrscheinlichkeit des bereits eingetretenen Ereignisses B und die Wahrscheinlichkeit von kennst.
Wie im Einstiegsbeispiel zieht Lisa Gegenstände aus einem Sack. Es gibt Sterne und Kreise in Blau und Gelb.
Sei S das Ereignis, dass Lisa einen Stern zieht und K das Ereignis, dass Lisa einen Kreis zieht. B steht dafür, dass der gezogene Gegenstand blau ist und G dafür, dass er gelb ist.
Lisa kennt die Wahrscheinlichkeit dafür, einen Stern zu ziehen:
Auch weiß Lisa, wie hoch die Wahrscheinlichkeit ist, einen gelben Stern zu ziehen:
Lisa zieht einen Gegenstand aus dem Sack. Sie sieht sich den Gegenstand noch nicht an, aber sie kann ertasten, dass es ein Stern ist. Jetzt überlegt Lisa, wie groß die Wahrscheinlichkeit ist, dass der Stern gelb ist.
Lisa sucht also die Wahrscheinlichkeit für Gelb unter der Bedingung, dass es ein Stern ist. Dies kann sie berechnen:
Die Wahrscheinlichkeit, dass Lisas Stern gelb ist, beträgt 0,25.
Multiplikationssatz
Der Multiplikationssatz ist in der Wahrscheinlichkeitsrechnung eine Verallgemeinerung der ersten Pfadregel im Baumdiagramm. Er gibt an, wie Du die Wahrscheinlichkeit dafür berechnest, dass sowohl das Ereignis A als auch das Ereignis B eintritt, also .
Die erste Pfadregel besagt, dass Du die Wahrscheinlichkeit für berechnen kannst, indem Du die Wahrscheinlichkeiten entlang des Pfades multiplizierst.
Abbildung 2: Baumdiagramm mit bedingten Wahrscheinlichkeiten
Ab der zweiten Stufe stehen an den Pfaden eines Baumdiagramms bereits bedingte Wahrscheinlichkeiten. Mit der ersten Pfadregel kannst Du die Wahrscheinlichkeit von für das Baumdiagramm aus Abbildung 2 berechnen mit:
Dies entspricht genau dem Multiplikationssatz.
Regeln für unabhängige Ereignisse
Zwei Ereignisse sind unabhängig voneinander, wenn sich durch das Eintreten des einen Ereignisses die Wahrscheinlichkeit des anderen Ereignisses nicht verändert.
Die Ereignisse A und B sind genau dann unabhängig voneinander, wenn gilt:
Du kannst in der Wahrscheinlichkeitsrechnung auch mithilfe des Multiplikationssatzes überprüfen, ob zwei Ereignisse unabhängig sind. Denn nur für unabhängigen Ereignisse A und B gilt:
Lisa zieht wieder Gegenstände aus einem Sack. Die Ereignisse sind wieder:
S Es wird ein Stern gezogen.
K Es wird ein Kreis gezogen.
B Der gezogene Gegenstand ist blau.
G Der gezogene Gegenstand ist gelb.
Lisa kennt die folgenden Wahrscheinlichkeiten:
Lisa möchte wissen, ob die Ereignisse S und G unabhängig voneinander sind. Hat das Ereignis, dass ein Stern gezogen wird, einen Einfluss auf die Wahrscheinlichkeit, dass der Gegenstand gelb ist?
Lisa rechnet:
Lisa stellt fest:
Die Ereignisse S und G sind abhängig voneinander.
Satz der totalen Wahrscheinlichkeit
Der Satz der totalen Wahrscheinlichkeit ist in der Wahrscheinlichkeitsrechnung eine Verallgemeinerung der zweiten Pfadregel (Summenregel). Mit ihm kannst Du die Gesamtwahrscheinlichkeit eines Ereignisses berechnen, wenn nur bedingte oder gemeinsame Wahrscheinlichkeiten gegeben sind.
Für zwei Ereignisse A und B gilt nach dem Satz der totalen Wahrscheinlichkeit:
Der Satz der totalen Wahrscheinlichkeit gilt auch, wenn die Ergebnismenge in mehrere Ereignisse zerlegt wird:
Die Schnittmenge zweier muss leer sein. Es darf kein Ergebnis in zwei Ereignissen vorkommen:
Dann ist für ein Ereignis A:
Du möchtest Dich genauer mit dem Satz der totalen Wahrscheinlichkeit beschäftigen? Dann schaue Dir die Erklärung zum Satz der totalen Wahrscheinlichkeit an.
Satz von Bayes
Auch der Satz von Bayes beschäftigt sich mit bedingten Wahrscheinlichkeiten. Er besagt, dass es für zwei Ereignisse A und B einen Zusammenhang zwischen der Wahrscheinlichkeit und der Wahrscheinlichkeit gibt.
Wenn Du im Satz von Bayes den Nenner mithilfe des Satzes der totalen Wahrscheinlichkeit ersetzt, kannst Du die bedingte Wahrscheinlichkeit berechnen, ohne die die Wahrscheinlichkeit zu kennen:
Der Satz von Bayes findet in der Wahrscheinlichkeitsrechnung noch weitere Anwendungen. Du kannst sie in der Erklärung zum Satz von Bayes nachlesen.