LYCEE JEAN-MONNET - STRASBOURG TS1 - DNL Mathématiques en allemand 2008-2009 Inhaltsverzeichnis I. Vokabeln II. Christophe Mathilde Catherine Überraschungen aus Wahrscheinlichkeitsrechnung 1 Geschichte der Wahrscheinlichkeitsrechnung 1. Zwei Geburtstagsprobleme 2. Das Teilungsproblem 3. Das Drei-Türen-Problem 4. Drei Spielkarten 5. Das Paradox von Bertrand 6. Berechnung der Kreiszahl π 7. Die Farbwürfel II. Einige Daten zur Geschichte der Wahrscheinlichkeitsrechnung I. Vokabeln Diese Daten beziehen Wahrscheinlichkeitstheorie1. die Wahrscheinlichkeit la probabilité die bedingte Wahrscheinlichkeit la probabilité conditionnelle das Ziehen le tirage das Zufallsexperiment l’expérience aléatoire das Laplace-Experiment le tirage équiprobable zufällig die möglichen Ergebnisse oder die Ausgänge das Ereignis aléatoire les résultats possibles ou les éventualités l’ensemble des éventualités, l’univers l’évènement das Gegenereignis l’évènement contraire unabhängige Ereignisse des évènements indépendants abhängige Ereignisse des évènements dépendants die Stichprobe die Baumdarstellung, das Baumdiagramm das Werfen einer Münze, eines Spielwürfels die Menge l’échantillon die Vereinigungsmenge la réunion (A∪ B) die Durchschnittsmenge l’intersection (A∩ B) die Teilmenge le sous-ensemble die leere Menge l’ensemble vide der Erwartungswert l’espérance mathématique die Ergebnismenge sich auf die Entwicklung der elementaren • 16.Jhdt. Beginnendes Interesse für die beim Würfelspiel beobachteten Zufallsgesetze. Cardano (1501 - 1576): Liber de ludo aleae. • 1620 Der Fürst von Toskana fragte Galilei: Warum erscheint beim Wurf dreier Würfel die Summe 10 öfter als die Summe 9, obwohl beide Summen auf genau 6 Arten eintreten können? Galilei merkte, dass diese 6 Arten keine elementaren gleichwahrscheinlichen Ereignisse sind. • 1654 Chevalier de Méré, angeblich Berufsspieler, beklagt sich bei Blaise Pascal (1623 - 1662), dass die Mathematik mit dem Leben nicht übereinstimme. Bei zwei Würfelspielen - mit 1 Würfel, 6 Ausfälle, in 4 Würfen mindestens eine Sechs zu erhalten, - mit 2 Würfeln, 6×6 = 36 Ausfälle, in 6×4 = 24 Würfen mindestens eine Doppelsechs zu erhalten, müsste man die gleichen Chancen haben, denn die Verhältnisse 6/4und 36/24 sind gleich. Die Spielpraxis zeigte aber, dass dem nicht so ist. Pascal löste das Problem und führte über ähnliche Fragen einen Briefwechsel mit Pierre Fermat (1601 - 1665). Darunter befand sich auch das Problem der Gewinnaufteilung, das schon Cardano beschäftigte. (s.u. das Teilungsproblem) • 1657 Christiaan Huygens (1629 - 1695): De ratiociniis in ludo aleae. Dieses Werk ist eine vollständige Theorie des Würfelspiels, sie wurde durch den Briefwechsel zwischen Pascal und Fermat angeregt. • 1713 Jakob Bernoulli (1654 - 1705): Ars conjectandi. Das erste grundlegende Werk über die Wahrscheinlichkeitsrechnung. • 1812 Pierre Simon de Laplace (1749 - 1827): Théorie analytique des probabilités. Erste Definition der Wahrscheinlichkeit eines Ereignisses als das Verhältnis der günstigen Fälle zu den möglichen Fällen. l‘arbre de probabilité le lancé d’une pièce, d’un dé l’ensemble 1 Die weitere Entwicklung gehört nicht mehr zu unserem Thema. Die Wahrscheinlichkeitstheorie ist in den letzten Jahrzehnten ein Gebiet der Mathematik geworden, das sich stark entwickelt hat und vielfältige Anwendungen in allen Bereichen findet. 2 1. Zwei Geburtstagsprobleme Einige Werte : Gleiche Geburtstage Wie viele Personen haben ihren Geburtstag am gleichen Tag unter : - den französischen Königen - den amerikanischen Präsidenten - den englischen Königen 23 34 41 46 55 Personenzahl 2 9 14 Wahrscheinlichkeit 0,003 0,09 0,22 0,51 0,80 0,90 0,95 0,99 • • • Es gab 29 französische Könige Charles IX und Louis XII sind am 27. Juni geboren. Es gab 36 amerikanische Präsidenten Harding und Polk sind am 2. November geboren. Es gab 32 englische Könige Alle hatten verschiedene Geburtstage. Ab 23 Personen wird die Wahrscheinlichkeit, dass mindestens zwei Personen am gleichen Tag Geburtstag haben, größer als 0,5. Schon ab 55 Personen wird sie größer als 0,99. Erstaunlich wenig! Geburtstag an einem bestimmten Tag Wie groß ist die Wahrscheinlichkeit, dass einer meiner Freunde seinen Geburtstag am 14. Juli hat? Wenn eine Gemeinschaft 23 Personen überschreitet, hat man mehr als 50% Chance, mindenstens zwei Personen zu finden, die ihren Geburtstag am gleichen Tag haben. Wenn man die Leute schätzen lässt, glauben sie es wären höchstens 10%! Wahrscheinlichkeit, dass eine Person ihren Geburtstag am 14. Juli hat: Wir nehmen an dass die Jahre keine Schaltjahre sind. Man geht davon aus, dass die Geburten gleichmäßig auf das Jahr verteilt sind. dass mindestens eine von zwei Personen ihren Geburtstag am 14. Juli hat: Wahrscheinlichkeit, dass 2 Freunde verschiedene Geburtstage haben. 364 365 Wahrscheinlichkeit, dass 3 Freunde verschiedene Geburtstage haben 364 × 363 365× 365 Wahrscheinlichkeit, dass 3 Freunde den gleichen Geburtstag haben. Wahrscheinlichkeit, dass n Freunde den gleichen Geburtstag haben. 1− 1− dass mindestens eine von n Personen ihren Geburtstag am 14. Juli haben: 1− 364 ≈ 0,003 365 2 364 1 − ≈ 0,005 365 364 1 − 365 n Einige Werte : Personenzahl 1 2 39 82 131 253 840 1679 Wahrscheinlichkeit 0,003 0,005 0,10 0,20 0,30 0,50 0,90 0.99 364 × 363 365 × 365 Ab 253 Personen wird die Wahrscheinlichkeit, dass mindestens eine von diesen Personen an einem bestimmten Tag ihren Geburtstag hat, größer als 0,5. Erst ab 1679 Personen wird sie größer als 0,99. Erstaunlich viel! 364 363 365-(n -1) × ×L× 365 365 365 3 2. Das Teilungsproblem • Der Spieler B gewinnt die erste folgende Runde: … ähnliche Erklärungen. Bei einem Glücksspiel wird in mehreren Runden um einen Einsatz gespielt. Bei jeder Runde haben A und B die gleiche Chance zu gewinnen. Das Spiel wird vorzeitig unterbrochen. Mit einem Baumdiagramm kann man alles gut darstellen. Wie ist der Einsatz unter den beiden Spielern gerecht zu verteilen? Blaise Pascal löste generell dieses Problem wenn A noch p Punkte und B noch q Punkte zum Gewinn benötigen. Wir gehen davon aus, dass Spieler A noch 2 Punkte zum Gewinn und Spieler B noch 3 Punkte zum Gewinn benötigen. Der Sieger dieses Spieles gewinnt 64 Euros. Dieser Spielstand am Anfang wird (2 ; 3) beschrieben. • Der Spieler A gewinnt die erste folgende Runde: Die Wahrscheinlichkeit, dass A die erste folgende Runde gewinnt ist ½, danach würde A nur noch einen Punkt und B immer noch 3 Punkte benötigen. Spielstand (1 ; 3). Wenn der Spieler A die nächste Runde gewinnt, würde A die 64 Euro bekommen. Spielstand (0 ; 3). Die Wahrscheinlichkeit, dass dies vorkommt ist: ½ × ½ = ¼ Würde aber B die nächste Runde gewinnen, bräuchte A immer einen Punkt und B nur 2 Punkte. Spielstand (1 ; 2). Wenn der Spieler A nun bei der folgenden Runde gewinnt, würde er den Gewinn von 64 Euros bekommen. Spielstand (0 ; 2). Wenn aber B diese Runde gewinnt, benötigt der Spieler A sowie der Spieler B noch einen Punkt. Spielstand ( 1 ; 1). Wenn der Spieler A die nächste Runde gewinnt, wird er den gesamten Gewinn von 64 Euros bekommen. Spielstand (0 ; 1). Würde aber B gewinnen, dann bekäme der Spieler B den gesamten Gewinn von 64 Euros. Spielstand (1 ; 0). Die Wahrscheinlichkeit, dass A gewinnt, ist: p(A) = 1/4 + 1/8 + 1/16 + 1/8 + 1/16 + 1/16 = 11/16. Die Wahrscheinlichkeit, dass B gewinnt ist: p(B) = 1/16 + 1/16 + 1/16 + 1/8 = 5/16 Für den Spieler A ist der Gewinn-Erwartungswert gleich (11/16)×64 = 44€. Für den Spieler B ist der Gewinn-Erwartungswert gleich (5/16)×64 = 20€. Es ist gerecht, dem Spieler A 44€ und dem Spieler B 20€ zu geben. 4 • 3. Das Drei-Türen-Problem Eine schlauere Erklärung : Hinter jedem Tor steht der Preis mit derselben Wahrscheinlichkeit p(A)=1/3. Der Moderator kann nur ein Tor öffnen, das diesen Preis nicht versteckt. Ein Kandidat, der sich immer gegen den Wechsel entscheidet, gewinnt nur, wenn er am Anfang das richtige Tor gewählt hat. Dies geschieht in einem Drittel der Fälle. Ein Kandidat, der immer wechselt, verliert in allen Fällen, in denen er ohne Wechsel gewonnen hätte, also in einem Drittel der Fälle. Er gewinnt folglich mit einer Wahrscheinlichkeit: p(Ā) = 1 – p(A) = 2/3. Das Drei-Türen-Problem war eine bekannte Fernsehshow. Das Spiel ist einfach: es gibt drei Türen. Ein wertvoller Preis ist hinter einer der drei Türen versteckt. Hinter den zwei anderen Türen gibt es nur wertlose Objekte2. Der Kandidat wählt eine Tür. Der Showmaster öffnet eine der beiden anderen Türen, hinter denen der Preis nicht liegt. Danach darf der Kandidat seine erste Wahl ändern oder nicht. Ist es vorteilhaft für den Kandidat, das Tor zu wechseln? Man könnte meinen, dass es egal ist, was man macht. Das ist aber falsch! Es scheint vielleicht erstaunlich, aber in der Tat ist es besser für den Kandidaten, systematisch seine Wahl zu wechseln. • In einem Gefängnis sitzen drei zum Tode verurteilte Gefangene: Anton, Bernd und Clemens. Genau einer von ihnen soll begnadigt werden. Dazu wird ein Los gezogen, das allen die gleiche Chance gibt. Der Gefangene Anton bittet den Wärter, der das Ergebnis kennt, ihm einen seiner Leidensgenossen Bernd oder Clemens zu nennen, der sterben muss. Der Wärter antwortet: ‚Bernd‘. Das kann man mit einem Baumdiagramm illustrieren. Erste Wahl Öffnung vom Moderator 1/2 Tor 2 Zweite Wahl ohne Wechsel Tor 1 1/6 Zweite Wahl mit Wechsel 1/3 1/3 Tor 2 Wie hoch ist nun Antons Überlebenswahrscheinlichkeit? Tor 3 Man könnte denken, dass Antons Überlebenswahrscheinlichkeit jetzt ½ beträgt, aber das ist falsch. Man benutzt dieselbe Beweisführung wie für das Drei-Türen-Problem3. Anton hatte zuerst 1/3 Chance begnadigt zu werden und nach der Antwort des Wärters hat er immer noch dieselbe Wahrscheinlichkeit. Aber für Clemens ist der Hinweis des Wärters interessanter. Er weiß, dass Bernd getötet wird und hat dann eine Wahrscheinlichkeit 1 − 1/3 = 2/3, begnadigt zu werden. 1/3 Tor 1 1/2 Tor 3 Tor 1 1/6 Tor 2 1 Tor 3 Tor 2 1/3 Tor 1 2/3 1/3 Tor 3 1 Tor 2 Der Kandidat gewinnt. Tor 3 1/3 Eine makabere Variante des Drei-Türen-Problems: das Gefangenen-Paradox Tor 1 3 Anstatt drei Türen hat man hier die drei Gefangenen A(nton), B(ernd) und C(lemens). Der Preis ist die Freilassung. A wählt keine Tür aber fragt den Wärter, der über sein Schicksal keinen Hinweis gibt. Anstatt eine Tür zu öffnen, sagt der Wärter, dass B „verloren hat“. Wir müssen unter dieser Bedingung die Wahrscheinlichkeit bestimmen, dass A (d.h. „die selbe Tür“) und C (d.h. „ die dritte Tür“) freigelassen sind (d.h. „gewonnen haben“). Der Kandidat verliert. 2 In der US-amerikanischen Spielshow „Let’s make a deal“ vom Moderator Monty Hall war der Preis ein Auto und die zwei andere Objekte zwei Ziegen. 5 4. Drei Spielkarten In 4 Fällen sind die Farben gleich, in 2 Fällen findet man verschiedene Farben. Man hat drei Karten. Die erste hat zwei blaue Seiten, die zweite hat eine blaue Seite und eine rote Seite und die dritte hat zwei rote Seiten. Man wählt eine dieser drei Karten auf gut Glück und legt sie auf den Tisch. Immer noch auf gut Glück wählt man auch die Seite, die man sieht. Die Wahrscheinlichkeit, dass die beide Seiten gleichfarbig sind, ist 2/3. Hat die versteckte Seite dieselbe Farbe oder die andere Farbe, Was ist wahrscheinlicher? • Man kann 2€ wetten, dass die Farbe der versteckten Seite und die Farbe der sichtbaren Seite der Karte dieselbe sind. Entweder gewinnt man 2 € oder man verliert. Man kann 3€ wetten, dass die Farbe der versteckten Seite und die Farbe der sichtbaren Seite nicht dieselbe sind. Entweder gewinnt man 3 € oder man verliert. Eine falsche Beweisführung wäre: Die Karte, deren zwei Seiten nicht dieselbe Farbe haben als die Seite der Karte die man sieht, kann ausgeschlossen sein. Es bleiben also nur noch zwei Karten übrig: eine Karte, die zwei selbe Farben hat, und eine Karte die zwei verschiedene Farben hat, also sind die zwei Wahrscheinlichkeiten gleich. • Um das Spiel interessanter zu machen Die zweite Wette scheint günstiger aber stimmt es wirklich? Es sind in Wirklichkeit 6 gleichwahrscheinliche Möglichkeiten: Karte Nummer Farbe der sichbaren Seite. • Farbe der versteckten Seite. Erste Wette : Man hat die Wahrscheinlichkeit 2/3 um dieselbe Farbe zu bekommen. Nach vielen Spielen bekommt man im Durchschnitt: 2 × 2/3 = 4/3 €. Anders gesagt, nimmt die Zufallsvariable X die Werte X = 2 und X = 0 P(X = 2)= 2/3 ; P(X = 0)= 1/3 ; E(X) = 2 × 2/3 + 3 × 0 = 4/3. 1 blau blau Gleiche blau blau Gleiche blau rot Verschiedene Zweite Wette : Man hat die Wahrscheinlichkeit 1/3, um die andere Farbe zu bekommen. Nach vielen Spielen bekommt man im Durchschnitt: 3 × 1/3 = 1 €. Anders gesagt, nimmt die Zufallsvariable X die Werte X = 3 und X = 0 rot blau Verschiedene P(X = 3) = 1/3 ; P(X = 0)= 2/3 ; E(X) = 2 × 0 + 3 × 1/3 = 1 rot rot Gleiche rot rot Gleiche • 1 2 2 3 Der Gewinn-Erwartungswert ist hier kleiner. 3 Die erste Wette ist günstiger. 6 5. Das Paradox von Bertrand 2. Antwort Man wählt eine Richtung der Sehne, zum Beispiel senkrecht zu einem Durchmesser AB5. Das heißt, dass die Mitte der Sehne einen zufälligen Punkt auf dem Durchmesser [AB] ist. Die Kreissehne ist größer als die Seite des Dreiecks, wenn dieser Punkt zwischen C und D liegt. Joseph Bertrand wurde am 11. März 1822 in Paris geboren, er war ein französischer Mathematiker und Pädagoge. Bertrand war zu seiner Zeit als Autor von Schulbüchern bekannt. Im Jahr 1888 erfragte er dieses Problem: Ein gleichseitiges Dreieck ist in einem Kreis eingeschrieben. 1 Hier ist die Wahrscheinlichkeit: p = 2 . 3. Antwort Man wählt einen Punkt innerhalb des Kreises6. Dieser Punkt bestimmt die Mitte der Kreissehne. Die Kreissehne ist größer als die Seite des Dreiecks, wenn ihre Mitte in dem Inkreis des gleichseitigen Dreiecks liegt. Die Wahrscheinlichkeit ist das Verhältnis F1/F2 von den Flächeninhalten dieser beiden Kreise. Wie groß ist die Wahrscheinlichkeit, dass eine zufällig ausgewählte Kreissehne größer als die Seite des Dreiecks ist? 1. Antwort Zuerst wählt man einen Endpunkt auf dem Kreis: zum Beispiel A. Dann nimmt man einen anderen zufälligen Punkt auf dem Kreis, um die Sehne zu bestimmen4. Wir haben zwei Möglichkeiten: entweder ist die Kreissehne kleiner als die Dreiecksseite (Punkte D und F), oder sie ist größer (Punkt E). Sie ist größer mit allen Punkten, die auf dem kleinen Kreisbogen BC liegen. Die drei Sektoren haben 2 dieselbe Länge L= 3 π r. F1 = π×(r/2)2; F2 = π×r2 1 Jetzt ist die Wahrscheinlichkeit : p = 4 . 1 1 1 Ist die richtige Antwort: 2 , 3 oder 4 ? In der Tat sind sie alle drei richtig, das Problem ist zu ungenau beschrieben. Der Ausdruck „zufällig gewählte Kreissehne“ ist nicht eindeutig. Die Antworten hängen von der Interpretation des Problems ab. 1 Die Wahrscheinlichkeit ist: p = 3 . 5 Zum Beispiel zeichnet man parallele Geraden mit der gleichen Entfernung d. Wenn man eine durchsichtige Scheibe mit Durchmesser d fallen lässt, schneidet sie eine dieser Geraden und der Schnitt bildet die Kreissehne. 6 Man kann einfach ein punktformiges Objekt auf den Kreis fallen lassen, um die Mitte der Sehne zu bestimmen, aber danach muss man noch die Sehne zeichnen. 4 Zum Beispiel lässt man einen Zeiger um den Punkt A drehen; er schneidet den Kreis im anderen Endpunkt der Kreissehne. 7 6. Berechnung der Kreiszahl π Hier habe ich die Koordinaten von 20 000 Punkten gerechnet und bekomme einen sehr guten Annäherungswert von pi (3,144 anstatt 3,141). Ziehung 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Gibt es ein Verhältnis zwischen pi und dem Zufall? So erstaunlich es scheint, können wir mit dem Zufall einen Annäherungswert von pi bekommen. Diese Methode heißt „Monte-Carlo-Algorithmus“. Dieser Algorithmus ist sehr leicht zu realisieren. Zuerst rechnet man mit dem Zufallsgenerator einer Tabellenkalkulation die Koordinaten eines Punktes M(x;y). Danach rechnet man die Länge zwischen dem Punkt und dem Ursprung: OM= x 2 + y 2 . Wir haben zwei Möglichkeiten: entweder liegt der Punkt in dem Kreissektor (wie M) oder nicht (wie M’). • Dieser Vorgang wird für beliebig viele Punkte ausgeführt. Für alle Punkte, die in dem Kreissektor liegen, gilt: OM < 1. Es ist leicht zu beweisen, dass das Verhältnis zwischen den beiden Flächen (Quadrat und Kreissektor) gleich π 4 ist. Man zählt wie viele Punkte innerhalb des Kreises liegen, so erhält man: π≈ Zahl der Punkte im Kreis ×4. Zahl der Punkte 8 x 0,84379896 0,68052977 0,73129525 0,50542045 0,61287613 0,30323243 0,71821338 0,21015596 0,09738333 0,96489695 0,25903084 0,70655147 0,41654055 0,19335417 … y 0,86207285 0,82464442 0,80962298 0,07313585 0,96159186 0,52765693 0,20960190 0,99687611 0,59443630 0,93745890 0,18285414 0,52203388 0,08876559 0,75403557 … OM OM<1 GESAMT 1,20630274 15 723 20 000 1,06918623 1,09100051 0,51068453 π gefunden π 1,14029648 3,1446000 3,14159265 0,60858175 0,74817339 Abstand 1,01878728 0,097 % 0,60236038 1,34530863 0,31706878 0,87848412 0,42589361 0,77843142 … Ich habe die folgenden Formeln gebraucht: Zufällige Werte zwischen 0 und 1 =ALEA() Der Pythagorassatz =RACINE(„Wert1“^2+„Wert2“^2) Wie viele Längen kleiner als 1 sind =NB.SI(„Zellen“;<1) π gefunden =„OM<1“/ „GESAMT“×4 Abstand = ABS(„π gefunden“− „π“)/ „π“ 7. Die Farbwürfel C spielt gegen D : C D In diesem Spiel hat man vier verschiedene ausgewogene Würfel; sie heißen „die Würfel von Bradley Efron “ (Bradley Efron ist ein amerikanischer Statistiker) Ein gelber: Ein roter: 0 4 0 4 4 4 3 3 3 3 3 3 A Ein blauer: Ein grüner: 2 2 2 2 6 6 5 1 1 1 5 5 B C 2 2 2 2 6 D spielt gegen A : 6 D A 1 0 0 4 4 4 B C C C C C 0 D D D D D D 1 C C C C C C 0 D D D D D D 1 C C C C C C 4 A A A D D D 5 D D D D C C 4 A A A D D D 5 D D D D C C 4 A A A D D D 5 D D D D C C 4 A A A D D D D gewinnt in 2/3 der Fälle. A gewinnt gegen B A B B gewinnt gegen C D C C gewinnt gegen D 3 3 3 3 3 3 3 B B A A A A 2 B B B B B B 3 B B A A A A 2 B B B B B B 3 B B A A A A 2 B B B B B B 3 B B A A A A 2 B B B B B B 3 B B A A A A 6 C C C C C C 3 B B A A A A 6 C C C C C C A gewinnt in 2/3 der Fälle. 5 Um es zusammenzufassen: B spielt gegen C : 4 5 C D gewinnt gegen A A 5 C Zwei Gegenspieler wählen einen dieser Würfel. Der Gewinner ist der Spieler, der die größte Augenzahl hat, wenn er würfelt. B 1 1 C gewinnt in 2/3 der Fälle. D A spielt gegen B: 1 Schließlich können wir nicht sagen, dass ein Würfel besser als die anderen ist. Überraschenderweise können wir mit solchen Würfeln die Wahrscheinlichkeiten zu gewinnen nicht ordnen. B gewinnt in 2/3 der Fälle 9