Mathe Abitur 2024 Notes
Zufallsexperiment
- Ein Versuch, dessen Ergebnis nicht vorhergesehen werden kann.
- Wird ein Versuch mehrmals hintereinander ausgeführt = mehrstufiges Zufallsexperiment.
Ergebnismenge
Ereignis
- Die Menge aller gewünschten Ereignisse, z.B. ungerade würfeln Ergebnisse
Absolute Häufigkeit
- Die Anzahl, mit der ein bestimmtes Ereignis nach -maligem Würfel aufgetreten ist.
- Z.B. Bei 20-maligem Würfeln 4 mal 6 gewürfelt, absolute Häufigkeit der 6 ist 4.
Laplace Experiment
- Ein Zufallsexperiment, bei dem jedes der möglichen Ereignisse mit der gleichen Wahrscheinlichkeit erscheint.
- Z.B. Würfeln mit 6 gleichgroßen Seiten, Münze mit zwei gleichschweren Seiten…
Relative Häufigkeit
Arithmetisches Mittel
- Durchschnitt von allen Ereignissen
Median
- Mittleres Ergebnis
- Bei einer Rangliste die mittlere Zahl
- Bei gerader Anzahl an Ergebnissen:
Urliste
- Aufzählung aller gegebenen Daten in gegebener Reihenfolge (durcheinander)
Rangliste
- Aufzählung aller gegebenen Daten sortiert von klein nach groß
Baumdiagramme
Produktregel
- Entlang des Pfades multiplizieren
Summenregel
- Alle Enden der Pfade zusammen: 100%
- -1.Stufe: 100%
- -2.Stufe(je Pfad):100%
4-Felder-Tafel
Laplace Regel
Zufallsgrosse X
- Eine Zuordnung X, die jedem Ergebnis eines ZE eine reele Zahl zuordnet, wird als Zufallsgröße bezeichnet.
- z.B. (1) X= Gewinn oder Verlust, (2) X= Anzahl der Treffer
- hier: X:,,Anzahl der roten Kugeln“
- Y:,, Anzahl der blauen Kugeln“
- a) P(X=2)=..
- b) P(Y=2)=P(X=0)=..=
- c) P(X=1)=P(Y=1)=..=
Stochastik Beispielaufgabe
- Zufallsexperiment(ZE): Ziehen aus einer Urne mit 6 x rot; 2 x blau
- ZoZ = ,,ziehen ohne zurücklegen"
- 2-maliges Ziehen=>2-stufiges ZE
- Ergebnisse des ZE: rr; rb; br; bb
- bzw. Ergebnismenge: ={rr; rb; br; bb}
- b) B: ,,kein rot“ bzw. ,,2 x blau“
- c) ,,jeweils 1 x rot & 1 x blau“
- d. h. 2 Ergebnisse gehören zum Ereignis!
Gegenereignis
- Das Gegenereignis E beinhaltet alle Ergebnisse eines Experiments, die nicht in E enthalten sind
Bedingte Wahrscheinlichkeit
- ist die bedingte Wahrscheinlichkeit für das Ereignis B, wenn man weiß, dass A eingetreten ist.
- Es gilt:
- Bzw.
- P_\bar{A} (F)= \frac{P(F \cap \bar{A})}{P(\bar{A})}
- Beispiel:
- Zwei Ereignisse A,B mit P(A)>0 und P(B)>0 heißen unabhängig, wenn gilt:
Stochastische Unabhangigkeit
- Es gilt: zwei Ereignisse E und F sind genau dann unabhängig voneinander, wenn gilt:
- Andernfalls sind E und F voneinander abhängig (bedingen einander)
- Es gilt:
Erwartungswert
- Wenn der Erwartungswert =0 ist, ist das Spiel fair. (0€ Einsatz)
- Bei 7€ Einsatz=Erwartungswert:7
- Man muss den Einzahlungswert mit dem Einsatz verrechnen, um Gewinn zu machen
- Empirisch (Statistik) characterized durch und
- Theoretisch (Stochastik)
- Prognosen zu empirischen Kenngrößen und
- characterized durch Erwartungswert und theoret. Standardabweichung
- beschreibt Streuung der W‘keitsverteilung um den Erwartungswert
- Kenngrossen
- Stochastische (Un-)Abhangigkeit d.h. E ist vorher schon eingetreten!
Varianz
Standardabweichung
- oder:
Hypothesentests
Einseitiger Signifikanztest
Linksseitiger Test
Rechtsseitiger Test
- Zufallsgröße X und Nullhypothese H0 festlegen
- Welche Art von Test (linksseitig/rechtsseitig)
- Annahme-/Ablehnungsbereich bestimmen
- >InversBinomial( n , p , α)
- >linksseitig :
- >rechtsseitig: 100%-α
- Überprüfen, ob angegebener Wert im Annahmebereich liegt
- >Ja? Hypothese wird bestätigt
- >Nein? Hypothese wird verworfen
- Ggf. Irrtumswahrscheinlichkeit berechnen
Beispiel:
- linksseitiger Test H_1 : p <0,7
- CAS: InversBinomial(100 , 0,7 , 0,05) => a=62
- A=[62 ; 100]
- A=[0 ; 61]
- Angegebener Wert: 78
- stimmt, da 78 im Annahmebereich liegt
- rechtsseitiger TestH_1 : p >0,7
- A= [0 ; b]
- CAS: InversBinomial(100 , 0,7 , 0,95)
- =>b=77
- A=[0 ; 77]
- A=[78 ; 100]
- Angegebener Wert: 78
- stimmt nicht, da 78 im Ablehnungsbereich liegt
- Hypothese wird verworfen
- P(A)=P(X<61) 0,034
- CAS: Binomial(100 , 0,7 , 0…61)
- P(A)=P(X>78) 0,048
- CAS: Binomial(100 , 0,7 , 78…100)
Zweiseitiger Hypothesentest
- Zufallsgröße X und Nullhypothese H0 festlegen
- Signifikanzniveau halbieren (für oberen und unteren Ablehnungsbereich)
- Annahme-/Ablehnungsbereiche berechnen
- >CAS: InversBinomial(n , p , α)
- >a : α
- >b : 100%-α
- Überprüfen, ob angegebener Wert im Annahmebereich liegt
- >Ja? Hypothese trifft zu
- >Nein? Hypothese wird verworfen
- Ggf. Irrtumsw‘keit berechnen
- >Binomial(n , p , 0…(a-1))+ Binomial(n , p , (b+1)…n)
Beispiel:
- Gegenhypothese:
- Nullhypothese:
- =>
- InversBinomial(100 , 0,15 , 0,025)=> a=8
- InversBinomial(100 , 0,15 , 0,975)=> b=22
- X=Anzahl der Käufer n=100 p=15% α=5%
- A=[8 ; 22]
- A=[0 ; 7] [23 ; 100]
- Angegebener Wert: 22 Die Hypothese kann bestätigt werden, weil der Wert im Annahmebereich liegt.
- Das Signifikanzniveau ist die maximale Irrtumsw‘keit (z.B. α=5% oder α=1%).
- Sie ist die Höchstw‘keit, die Hypothese zu verwerfen, obwohl sie zutrifft/richtig ist, sie ist die W‘keit des Ablehnungsbereiches.
- beträgt höchstens 5%, da α=5%
Fehler bei Hypothesentests
Fehler 1. Art (Irrtumsw‘keit)
- -eine richtige Hypothese wird fälschlicherweise verworfen!
- P(A)=P(X>59)
- A=[59;100] mit n=100
- P(A)=P(X <58) mit A=[0;58]
Fehler 2. Art
- -eine falsche Hypothese wird fälschlicherweise angenommen
Binomialverteilung
- n=10 p=0,6
- µ=10 0,6 = 6
- 1 -Intervall: ;
- 2 -Intervall: ;
- 3 -Intervall: ;
- I = [5 ; 7]
- I = [3 ; 9]
- I = [2 ; 10]
- P (5 < X < 7) 0,666
- P (3 < X < 9) 0,982
- P (2 < X < 10) 0,998
Vorgehensweise:
- Erwartungswert µ berechnen
- Standardabweichung berechnen
- Sigmaintervall bestimmen
- ;
- I = [µ- σ ; µ+σ]
- Wahrscheinlichkeiten der Sigmaintervalle berechnen
- P(a < X < b)=
- CAS: Binomial(n , p , a…b)
- CAS: Binomial(10 , 0,6 , 5…7)
Beispiel:
- Erwartungswert
- Zufallsgröße X ist binomialverteilt mit n und p(Erfolgsw'keit) => q (Misserfolgsw'keit)
- X= Anz. der Treffer
- Erwartungswert µ(x) gibt die im Mittel zu erwartende Anzahl an Treffern an
- µ(x)ist keine W'keit ! mit µ = µ(x)= n p im Histogramm (Säulendiagramm) kann man den Enwartungswert ablesen (s. höchste Säule)
- als sinnvollste Abweichung vom Erwartungswert
Standardabweichung Sigma-Regeln
- ,,Gib die W‘keit davon an, für entweder 1, 2 oder 3. “
- Lösung:
- P(1)+P(2)+P(3) >ablesen+berechnen
CAS-Befehle
- Binomialkoeffizient: nCr(n , k)
- W‘keit für genau k Treffer: Binomial (n , p , {k})
- kumulierte W‘keit von 0 bis k: Binomial (n , p , 0…k)
- Zwischenw‘keit: Binomial (n , p , 3…10)
Sigma-Regeln
- P(µ - σ < X < µ + σ) ≈ 68,3\%
- P(µ - 2σ < X < µ + 2σ ) ≈ 95,4\%
- P(µ - 3σ < X < µ + 3σ ) ≈ 99,7\%
- P(µ - 1,64 σ < X < µ + 1,64 σ ) ≈ 90\%
- P(µ - 1,96 σ < X < µ + 1,96 σ ) ≈ 95\%
- P(µ - 2,58 σ < X < µ + 2,58 σ ) ≈ 99\%
- In Intervall hinein runden!
Bernoulli-Experimente
- Bernoulli-Experimente sind ZE bei denen es genau 2 Ausgänge gibt: Erfolg; Misserfolg !
Bernoulli-Formel
- >als besondere W‘keitsverteilung
- z.B. 6-maliges Würfeln (6 als Erfolg)
- Erfolgsw‘keit: p=
- Misserfolgsw‘keit: q=
- =>P(X=2)= \frac{15}{…}
- Die Anzahl der Pfade kann man z.B. m.H.d. Pascal‘schen Dreiecks bestimmen ist der sogenannte Binomialkoeffizient, mit dem man die Anzahl der Pfade berechnet für k Treffer
- p(X=k)= ( nk ) p^k q^(n -k) genau k Erfolge mit q=1-p
- Anzahl der Pfade
- k=Anzahl der Erfolge
- n= Anzahl der Durchführungen/Länge der Bernoulli-Kette
- p= Erfolgswahrscheinlichkeit
- q=1-p Misserfolgsw´keit
Geogebra:
- nCr(n, k) Binomialkoeffizient ohne Taschenrechner
- Es gilt:
Mindestens-Mindestens-mindestens-Aufgaben
- gesucht sind der Parameter p und der Parameter n
Beispiel: Farbblindheit
- gesucht: In einem Land sind 4% der männlichen Bevölkerung farbenblind. Wie groß muss eine Gruppe von Männern im Land mind. Sein, damit zu mindestens 90%, mindestens einer aus der Gruppe farbenblind ist?
- >n ist gesucht p=0,04 k>1
- P(X > 1)> 0,9
- 1- P(X=0) > 0,9
- 1- (0,04) 0,96^n > 0,9
- 1- 0,96^n > 0,9 |-1
- -0,96^n >-0,1 |:(-1)
- 0,96^n < 0,1 |log
- =>A: mind. 57 Männern
CAS:
- Löse(1-Binomial(n, 0,04 , {0})>0,9) n=56,40… mind. 57 Männer
- Binomialverteilung ii x= Anzahl der Farbblinden anderes Bsp.: p gesucht: Löse(1-Binomial(100, p , 0…3)>0,5)
Einfluss der Parameter n und p auf Binomialverteilungen
- Änderung von p bei festem n größeres p: Verteilung wandert nach rechts >Erwartungswert wird größer
- Änderung von n bei festem p größeres n: Erwartungswert, Streuung größer Verteilung wird breiter, flacher
Histogramme
- Zur Darstellung einer Binomialverteilung B
- Die Höhe der jeweiligen Säule gibt die W‘keit für X=k (Treffer) an. Die Breite der Säulen beträgt je 1!
- Es gilt: => Flächeninhalt der Säulen insgesamt= 1 !
- Histogramm:,, Hier geht es um die Fläche“ Annäherung durch Kurve, also durch einen Fkt.graphen der sogenannten Glockenfunktion
- und zugehöriger Integralfunktion =>HP bestimmen ->Erwartungswert µ und zugehörige W‘keit =>WP bestimmen->Wendestellen ergeben die Breite der Glockenkurve (µ- σ; µ+σ)
Normalverteilung
- Einfluss von σ und µ
- Erwartungswert µ: legt fest, an welcher Stelle die Normalverteilung ihr Maximum hat »µ verschiebt die Normalverteilung entlang der x-Achse
- Erwartungswert µ=x-Wert vom HP
- Standardabweichung σ=Wendestellen
- symmetrische zur Senkrechten durch HP
- stetig (alle reellen Zahlen)
- keine Einzelwahrscheinlichkeiten (nur Intervallw‘keiten)
Binomialverteilung
- Erwartungswert µ=n p
- Standardabweichung σ= √n p (1-p)
- asymmetrisch
- diskret (nur gerade Zahlen)
- Einzelwahrscheinlichkeiten P(x=2)=0,2
- diskrete Zufallsgröße= kann nur gerade Werte annehmen »z.B. Würfel, Münzwurf, Personenanzahl
- stetige Zufallsgröße= kann beliebige reele Zahlenbereiche annehmen »z.B. Körpergröße, Gewicht, Dauer Standardabweichung σ: bestimmt Form der Normalverteilung »je kleiner σ ist, desto steiler ist die Funktion »je größer σ ist, desto flacher ist die Funktion
- Veranderung des Erwartungswertes µ: Veranderung der Standardabweichung σ:
Diskrete und stetige Zufallsgroßen Vergleich
- Eigenschaften-Gauߑsche glockenfunktion:
- Erwartungswert: µ=0
- Standardabweichung: σ=1
- Maximum: µ (x=0)
- Wendestelle: x =1 v x =-1
- symmetrisch zur y-Achse
- Definitionsmenge: lR »stetig
- die Fläche ist die Wahrscheinlichkeit (x)= ist eine Stammfunktion zu
Maximum an der Stelle µ=n p (Erwartungswert)
Wendestellen bei µ± σ= µ ± √ n p q = n p ± √ n p (1-p) Stetigkeitskorrektur »die Vergrößerung des Integrationsintervalls um 0,5 Gauß‘sche Glockenfunktion Integral über die Gauß’sche
Glockenfunktion
Einzelwahrscheinlichkeit: P(X=k)= 0 Standard-Glockenfunktion CAS: Normal( µ , σ , k) P(120 < x < 140) 0,4545 CAS: Normal(120 , 10 , 139,5) - Normal(120 , 10 , 120,5) P(x >130) = 1-P(x < 130) 0,1711 P(130=x) 0,0242 CAS:1- Normal(120 , 10 , 129,5) CAS: Normal(120 , 10 , 130,5) -Normal(120 , 10 , 129,5) Beispiele: Satz von Moivre-Laplace dient als Wahrscheinlichkeitsdichte stetiger Zufallsgrößen stetig=nicht nur ganzzahlige Werte, wie bei der Binomialrechnung Verteilungsfunktion oder Gauß‘sche
Integralfunktion ,,bestimme das untere Quartil“ µ=0,62 σ=0,07 CAS: InversNormal(0.62 , 0.07, 0.25)
Wendestelle sa Funktionswert Funktion
Mengenlehre
- (alle Ergebnisse, die zu E und F gehören) (Ergebnisse, die in E oder liegen)
Es gilt:
Scnnittmenge in E & F doppelt enthalten - Ereignismenge E& Gegenereignismenge E
- Es gilt:
- E und F sind hier disjunkte Mengen (keine gemeinsamen Ergebnisse)
- =>
Allgemeines
- Vereinigungsmenge: E ∪ f
- Komplementärereignis
- Vereiningungsereignis
- Durchschnittsereignis
- Zahlenmengen (,,Teilmenge von“) (,,enthalten in“)
- => N c Z
- Teilmenge
- Erwartungswert: Mittel({Variablenwerte mit Komma trennen},{zugehörige Wkeiten})
- Standardabweichung: stdevp({Variablenwerte mit Komma trennen},{zugehörige Wkeiten})
- Binomialkoeffizient: nCr(n,k)
- Binomialverteilung: P(X=k): Binomial(n, p, {k})
- P(X<k): Binomial(n, p, k, {0,…k}) oder Binomial(n, p, k, 0…k)
Vektorrechnung i
Allgemeines
- Koordinatenebenen
- In der -Ebene, wenn ist
- In der -Ebene, wenn ist
- In der -Ebene, wenn ist
Spiegelung
- an der KO-Ebene z.B. an der -Ebene x3 -Koordinate ändert das Vorzeichen
- Vektor Gegenvektor
- a -a
- Nullvektor: Der Vektor der Länge 0 heißt Nullvektor 0 und besitzt keine Richtung und Orientierung.
- Gegenvektor: Der Vektor, der mit a in Länge und Richtung übereinstimmt, aber eine entgegengesetzte Orientierung hat, heißt Gegenvektor zu a : -a
- Ortsvektor: Der Vektor , mit dem man vom Ausgangspunkt O (0l0) zum Endpunkt A (2l2) gelangt, heißt Ortsvektor = zum Punkt A
- Arten von Vektoren
Koordinatenweise addieren
Definition (geometrisch)
- Die Menge aller Pfeile, die in Länge, Richtung (parallel) und Orientierung (Pfeilspitze) übereinstimmen, heißt Vektor.
- Ein Vektor kann durch unendlich viele Pfeile angegeben werden, die von einem Ausgangspunkt zu einem Zielpunkt führen.Man benötigt aber lediglich einen Repräsentanten.
- Allgemein gilt mit A (a1 l a2 l a3 ) und B ( b1 l b2 l b3 )
- „hinten minus vorne“
Rechnen mit Vektoren
- Vektoraddition
- Die Vektoren werden „aneinander gehängt. “ Der Summenvektor läuft vom Anfangspunkt von a zum Endpunkt von b
- Es gilt: a + b
- Vektorsubtraktion
- Der Differenzvektor verläuft vom Ende von b zum Ende von a bzw. Vom Anfang von -b zum Ende von a a - b = -b + a
- Skalar- Multiplikation (Multiplikation mit dem Faktor r ∈ lR)
- Es gilt: r a = r*
- Der Vektor a wird hier mit r=3 vervielfacht.
- Multipliziert man einen Vektor mit einem Skalar (mit r ∈ lR), so erhält man einen Vektor, der in Richtung und Orientierung übereinstimmt, oder r-mal so lang ist.
- Koeffizienten Linearkombination Eine Summe bzw. Differenz von Vielfachen von Vektoren nennt man Linearkombination z.B. r a + s b + t c
- 2 a + 4 c b - 3c etc.
- Rechengesetze
- Kommutativgesetz
- a + b = b + a
- Assoziativgesetz
- a + (b + c) =(a + b) + c
- Kommutativgesetz
- r (s a) =(r s) a
- Assoziativgesetz
- r (a + b)= r a + r b; (r + s) a= r a + s a
- Kommutativgesetz
Vektorrechnung ii
- Anwendungen des Vektorprodukts Flächeninhalt eines Parallelogramms
- A=g h A = a x b Flächeninhalt eines Dreiecks
- =
- Volumen einer Pyramide ( eines Spats) Volumen eines Spats V= G h wobei G= A = a x b
Allgemeines
- Mittelpunkt einer Strecke A (2 l 1 l -2) ; B(-5 l 1 l 9) AB = OB - OA = OM = OA + oder: M = ,,Laufe Vektor OA und zu M“! OM = OA + M (-1,5 l 1 l 3,5) OM = OA + geometrisch:
- Formeln Einheitsvektor Der Vektor heißt Einheitsvektor zum Vektor , wenn | a |= 1 und a und a dieselbe Richtung haben.
Ebenenformen
- Parameterdarstellung
- Normalengleichung
- (bzw. )
- als Normalenvektor von E
Vielfaches der Länge von n
- Koordinatengleichung
- mit p= OP und p c E
- Hesse‘sche Normalenform ges. d (R; E) = | RF|=t
Koordinatengleichung Aufstellen mit 3 Punkten
- Die Punkte A, B, C jeweils für x einsetzen > die Zahl d= 0 ist frei wählbar
- LGS lösen
- Normalenvektor berechnen
- n =RV1 x RV2 Kreuzprodukt lE: x = +r + s Kreuzprodukt/Vektorprodukt
- Vektor 1 zweimal untereinander schreiben
- Vektor 2 ebenfalls zweimal untereinander schreiben (rechts daneben, bündig mit der anderen Reihe)
- Obersten und untersten Zahlen wegstreichen
- Über Kreuz multiplizieren d = n SV Koordinatengleichung aufstellen
- d berechnen Parameterform in Koordinatenform
Normalengleichung, Koordinatengleichung aufstellen:
- Eine Ebene durch P( 4 l 1 l 3 ) hat den Normalenvektor n=
- p=OP und n in (x - p) n=0 einsetzen >
- d berechnen: für die Koordinaten des Punktes P( 4 l 1 l 3 ) einsetzen > d= 2 4 - 1 1 + 5 3 = 22
- >> $$\vec{E}: 2x - x_2 + 5