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fierke 6f9a744599 fix: anordnung binomialkoeffizienten war auch in der Lösung falsch, aber lugga ist es beim Überarbeiten nicht aufgefallen 2026-07-24 09:21:00 +02:00
fierke e0bbcda26c fix: merge doesnt work with compiled files... 2026-07-23 17:10:47 +02:00
fierke e9a6362398 Merge branch 'main' of https://git.mypapercloud.de/fierke/galtonbrett 2026-07-23 17:09:47 +02:00
fierke dd7fa8643f fix: binomialkoeffizienten falsch zugeordnet, warum auch immer 2026-07-23 17:07:04 +02:00
fierke 51a7fa5eb2 pdf: finale Version 2026-07-21 14:14:17 +02:00
fierke 9ca8ca1aa2 fix: hässlich gewesen UND fürchterlicher LaTeX-Code, sorry Luca 2026-07-21 14:05:25 +02:00
lugga 75b03ac7d6 letzte Typos korrigiert 2026-07-21 09:09:03 +02:00
lugga 434eb8a8e8 Merge branch 'main' of https://git.overleaf.com/6a416f7db9160d7da146ae2b 2026-07-20 17:09:55 +02:00
luggaandnode 55c2d10018 Update on Overleaf. 2026-07-20 15:09:54 +00:00
lugga 3d07b05424 änderungen mit Tobi 2026-07-20 16:59:01 +02:00
lugga c5ddc88e12 letzte Änderungen wegen LGS 2026-07-20 08:22:30 +02:00
lugga 7cc5c24d34 klammer zu viel entfernt 2026-07-18 09:15:01 +02:00
lugga 475eead503 kleinen Darstellungsfehler behiben 2026-07-18 07:50:02 +02:00
fierke 91383fd739 pdf: neuer Build weil warum nicht 2026-07-16 15:06:13 +02:00
lugga 19743a0a9f fachliches Gedöns in AB's gefixt und pdf(s) aktualisiert 2026-07-16 11:28:59 +02:00
lugga 307e7d4e5d Merge-Konflikt in galton.pdf gelöst (Version vom Server übernommen); Lucas fachliche Bredolien Integriert 2026-07-16 11:11:03 +02:00
lugga 6e8061b94d luca hat noch fachliche Bredolien behoben 2026-07-16 11:02:45 +02:00
fierke 3d9d0fd933 pdf: neue version 2026-07-16 09:38:48 +02:00
fierke e8c4de58b5 ab-Beschreibungen ergänzt weil mr. weidlich das nicht getan hat 2026-07-16 09:38:37 +02:00
fierke de39177e6a ab2 an herrn janik angepasst 2026-07-16 09:37:36 +02:00
fierke c09fc059ea Lösungsblatt für ab2 2026-07-16 09:36:46 +02:00
lugga 781f305a14 Kleine Fachliche Präzisierung 2026-07-15 15:45:07 +02:00
lugga aeec79dd48 kleine Schmenkerlis 2026-07-15 09:03:53 +02:00
lugga 8e5a863a2d Galton x Pascal _: Lösung überarbeitet 2026-07-15 07:59:41 +02:00
lugga 0d41a995c9 Galton x Pascal überarbeitet 2026-07-15 07:39:11 +02:00
fierke c9a1bbc2fb Anhang (Arbeitsblätter) hinzugefügt. Lösung fehlt. 2026-07-14 14:29:38 +02:00
fierke e09cd770a3 Einleitung verfasst 2026-07-14 13:40:56 +02:00
fierke cdcdf74dba fix: Nummerierung vereinheitlich 2026-07-14 13:22:46 +02:00
fierke aa2f34ec34 pdf: neue Versionen 2026-07-13 09:16:32 +02:00
fierke b82fdb5e9f Merge branch 'main' of https://git.mypapercloud.de/fierke/galtonbrett 2026-07-13 09:14:38 +02:00
fierke d8d343bd02 Koessler ist nun ein Buch, weil das irgendwo besser funktioniert 2026-07-13 09:13:11 +02:00
fierke 5609ae91df i dont know what i changed here 2026-07-13 09:12:43 +02:00
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+26 -1
View File
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isbn = {978-0-465-09760-9}
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@article{koessler-2006,
@book{koessler-2006,
author = {Wolfgang Kössler},
title = {Folien Stochastik},
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author = {Georgii, Hans-Otto},
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+92 -4
View File
@@ -1,8 +1,96 @@
\section{Anhang 1} % Der Anhangstitel sollte natürlich passend zum Inhalt gewählt werden. Hier könnte z.B. "Arbeitsmaterialien" oder "Weiterführende Ideen" stehen.
\section{Arbeitsblatt 1}
Die Schülerinnen und Schüler des Matheclubs befinden sich in der Regel in der 7ten bis zur
10ten Klasse. Nehmen wir an, dass man ab der 9ten Klasse erst beitreten kann,
beziehungsweise dieses Thema erst mit Neuntklässlern behandelt. Dann ist es angedacht, die
Aufgaben Schritt für Schritt aufeinander aufbauen zu lassen. Zunächst sollte jedoch der
Binomialkoeffizient Formal definiert werden. Das dient dann als Wiederholung oder auch der
Einführung.\\
Hier können Sie weitere Materialien, die für die Bearbeitung des Themas relevant sind, bereitstellen. Das können zum Beispiel Arbeitsblätter, Übungsaufgaben, Lösungen, weiterführende Literatur oder auch Links zu Online-Ressourcen sein.
Die Verbildlichung des Binomialkoeffizienten und des Pascalschen Dreiecks kann dabei helfen,
ein mathematisches Verständnis des Binomialkoeffizienten auszubauen mithilfe einer
rekursiven Vorschrift. Im Zuge dessen, kann zwischen den Blättern „Pascalsches Dreieck“ und
„Galton x Pascal“ ein kleiner Exkurs zu den binomischen Formeln unternommen werden, in
welchem genau die Binomialkoeffizienten vorkommen. Hierbei kann man die Verallgemeinerung
der binomischen Formel aufzeigen und als Vereinfachung dieser darstellen, damit man nicht viel
auswendig lernen oder anstrengend Klammern ausmultiplizieren muss.\\
Der Einstieg darin ist mit dem einfachen Berechnen des Binomialkoeffizienten gestaltet, wobei
die zwei Basisfälle $k = 0$ und $k = n$ besonders thematisiert werden, welche für die nachfolgenden
Aufgaben relevant sind. Da die Berechnung des Binomialkoeffizienten mit der gegebenen Formel
nicht besonders schwer ist, wird der Fokus eher auf die Basisfälle gelenkt.\\
Aus der Grundschule sind den Schülerinnen und Schülern sicherlich auch die
Aufgabenpyramiden bekannt, in welchen man ursprünglich mithilfe einer Vorschrift die
Pyramide von unten nach oben aufbaut. Hierbei wird die Pyramide jedoch von oben nach unten
aufgebaut mithilfe von Rekursion und ebenfalls dem zurückführen auf vorherberechneten
Ergebnissen.\\
Die Gleichheit der Pyramide und der Binomialkoeffizienten zeigen auf wie auf verschiedene
Weisen dasselbe Konstrukt (Pascalsches Dreieck) bestimmt werden können. Außerdem dient
das gleichzeitig als die oben etwas zu kurz geratene Wiederholung zur Berechnung der
Binomialkoeffizienten.\\
Die Zusatzaufgabe soll den Ansatz der Rekursion noch einmal verdeutlichen und eine
Verbindung zum Fach Informatik herstellen. Da man auch mit Computeralgorithmen
Zufallsexperimente darstellen und durchführen kann.\\
Auf dem nachfolgenden Blatt wird das Galtonbrett kurz und einfach von den Schülerinnen und
Schülern mithilfe weniger vorgaben modelliert. Sinnvoll ist es, vorher ein wenig das Realmodell
des Galtonbretts darzustellen. Beispielsweise mithilfe eines echten Galtonbretts für den
Schreibtisch, welches im Mathe Club einmal umhergereicht wird.\\
Das Einzeichnen der Pfade dient den Schülerinnen und Schülern als Verdeutlichung, wo die
Kugel entlang geht, und das Abzählen dient dem Ziel alle möglichen Pfade zu erkennen und
somit ein Verständnis dafür zu entwickeln. Dadurch wird ein mentales Modell entwickelt, in
welchem man ebenfalls kleine Galtonbretter sich vorstellen kann. Auch der Zusammenhang mit
der Anzahl möglicher Pfade und dem Pascalschen Dreieck soll dargestellt werden. Hierbei kann
auch ein \hyperref{https://youtu.be/UCmPmkHqHXk?si=aPdOp5CN0TVNWSuT\&t=186}{}{}{Video} bei welchem
der Zusammenhang bei großen Schwierigkeiten noch einmal auf eine andere Weise dargestellt
wird.\\
Die letzte Aufgabe des Blattes soll die Schülerinnen und Schüler in die Richtung der
Binomialverteilung leiten. Die dabei entstehende Formel kann aber auch mithilfe des gesamten
Kurses erarbeitet werden.
\includepdf[
pages=-,
frame=true,
scale=0.70,
pagecommand={\thispagestyle{plain}}
]{material/ab1.pdf}
\section{Anhang 2}
Wenn Sie verschiedene Materialien bereitstellen möchten, können Sie auch mehrere Anhänge erstellen. Achten Sie darauf, dass die Materialien gut strukturiert und leicht zugänglich sind, damit sie später gut nutzbar sind.
\section{Arbeitsblatt 2}
Dieses Aufgabenblatt soll einen außermathematischen Kontext darstellen, in welchem das
Galtonbrett zu finden ist. Im Stochastikunterricht werden häufig Glücksspiele analysiert, um
aufzuzeigen, dass diese in den meisten Fällen nicht fair sind. Bei Plinko ist es genauso und lässt
sich ebenso einordnen wie die Kontexte und Beispiele aus dem normalen Stochastikunterricht.\\
Zunächst sollen Hypothesen beziehungsweise Vermutungen aufgestellt werden, welche am
Ende des theoretischen Einblicks in die Binomialverteilung überprüft werden können. Darauf
zielen diese beiden Arbeitsblätter ab, damit ein Lebensweltbezug für die Schülerinnen und
Schüler gegeben wird, anhand dessen man das Galtonbrett rechtfertigen kann.\\
Die \hyperref{https://plinko-web-game.netlify.app/}{}{}{Simulation von Plinko} bietet für die Schülerinnen und Schüler zudem ein spaßiger
und nicht so trockner Einstieg in das Galtonbrett. Sinnvoll für die Durchführung und das
Überprüfen der Vermutungen könnte die Lehrkraft am Anfand der Stunde die Simulation auf
Automatisch stellen und dann kann man am Ende des Unterrichts schonmal eine Aussage über
die Fairness und den Erwartungswert des Spiels treffen.
\includepdf[
pages=-,
frame=true,
scale=0.70,
pagecommand={\thispagestyle{plain}}
]{material/ab2.pdf}
\section{Arbeitsblatt 3}
Im dritten Arbeitsblatt lernen die Schüler*innen das Galtonbrett konkret kennen und beweisen semi-formal den lokalen Grenzwertsatz.
\includepdf[
pages=-,
frame=true,
scale=0.70,
pagecommand={\thispagestyle{plain}}
]{material/ab3.pdf}
+7 -37
View File
@@ -1,39 +1,9 @@
Stellen Sie Ihre Arbeitsmaterialien hier dar.
Dies ist der zweitwichtigste Teil des Dokuments und soll (inhaltlich) auch den zweitgrößten Teil des Dokuments ausmachen. Da Arbeitsmatierialien inhaltlich sehr unterschiedlich sind, ist es schwierig, hier genaue Vorgaben zu machen. Eine Bastelanleitung mit Bastelbögen hätte ja z.B. eine ganz andere Struktur als eine Sammlung von Aufgaben und kann schnell ein paar Seiten umfassen...
Falls Sie Arbeitsmaterialien in separaten Dokumenten haben, erstellen Sie hier zumindest eine kurze Beschreibung der entsprechenden Materialien.
Ein paar Anregungen für die Arbeitsmaterialien (kommt natürlich auf das Thema an):
\begin{itemize}
\item Aufgaben
\item Musterlösungen bzw. Lösungsskizzen
\item Knobeleien
\item Basteleien
\end{itemize}
Bitte bedenken Sie, zumindest Lösungsskizzen zu den Aufgaben zu geben! Besser noch vollständige Musterlösungen. Als Lehrkraft ist es nicht immer einfach, die Lösungen schnell zu finden und das Dokument soll ja den Lehrkräften die Arbeit erleichtern.
% 1. Einführung/ Motivation (lustig/ spielerisch)
% Spiel von Tobi (gibts nicht auch so nen Glücksspiel?)
% https://plinko-web-game.netlify.app/ : wieso macht man im Schnitt minus?
% Pachinko-Automat: Wo einwefen für max Gewinn
% 2. Überleitung (interaktiv)
% Wabenaufgabe und Einführung über Pascallsches Dreieck, überführung Approx durch Normalverteilung: Tobi-AB
Der Einstieg erfolgt über die formale Definition des Binomialkoeffizienten, wobei der Fokus auf den einfachen Berechnungen und den beiden Basisfällen $k=0$ und $k=n$ liegt. Zur visuellen Unterstützung und zum Verständnis rekursiver Abläufe wird das Pascalsche Dreieck herangezogen. Ein kurzer in Form eines Unterrichtsgespräches geführter Exkurs zu den binomischen Formeln zeigt den Jugendlichen zudem praktisch, wie die BinomialkoeAizienten das Ausmultiplizieren von Klammern vereinfachen und das Auswendiglernen überflüssig machen.\\
% 3. Arbeitsmaterial ZSG (mathematisch Verständnisorientiert)
% wollen über eine Diskrete Verteilung eine stetige Kurve legen!
% Die Verteilung ist durch die Fakultät diskret, da diese nur für n\in N definiert ist
% 1 -> n! -> gamma Funktion -> Sterling Approx geben (Visuell!)
% 2 -> Vorfaktor "abschätzen"
% 3 -> potenzen Killen um E funktion zu gewinnen!
% ln und umformen (Klassenstufe! -> Anschätzung und Ergebnis vorgeben, nicht rechnen)
% Rücksubstitution machen
Das dritte Arbeitsblatt dient dem Beweis des zentralen Grenzwertsatzes von Movire-Laplace. Ziel ist es hierbei explizit nicht, dass die Schüler*innen den Beweis in jedem Detail, wie im Teil "Mathematischer Hintergrund", verstehen aber die Grundlegenden Argumentationen und mathematischen Tricks nachvollziehen. Außerdem ist vor allem das Beweisen etwas, dass im Rahmenlehrplan (\cite{lisum-2022} und \cite{lisum-2023}) nicht gefordert ist, wodurch es sich sehr gut für eine MatheAG oder Zusatzstunde handelt, in der Inhalte über den klassischen Unterricht hinaus behandelt werden.\\
Für das Arbeitsblatt sollten die Schüler*innen bereits mit der Binomialverteilung, Zufallsvariablen, Logarithmen sowie der e-Funktion vertraut sein und mit etwas Formalismus umgehen können. Tiefgreifende Kenntnisse zur Normalverteilung sind nicht vorausgesetzt und werden auf dem Arbeitsblatt in ausreichender Form wiederholt bzw. können selbständig aufbereitet werden. Es ist empfohlen mindestens das Arbeitsblätt \emph{Pascalsches Dreieck} und optimaler Weise auch noch das Arbeitsblatt \emph{Galton x Plinko} vorher bearbeitet zu haben, um das Konzept des Galtonbrettes und dessen Zusammenhang mit der Binomialverteilung verstanden zu haben.\\
Auf dem Arbeitsblatt wird die formale Modellierung des Galtonbrettes vorgestellt und soll durch eine Zuordnungsaufgabe durch die Schüler*innen vertieft werden. Im Anschluss soll der Bezug zwischen Binomial- und Normalverteilung wiederholt bzw. erarbeitet werden. Das Kernstück des Arbeitsblattes stellt der Lückentext-Ähnliche Beweis dar. Hier sollen die Schüler einige Mathematische Argumentationen nachvollziehen und einige Umformungen selbst durchführen, um den Beweis nachvollziehen zu können. Sollten die Schüler leistungsschwächer sein oder an einem Punkt fest Stecken gibt es zur Differenzierung Lösungskarten für die Lücken, welche den Schülern in nicht sortierter Reihenfolge zur Verfügung gestellt werden können.
Im weiteren Verlauf wird eine Brücke zu den aus der Grundschule bekannten Zahlenpyramiden geschlagen. Im Gegensatz zum klassischen Aufbau von unten nach oben wird hier eine Pyramide mithilfe von Rekursion von oben nach unten aufgebaut. Dieser Vergleich veranschaulicht, dass dasselbe mathematische Konstrukt (das Pascalsche Dreieck) auf verschiedenen Wegen berechnet werden kann. Eine Zusatzaufgabe zur Rekursion stellt zudem eine Verbindung zur Informatik und der Simulation von Zufallsexperimenten durch Computeralgorithmen her. \\
%Noch Checkfragen in den Beweis einbauen?
Der nächste Schritt widmet sich der Modellierung des Galtonbretts. Nach der Demonstration an einem realen Tischmodell (oder digitaler \href{https://www.arndt-bruenner.de/mathe/scripts/galtonbrett.htm}{Simmulation}) sowie dem Besprechen der Modellannahmen zeichnen die Schülerinnen und Schüler Pfade ein und zählen diese ab. Dies hilft ihnen, ein mentales Modell zu entwickeln und die Verbindung zwischen der Anzahl der Pfade und dem Pascalschen Dreieck zu verstehen. Die letzte Aufgabe führt die Gruppe schließlich kollaborativ an die Binomialverteilung heran, deren Formel gemeinsam im Kurs erarbeitet werden kann.\\
Das dritte Arbeitsblatt, \emph{Galton x LGS Movire-Laplace}, dient dem Beweis des lokalen Grenzwertsatzes von Movire-Laplace. Ziel ist es hierbei explizit nicht, dass die Schüler*innen den Beweis in jedem Detail, wie im Teil "Mathematischer Hintergrund", verstehen aber die Grundlegenden Argumentationen und mathematischen Tricks nachvollziehen. Außerdem ist vor allem das Beweisen etwas, dass im Rahmenlehrplan (\cite{lisum-2022} und \cite{lisum-2023}) nicht gefordert ist, wodurch es sich sehr gut für eine MatheAG oder Zusatzstunde handelt, in der Inhalte über den klassischen Unterricht hinaus behandelt werden.\\
Für das Arbeitsblatt sollten die Schüler*innen bereits mit der Binomialverteilung, Zufallsvariablen, Logarithmen sowie der e-Funktion vertraut sein und mit etwas Formalismus umgehen können. Tiefgreifende Kenntnisse zur Normalverteilung sind nicht vorausgesetzt und werden auf dem Arbeitsblatt in ausreichender Form wiederholt bzw. können selbständig aufbereitet werden. Es ist empfohlen mindestens das Arbeitsblätt \emph{Pascalsches Dreieck} und optimaler Weise auch noch das Arbeitsblatt \emph{Galton x Plinko} vorher bearbeitet zu haben, um das Konzept des Galtonbrettes und dessen Zusammenhang mit der Binomialverteilung verstanden zu haben.\\
Auf dem Arbeitsblatt wird die formale Modellierung des Galtonbrettes vorgestellt und soll durch eine Zuordnungsaufgabe durch die Schüler*innen vertieft werden. Im Anschluss soll der Bezug zwischen Binomial- und Normalverteilung wiederholt bzw. erarbeitet werden. Das Kernstück des Arbeitsblattes stellt der Lückentext-Ähnliche Beweis dar. Hier sollen die Schüler einige Mathematische Argumentationen nachvollziehen und einige Umformungen selbst durchführen, um den Beweis nachvollziehen zu können. Sollten die Schüler leistungsschwächer sein oder an einem Punkt fest Stecken gibt es zur Differenzierung Lösungskarten für die Lücken, welche den Schülern in nicht sortierter Reihenfolge zur Verfügung gestellt werden können.
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@@ -1,23 +1,16 @@
\textbf{Wichtig:} Dieses Dokument hier soll nicht mehr als 30 Seiten umfassen (mehr bitte nur nach Absprache).
\\[1em]
% großer Abstand
Ziel des Seminars ist die Ausarbeitung eines \glqq rundum-sorglos-Pakets\grqq \ für eine Einheit in einem Matheclub, einer Mathe-AG oder einer ähnlichen Veranstaltung an einem Gymnasium. Unter einer Einheit ist nicht zwingend eine Doppelstunde zu verstehen, aber eine Doppelstunde soll mindestens mit Inhalt gefüllt werden.
Das Galtonbrett zählt zu den bekanntesten Demonstrationsmodellen der Wahrscheinlichkeitsrechnung. Eine Vielzahl kleiner Kugeln fällt durch ein regelmäßiges Gitter von Stiften, wobei an jedem Hindernis zufällig entschieden wird, ob die Kugel nach rechts oder nach links fällt. Das Galtonbrett verbindet aufgrund des entstehenden charakteristischen Musters trotz der Zufälligkeit jeder einzelnen Entscheidung auf anschauliche Weise Zufall und Gesetzmäßigkeit.
Aus mathematischer Sicht bildet das Galtonbrett die Binomialverteilung ab, wobei sich die Verteilung mit zunehmender Anzahl an Stiftreihen einer Normalverteilung annähert. Das Verhalten steht in engem Zusammenhang mit dem zentralen Grenzwertsatz. Zur Beschreibung dieser Annäherung spielen außerdem die Fakultätsfunktion sowie die zugehörige Approximation durch die Stirling-Formel eine wichtige Rolle.
Das Galtonbrett stellt einen hohen didaktischen Wert dar, indem es ein anschauliches Experiment zu Grundkonzepten der Stochastik und Analysis und deren Verknüpfung liefert. Das Modell eignet sich besonders für den Einsatz in der Sekundarstufe II in Mathe-AGs und -clubs, in denen über den Unterricht hinausgehende Inhalte behandelt werden können. Insbesondere die Verbindung von praktischem Experiment, Simulation und theoretischer Herleitung ermöglicht einen vertieften Zugang zur Wahrscheinlichkeitstheorie.
Ziel der Ausarbeitung ist es, die mathematischen Grundlagen des Galtonbretts auf Hochschulniveau darzustellen und deren Zusammenhänge verständlich herzuleiten. Anschließend werden diese Inhalte auf das mathematische Vorwissen der Klassenstufe 10 bis 12 übertragen und didaktisch aufbereitet. Die entstehenden Arbeitsmaterialien ermöglichen den Schüler*innen einen vertieften Einblick in die mathematischen Hintergründe des Galtonbretts.
%\begin{enumerate}
% \item Es handelt sich um ein Zusatzangebot (Freizeit!) für die Schülerinnen und Schüler. Der Spaß an der Mathematik darf also auf keinen Fall zu kurz kommen.
% \item Mathclubs sind in der Regel nach Jahrgängen aufgeteilt. Bei uns sollen als Zielgruppe die Klassenstufen 9-12 angenommen werden. Wählen Sie sinnvoll eine Klassenstufe aus, für die sich ihr Thema eignet. Welche Voraussetzungen bringen die Schülerinnen und Schüler mit?
% \item Gehen Sie davon aus, dass Sie es mit motivierten Schülerinnen und Schülern zu tun haben. Die Kinder erwarten klare Argumente, Beweise, etc., die auch über den Lehrplan (deutlich) hinaus gehen.
% \item Überlegen Sie, woran Sie Spaß hätten. Seien Sie kreativ!
%\end{enumerate}
Besonders wichtig ist es die folgenden Punkte zu beachten:
\begin{enumerate}
\item Es handelt sich um ein Zusatzangebot (Freizeit!) für die Schülerinnen und Schüler. Der Spaß an der Mathematik darf also auf keinen Fall zu kurz kommen.
\item Mathclubs sind in der Regel nach Jahrgängen aufgeteilt. Bei uns sollen als Zielgruppe die Klassenstufen 9-12 angenommen werden. Wählen Sie sinnvoll eine Klassenstufe aus, für die sich ihr Thema eignet. Welche Voraussetzungen bringen die Schülerinnen und Schüler mit?
\item Gehen Sie davon aus, dass Sie es mit motivierten Schülerinnen und Schülern zu tun haben. Die Kinder erwarten klare Argumente, Beweise, etc., die auch über den Lehrplan (deutlich) hinaus gehen.
\item Überlegen Sie, woran Sie Spaß hätten. Seien Sie kreativ!
\end{enumerate}
Wir wollen eine Datenbank für Mathe-Clubs aufbauen. Daher ist eine einheitliche Struktur aller Datensätze zwingend erforderlich. Es sind somit einige technische Punkte zu beachten:
\begin{itemize}
\item Halten Sie sich bitte streng an die vorgegebene Latex-Vorlage (inklusive Ordner- und Dateistruktur).
\end{itemize}
Die Einleitung soll einen kurzen Überblick über den Inhalt des Dokuments geben. Sie soll den Leser neugierig machen und ihn dazu bringen, weiterzulesen. Hier gehören gegebenenfalls (nicht zwingend notwendig!) auch eine geschichtliche Einordnung und Anekdoten hinein (als Unterkapitel).
Binary file not shown.
+52 -48
View File
@@ -1,7 +1,7 @@
%"ltex.language": "de-DE"
\subsection{Beweis des zentralen Grenzwertsatzes}
Das Galtonbrett (nach Francis Galton) dient der Veranschaulichung der Binomialverteilung und der experimentellen Bestätigung vom zentralen Grenzwertsatz im Spezialfall der Binomialverteilung. Im Folgenden formalisieren wir den Weg einer Kugel durch das Brett als stochastischen Prozess mithilfe einer Binomialverteilung und Beweisen anschließend den zentralen Grenzwertsatz von Moivre-Laplace \cite{nahrstedt_monte-carlo-methode_2015}.
Das Galtonbrett (nach Francis Galton) dient der Veranschaulichung der Binomialverteilung und der experimentellen Bestätigung vom zentralen Grenzwertsatz im Spezialfall der Binomialverteilung. Im Folgenden formalisieren wir den Weg einer Kugel durch das Brett als stochastischen Prozess mithilfe einer Binomialverteilung und beweisen anschließend den (lokalen) zentralen Grenzwertsatz von Moivre-Laplace \cite{nahrstedt_monte-carlo-methode_2015}.
\begin{definition}[Modell des Galtonbretts]{galton}{nach \cite[S. 252-253]{buchter_elementare_2005}}
Sei $(\Omega, \mathcal{F}, P)$ ein Wahrscheinlichkeitsraum.
Der Fall einer Kugel durch ein Galtonbrett mit $n \in \mathbb{N}$ Reihen wird modelliert durch eine Folge von stochastisch unabhängigen und identisch verteilten Zufallsvariablen $X_1, X_2, \dots, X_n$, wobei $X_i \in \{0, 1\}$.
@@ -72,27 +72,29 @@ Anschließend ist folgendes zu bemerken:
Daher gilt $S_n \sim \mathcal{B}in_{n,p}$
\end{satz}
\begin{proof}
Nach \cref{bem:XiB} und \cref{def:Sn} ist $S_n$ die Summe von $n$ unabhängigen Bernoulliverteilten Zufallsvariablen $X_i \sim \mathcal{B}_p$. Also stellt $S_n$ die Anzahl der Erfolge von n-Wiederholungen von unabhängigen identisch Bernoulliverteilten Zufallsexperimenten dar.
Nach \cref{bem:XiB} und \cref{def:Sn} ist $S_n$ die Summe von $n$ unabhängigen Bernoulliverteilten Zufallsvariablen $X_i \sim \mathcal{B}_p$. Also stellt $S_n$ die Anzahl der Erfolge von n-Wiederholungen von unabhängigen identisch bernoulliverteilten Zufallsexperimenten dar.
Daraus folgt, dass das Galtonbrett mit der Zufallsvariable $S_n$ ein Binomialmodell nach \cref{def:binModell} darstellt und somit die Binomialverteilung nach \cref{def:binZähldichte} eine Zähldichte definiert. Daher gilt: $S_n \sim \mathcal{B}in_{n,p}$.
\end{proof}
Eine weitere in diesem Kontext interessante Verteilung ist die Normalverteilung.
\begin{definition}[Normalverteilung]
\begin{definition}[Normalverteilung]{norm}{\cite{kosenkova_stochastik_2025}}
Sei $X$ eine stetige Zufallsvariable mit Dichte
\[ f(x)= \frac{1}{\sqrt{2\pi \sigma ^2}}\cdot e^{-\frac{\left( x-\mu \right)^2}{2\sigma ^2}}\]
\[ f_\mathcal{N(\mu, \sigma^2)}(x)= \frac{1}{\sqrt{2\pi \sigma ^2}}\cdot e^{-\frac{\left( x-\mu \right)^2}{2\sigma ^2}}\]
und Parametern $\mu \in \mathbb{R}, \sigma > 0$, wobei $\mu$ den Erwartungswert und $\sigma ^2$ die Varianz von $X$ darstellt, so nennt man $X$ \emph{Normalverteilt} und schreibt:
\[ X \sim \mathcal{N}(\mu, \sigma ^2)\]
Die Dichte der Normalverteilung wird auch ``Gauß’sche Glockenkurve'' genannt.
\end{definition}
Für große $n$ wird die direkte Berechnung der Binomialverteilung aufgrund der Fakultäten sehr aufwendig. An dieser Stelle greift der zentrale Grenzwertsatz, der besagt, dass sich die Binomialverteilung für große $n$ der Normalverteilung annähert. Für große $n$ lässt sich damit die Wahrscheinlichkeit eines Ereignisses (aufgrund der Standardisierung) deutlich leichter bestimmen. Des Weiteren ist es mathematisch gesehen sehr schön zu sehen, wie eine relativ einfache diskrete Verteilung, wie die Binomialverteilung, mit einer mathematisch per sehr anders aussehenden Verteilung zusammenhängt. Im Spezialfall der Binomialverteilung wird dies durch den Satz von Moivre-Laplace formalisiert \cite{nahrstedt_monte-carlo-methode_2015, statistik_verstehen_beweis_2019}.
\begin{satz}[Zentraler Grenzwertsatz von de Moivre-Laplace]{moivrelaplace}{nach \cite{kosenkova_stochastik_2025}}
Sei $S_n \sim \mathcal{B}in_{n,p}$ die Anzahl der Erfolge bei $n$ unabhängigen Bernoulli-Versuchen mit Erfolgswahrscheinlichkeit $p \in (0, 1)$ und sei $q = 1-p$. Für große $n$ lässt sich die Wahrscheinlichkeit, dass $S_n$ den Wert $k \in \{x| x \in\mathbb{N}_0 \land x \leq n\}$ annimmt, durch die Dichtefunktion der Normalverteilung annähern:
Es ist mathematisch gesehen sehr schön zu sehen, wie eine relativ einfache diskrete Verteilung, wie die Binomialverteilung, mit einer mathematisch per se sehr anders aussehenden Verteilung zusammenhängt. Im Spezialfall der Binomialverteilung wird dies durch den Lokalen Grenzwertsatz von Moivre-Laplace formalisiert \cite{nahrstedt_monte-carlo-methode_2015, statistik_verstehen_beweis_2019}.
\begin{satz}[Lokaler Grenzwertsatz von de Moivre-Laplace]{moivrelaplace}{nach \cite{georgii_stochastik_2015}}
Sei $S_n \sim \mathcal{B}in_{n,p}$ die Anzahl der Erfolge bei $n$ unabhängigen Bernoulli-Versuchen mit Erfolgswahrscheinlichkeit $p \in (0, 1)$ und sei $q = 1-p$. Dann gilt bei einem beliebigen $c>0$ mit $z=\frac{k-np}{\sqrt{npq}}$, dass
\[
P(S_n = k) \sim \mathcal{N}(\mu,\sigma ^2)
\lim_{n \to \infty} \mathop{\max}\limits_{k:|z|\leq c} \left|\frac{P(S_n=k)}{f_\mathcal{N}(\mu, \sigma^{2})}(k)\right| = 1
\]
wobei $\mathbb{E}(X)=\mu$, $Var(X)=\sigma ^2 < \infty$ und $\frac{k-np}{\sqrt{npq}}$ begrenzt ist.
\end{satz}
In der Literatur wird allgemein vom Satz von Moivre-Laplace gesprochen, wenn die Approximation der Binomial- durch die Normalverteilung gemeint ist \cite{statistik_verstehen_beweis_2019}. Mathematisch präzise muss jedoch zwischen dem globalen und dem lokalen Grenzwertsatz unterschieden werden \cite{georgii_stochastik_2015, kosenkova_stochastik_2025}. Wir beweisen im Folgenden den lokalen Grenzwertsatz, der das (lokale) Annähern des ``oberen Randes'' des Histogramms der Binomialverteilung an die Glockenkurve beschreibt \cite{georgii_stochastik_2015}. Hierbei wird \emph{nicht} die Approximation der Binomial- durch die Normalverteilung bewiesen.
\begin{proof}
Der Beweis folgt zum großen Teil dem Beweis von \cite{statistik_verstehen_beweis_2019} und wurde von den Autoren weiter konkretisiert.\\
Der Beweis basiert im Wesentlichen auf drei Approximationen: Der Stirling-Formel für die Fakultäten, der Vereinfachung der Wurzelausdrücke für große $n$, sowie der Taylor-Entwicklung des natürlichen Logarithmus zur Herleitung der Exponentialfunktion. Diese drei Approximationen werden in diesem Beweis als wahr angenommen, jedoch in der folgenden Arbeit weiter analysiert und bewiesen.
Der Beweis folgt zum großen Teil dem Beweis von \cite{statistik_verstehen_beweis_2019} und wurde von den Autoren aufgrund der Konkretisierung des Satzes \cite{georgii_stochastik_2015} weiter konkretisiert.\\
Der Beweis basiert im Wesentlichen auf drei Approximationen: Der Stirling-Formel für die Fakultäten, der Vereinfachung der Wurzelausdrücke für große $n$, sowie der Taylor-Entwicklung des natürlichen Logarithmus zur Herleitung der Exponentialfunktion. Diese drei Approximationen werden in diesem Beweis als wahr angenommen, jedoch in der folgenden Arbeit weiter analysiert und bewiesen.\\
Sei $k \in \{0,1,\dots,n\}$ und $\frac{k-np}{\sqrt{npq}}$ durch $c$ begrenzt sowie $\mathbb{E}(S_n)=\mu$, $Var(S_n)=\sigma ^2 < \infty$.\\
\textbf{1. Anwendung der Stirling-Formel:} \\
Wir beginnen mit der Definition der Binomialwahrscheinlichkeit:
@@ -114,7 +116,7 @@ Für große $n$ wird die direkte Berechnung der Binomialverteilung aufgrund der
\end{itemize}
\textbf{2. Substitution und Approximation der Wurzeln:} \\
In diesem Teil des Beweises werden O-Notationen verwendet und ein grundlegendes Verständnis dieser vorausgesetzt.\\
Um das Breiter werden der Verteilung und das Abwandern des Erwartungswertes zu verhindern standardisieren wir die Zufallsvariable, indem wir
Um das Breiterwerden der Verteilung und das Abwandern des Erwartungswertes zu verhindern standardisieren wir die Zufallsvariable, indem wir
\[
Z_n=\frac{S_n-E(S_n)}{\sigma(S_n)}
\]
@@ -148,7 +150,7 @@ Für große $n$ wird die direkte Berechnung der Binomialverteilung aufgrund der
Im Folgenden werden die nummerierten Schritte der Gleichungsketten erläutert:
\begin{itemize}
\item[(\ref{eq4:1})] Die Approximation verwenden.
\item[(\ref{eq4:2})] $n$ Kürzen und die Potenz-/Wurzelgesetze anwenden, um den Bruch zu vereinfachen.
\item[(\ref{eq4:2})] $n$ kürzen und die Potenz-/Wurzelgesetze anwenden, um den Bruch zu vereinfachen.
\item[(\ref{eq4:3})] Den Kehrwert der Brüche bilden und die Wurzeln zusammenfassen.
\end{itemize}
Es ist bereits der korrekte konstante Faktor der gaußschen Glockenkurve erkennbar.\\
@@ -192,12 +194,12 @@ Für große $n$ wird die direkte Berechnung der Binomialverteilung aufgrund der
\ln\left(1 - z\sqrt{\frac{p}{nq}}\right) &\sim -z\sqrt{\frac{p}{nq}} - \frac{\left(z\sqrt{\frac{p}{nq}}\right)^2}{2} + O((-z\gamma)^3) \\
&= -z\sqrt{\frac{p}{nq}} - \frac{z^2 p}{2nq} + O((z\gamma)^3) &&\text{"-" fällt wegen O weg}
\end{align*}
Setzen wir dies nun zurück in \cref{eq5:3} ein, erhalten wir:
Setzen wir dies nun zurück in \cref{eq5:4} ein, erhalten wir:
\begin{align}
&(-np - z\sqrt{npq}) \ln\left(1+z\sqrt{\frac{q}{np}}\right) + (-nq + z\sqrt{npq}) \ln\left(1-z\sqrt{\frac{p}{nq}}\right)+O(z^3) \nonumber \\
&=(-np - z\sqrt{npq})(z\sqrt{\frac{q}{np}} - \frac{z^2 q}{2np} + O((z\beta)^3)) \nonumber \\ &\quad + (-nq + z\sqrt{npq}))(-z\sqrt{\frac{p}{nq}} - \frac{z^2 p}{2nq} + O((z\gamma)^3)) + O(z^3) \nonumber \\
&=(-npz\sqrt{\frac{q}{np}}+\frac{npz^2q}{2np}-z^2\sqrt{npq}\sqrt{\frac{q}{np}} + O((z\beta)^3)) + O(z^3) \nonumber\\ &\quad + (nqz\sqrt{\frac{p}{nq}}+\frac{nqz^2p}{2nq}-z^2\sqrt{npq}\sqrt{\frac{p}{nq}} + O((z\gamma)^3))\nonumber \\ &\quad + (-np - z\sqrt{npq}) \cdot O((z\beta)^3) + (-nq + z\sqrt{npq}) \cdot O((z\gamma)^3)\label{eq6:1}\\
&=(-z\sqrt{\frac{(np)^2q}{np}}+\frac{z^2q}{2}-z^2\sqrt{\frac{npq^2}{np}}+O((z\beta)^3)) \nonumber \\ &\quad + (z\sqrt{\frac{(nq)^2p}{nq}}+\frac{z^2p}{2}-z^2\sqrt{\frac{np^2q}{nq}} + O((z\gamma)^3)) \nonumber \\ &\quad + (-np - z\sqrt{npq}) \cdot O((z\beta)^3) + (-nq + z\sqrt{npq}) \cdot O((z\gamma)^3) \label{eq6:2}\\
&(-np - z\sqrt{npq}) \ln\left(1+z\sqrt{\frac{q}{np}}\right) + (-nq + z\sqrt{npq}) \ln\left(1-z\sqrt{\frac{p}{nq}}\right) \nonumber \\
&=(-np - z\sqrt{npq})(z\sqrt{\frac{q}{np}} - \frac{z^2 q}{2np} + O((z\beta)^3)) \nonumber \\ &\quad + (-nq + z\sqrt{npq})(-z\sqrt{\frac{p}{nq}} - \frac{z^2 p}{2nq} + O((z\gamma)^3)) \nonumber \\
&=(-npz\sqrt{\frac{q}{np}}+\frac{npz^2q}{2np}-z^2\sqrt{npq}\sqrt{\frac{q}{np}} + O((z\beta)^3)) + O\left(\frac{1}{\sqrt{n}}\right) \nonumber\\ &\quad + (nqz\sqrt{\frac{p}{nq}}+\frac{nqz^2p}{2nq}-z^2\sqrt{npq}\sqrt{\frac{p}{nq}} + O((z\gamma)^3))\nonumber \\ &\quad + (-np - z\sqrt{npq}) \cdot O((z\beta)^3) + (-nq + z\sqrt{npq}) \cdot O((z\gamma)^3)\label{eq6:1}\\
&\sim(-z\sqrt{\frac{(np)^2q}{np}}+\frac{z^2q}{2}-z^2\sqrt{\frac{npq^2}{np}}+O((z\beta)^3)) \nonumber \\ &\quad + (z\sqrt{\frac{(nq)^2p}{nq}}+\frac{z^2p}{2}-z^2\sqrt{\frac{np^2q}{nq}} + O((z\gamma)^3)) \nonumber \\ &\quad + (-np - z\sqrt{npq}) \cdot O((z\beta)^3) + (-nq + z\sqrt{npq}) \cdot O((z\gamma)^3) \label{eq6:2}\\
&=(-z\sqrt{npq}-z^2q+\frac{z^2q}{2} + O((z\beta)^3)) + (z\sqrt{npq}-z^2p+\frac{z^2p}{2} + O((z\gamma)^3))\nonumber \\ &\quad + (-np - z\sqrt{npq}) \cdot O((z\beta)^3) + (-nq + z\sqrt{npq}) \cdot O((z\gamma)^3)\label{eq6:3} \\
&\sim (-z\sqrt{npq}-\frac{z^2q}{2}) + (z\sqrt{npq}-\frac{z^2p}{2})\label{eq6:4}\\
&=-\frac{z^2q}{2}-\frac{z^2p}{2} = -\frac{z^2}{2}(p+q) \label{eq6:5}\\
@@ -205,10 +207,10 @@ Für große $n$ wird die direkte Berechnung der Binomialverteilung aufgrund der
\end{align} %(-np - z\sqrt{npq}) \cdot O((z\beta)^3) + (-nq + z\sqrt{npq}) \cdot O((z\gamma)^3)
Im Folgenden werden die nummerierten Schritte der Gleichungsketten erläutert:
\begin{itemize}
\item[(\ref{eq6:1})] Das Distributivgesetz anwenden.
\item[(\ref{eq6:2})] $np$ und $nq$ mithilfe des Quadrates in die Wurzel ziehen, sowie Kürzen und Wurzeln zusammenfassen. Alle Terme mit $z^3$ werden von $O(z^3)$ nach dessen Definition "absorbiert".
\item[(\ref{eq6:3})] $np$ und $nq$ in den Wurzeln Kürzen und Kommutativgesetz anwenden.
\item[(\ref{eq6:4})] Die Landau Terme können vernachlässigt werden, da diese Terme für $n\rightarrow\infty$ gegen 0 gehen, sofern $z$ beschränkt ist. Betrachte Hierzu \cref{lem:restterme} und \cref{prop:restterme2}.
\item[(\ref{eq6:1})] Das Distributivgesetz anwenden. Alle Terme die zu $O\left(\frac{1}{\sqrt{n}}\right)$ passen, werden nach dessen Definition "absorbiert".
\item[(\ref{eq6:2})] $np$ und $nq$ mithilfe des Quadrates in die Wurzel ziehen, sowie Kürzen und Wurzeln zusammenfassen. Außerdem gilt trivialerweise, dass $O\left(\frac{1}{\sqrt{n}}\right) \xrightarrow{n \rightarrow \infty} 0$
\item[(\ref{eq6:3})] $np$ und $nq$ in den Wurzeln Kürzen und Kommutativgesetz anwenden.
\item[(\ref{eq6:4})] Die Landau Terme können vernachlässigt werden, da diese Terme für $n\rightarrow\infty$ gegen 0 gehen, da $z$ beschränkt ist. Betrachte Hierzu \cref{lem:restterme} und \cref{prop:restterme2}.
\item[(\ref{eq6:5})] $-z\sqrt{npq}+z\sqrt{npq}=0$ und Distributivgesetz (invers) anwenden.
\item[(\ref{eq6:6})] Es gilt $p+q=1$, da $q = 1-p$ definiert wurde.
\end{itemize}
@@ -217,52 +219,52 @@ Für große $n$ wird die direkte Berechnung der Binomialverteilung aufgrund der
P(S_n = k) &\sim \frac{1}{\sqrt{2\pi npq}}e^{-\frac{z^2}{2}} \nonumber \\
&= \frac{1}{\sqrt{2\pi npq}}e^{-\frac{\left(\frac{k-np}{\sqrt{npq}}\right)^2}{2}} \label{eq7:1} \\
&= \frac{1}{\sqrt{2\pi npq}}e^{\left(-\frac{(k-np)^2}{2npq}\right)} \label{eq7:2} \\
&= \mathcal{N}(np)(npq) = \mathcal{N}(\mu)(\sigma^2) \label{eq7:3}
&= \frac{1}{\sqrt{2\pi \sigma^2}}e^{\left(-\frac{(k-\mu)^2}{2\sigma^2}\right)} \label{eq7:3} \\
&= f_{\mathcal{N}(\mu, \sigma^2)}(k) \label{eq7:4}
\end{align}
Im Folgenden werden die nummerierten Schritte der Gleichungsketten erläutert:
\begin{itemize}
\item[(\ref{eq7:1})] Rücksubstitution der Standardisierung.
\item[(\ref{eq7:2})] Der Bruch wurde quadriert und zusammengefasst.
\item[(\ref{eq7:3})] Definition der Standardnormalverteilung angewendet.
\item[(\ref{eq7:3})] Definition von $\mu$ und $\sigma$ angewendet.
\item[(\ref{eq7:4})] Definition der Dichtefunktion angewendet.
\end{itemize}
Daher konvergiert eine binomialverteilte Zufallsvariable (für $n\rightarrow\infty$) gegen die Dichtefunktion der Normalverteilung.
Da wir hiermit gezeigt haben, dass $P(S_n = k) \sim f_{\mathcal{N}(\mu, \sigma^2)}(k)$ für alle $k$ gilt, deren standardisierte Abweichung $z$ beschränkt bleibt ($|z| \le c$), folgt daraus direkt die asymptotische Gleichheit. Das bedeutet für den Quotienten aus exakter Wahrscheinlichkeit und approximierter Dichte, dass er im betrachteten Intervall gleichmäßig gegen $1$ konvergiert.\\
Zusammenfassend lässt sich festhalten: Die Zähldichte einer binomialverteilten Zufallsvariable nähert sich für $n \to \infty$ im Bereich um den Erwartungswert punktweise der Dichtefunktion der Normalverteilung an.
\end{proof}
\begin{lemma}[Asymptotisches Verschwinden der Taylor-Restterme mit Präfix]{restterme}
Seien $p \in (0,1)$, $q = 1-p$ und $z$ Werte einer standardisierten, binomialverteilten Zufallsvariable wobei z begrenzt ist. Für die Restterme der Taylor-Entwicklung des Logarithmus multipliziert mit ihren jeweiligen Vorfaktoren gilt für $n \rightarrow \infty$:
Seien $p \in (0,1)$, $q = 1-p$ und $z=\frac{k-np}{\sqrt{npq}}$ Werte einer standardisierten, binomialverteilten Zufallsvariable wobei $z$ durch ein $c$ begrenzt ist. Für die Restterme der Taylor-Entwicklung des Logarithmus multipliziert mit ihren jeweiligen Vorfaktoren gilt für $n \rightarrow \infty$:
\[
(-np - z\sqrt{npq}) \cdot O((z\beta)^3) + (-nq + z\sqrt{npq}) \cdot O((z\gamma)^3) \xrightarrow{n \rightarrow \infty} 0
\]
wobei $\beta = \sqrt{\frac{q}{np}}$ und $\gamma = \sqrt{\frac{p}{nq}}$ definiert sind.
wobei $\beta := \sqrt{\frac{q}{np}}$ und $\gamma := \sqrt{\frac{p}{nq}}$ definiert sind.
\end{lemma}
\begin{proof}
Da $z$ begrenzt ist, gilt: $ \exists M \in \mathbb{N}: |z|<M$.
Da $z$ begrenzt ist, gilt: $|z|<c$.
Wir betrachten exemplarisch den ersten Summanden (der zweite Verhält sich vollkommen analog). Da $\beta = \sqrt{\frac{q}{np}}$, verhält sich der Restterm dritter Ordnung bezüglich $n$ wie folgt:
\[
O((z\beta)^3) = O\left(z^3\cdot\left(\sqrt{\frac{q}{np}}\right)^3\right) = O\left(\frac{M^3 q^{3/2}}{p^{3/2}}\cdot\frac{1}{n^{3/2}}\right) = O\left(n^{-3/2}\right)
O((z\beta)^3) = O\left(z^3\cdot\left(\sqrt{\frac{q}{np}}\right)^3\right) = O\left(\frac{c^3 q^{3/2}}{p^{3/2}}\cdot\frac{1}{n^{3/2}}\right) = O\left(n^{-3/2}\right)
\]
Nach der Definition der Landau-Notation existiert für hinreichend große $n$ eine Konstante $C > 0$, sodass der Betrag dieses Restterms durch $C \cdot n^{-3/2}$ nach oben beschränkt ist.
Nach der Definition der Landau-Notation existiert für hinreichend große $n$ eine Konstante $M > 0$, sodass der Betrag dieses Restterms durch $M \cdot n^{-3/2}$ nach oben beschränkt ist.
Multiplizieren wir dies mit dem Betrag des Vorfaktors, erhalten wir mithilfe der Dreiecksungleichung:
\begin{align*}
\left| (-np - z\sqrt{npq}) \cdot O(n^{-3/2}) \right| &\leq (np + |z|\sqrt{npq}) \cdot C \cdot n^{-3/2} \\
&= C \cdot np \cdot n^{-3/2} + C \cdot |z|\sqrt{npq} \cdot n^{-3/2} \\
&= C \cdot p \cdot \frac{1}{\sqrt{n}} + C \cdot |z|\sqrt{pq} \cdot \frac{1}{n}
\left| (-np - z\sqrt{npq}) \cdot O(n^{-3/2}) \right| &\leq (np + |z|\sqrt{npq}) \cdot M \cdot n^{-3/2} \\
&= M \cdot np \cdot n^{-3/2} + M \cdot |z|\sqrt{npq} \cdot n^{-3/2} \\
&= M \cdot p \cdot \frac{1}{\sqrt{n}} + M \cdot |z|\sqrt{pq} \cdot \frac{1}{n}
\end{align*}
Da $C, p, q$ und $z$ in diesem Fall von $n$ unabhängige Konstanten sind und $n$ im Nenner unbegrenzt wächst, strebt dieser Ausdruck für $n \to \infty$ gegen:
Da $M, p, q$ und $z$ in diesem Fall von $n$ unabhängige Konstanten sind und $n$ im Nenner unbegrenzt wächst, strebt dieser Ausdruck für $n \to \infty$ gegen:
\[
0 + 0 = 0
\]
Für den zweiten Term mit $\gamma$ erfolgt der Beweis völlig analog, womit die Summe beider Terme ebenfalls gegen $0$ konvergiert.
\end{proof}
Folgende Proposition ist leicht aus dem oberen Beweis ableitbar (aufgrund der Abschätzung mit $n^{-3/2}$ und der Betrachtung von z als beschränkt) und wird daher nicht separat bewiesen.
Folgende Proposition ist leicht aus dem oberen Beweis ableitbar (aufgrund der Abschätzung mit $n^{-3/2}$ und der Betrachtung von $z$ als beschränkt) und wird daher nicht separat bewiesen.
\begin{proposition}[Asymptotisches Verschwinden der Taylor-Restterme ohne Präfix]{restterme2}
Seien $p \in (0,1)$, $q = 1-p$ und $z$ Werte einer standardisierten, binomialverteilten Zufallsvariable wobei $z$ begrenzt ist. Für die Restterme der Taylor-Entwicklung des Logarithmus gilt für $n \rightarrow \infty$:
Seien $p \in (0,1)$, $q = 1-p$ und $z$ Werte einer standardisierten, binomialverteilten Zufallsvariable wobei $z$ durch ein $c$ begrenzt ist. Für die Restterme der Taylor-Entwicklung des Logarithmus gilt für $n \rightarrow \infty$:
\[
O((z\beta)^3) + O((z\gamma)^3) \xrightarrow{n \rightarrow \infty} 0
\]
\[
O(z^3) \xrightarrow{n \rightarrow \infty} 0
\]
wobei $\beta = \sqrt{\frac{q}{np}}$ und $\gamma = \sqrt{\frac{p}{nq}}$ definiert sind.
\end{proposition}
@@ -284,9 +286,10 @@ Die Gamma-Funktion berechnet wie folgt die Fakultät in $\mathbb{N}$:
\Gamma(n+1)=n!
\]
\end{satz}
Ein Beweis hierzu befindet sich in \cite{forster_analysis_2023}.
\subsection{Stirling-Approximation}
Die Stirling-Approximation ist eine mathematische Näherung zur Berechnung der Fakultät einer Zahl. Die Approximation ist vorallem in der Stochastik und der statistischen Physik ein unverzichtbares Werkzeug. Wir schauen sie daher im Folgenden im Detail an.
Die Stirling-Approximation ist eine mathematische Näherung zur Berechnung der Fakultät einer Zahl. Die Approximation ist vor allem in der Stochastik und der statistischen Physik ein unverzichtbares Werkzeug. Wir schauen sie daher im Folgenden im Detail an.
\begin{satz}[Stirlingformel]{stirlingformel}{\cite{freitag1995-oj}}
Für $n\mapsto\infty$ gilt nach \textsc{Stirlings} Approximation, dass
\[
@@ -318,7 +321,7 @@ Die Stirling-Approximation ist eine mathematische Näherung zur Berechnung der F
=&\frac{2n+1}{2}\ln(\frac{n+1}{n})-1\\
=&(2n+1)\cdot\frac{1}{2}\ln\frac{1+\frac{1}{2n+1}}{1-\frac{1}{2n1}}-1
\end{align*}
Für $-1<x<1$ gilt allgemein
Wegen der Potenzreihenentwicklung des Logarithmus gilt für $-1<x<1$ gilt allgemein
\begin{align*}
\ln(1+x)&=\sum_{i=1}^{\infty}{(-1)^{i+1}\frac{x^i}{i}}\\
\ln(1-x)&=\sum_{i=1}^{\infty}{(-1)^{i+1}\frac{(-x)^i}{i}}\\
@@ -363,7 +366,7 @@ Die Stirling-Approximation ist eine mathematische Näherung zur Berechnung der F
&\left(d_n-\frac{1}{12n}\right)-\left(d_{n+1}-\frac{1}{12(n+1)}\right)\\
<\quad0\quad<\quad&\left(d_n-\frac{1}{12n+1}\right)-\left(d_{n+1}-\frac{1}{12(n+1)+1}\right)
\end{align*}
folgt, dass die Folge $\left\{d_n-\frac{1}{12n+1}\right\}$ monton fallend, die Folge $\left\{d_n-\frac{1}{12n}\right\}$ monoton wachsend ist. Beide Folgen haben dabei den Grenzwert $c:=\lim d_n$.
folgt, dass die Folge $\left\{d_n-\frac{1}{12n+1}\right\}$ monoton fallend, die Folge $\left\{d_n-\frac{1}{12n}\right\}$ monoton wachsend ist. Beide Folgen haben dabei den Grenzwert $c:=\lim_{n\rightarrow\infty} d_n$.
\begin{align*}
d_n-\frac{1}{12n}\quad&<\quad c\quad<\quad d_n-\frac{1}{12n+1}\\
c+\frac{1}{12n+1}\quad&<\quad d_n\quad<\quad c+\frac{1}{12n}
@@ -382,6 +385,7 @@ Die Stirling-Approximation ist eine mathematische Näherung zur Berechnung der F
e^c e^{\frac{1}{12n+1}} &< n! \left(\frac{n}{e}\right)^{-n} n^{-\frac{1}{2}} < e^c e^{\frac{1}{12n}} \\
e^c \sqrt{n} \left(\frac{n}{e}\right)^n e^{\frac{1}{12n+1}} &< n! < e^c \sqrt{n} \left(\frac{n}{e}\right)^n e^{\frac{1}{12n}}
\end{align*}
Die Ungleichung bleibt aufgrund der Monotonie der $e$-Funktion bestehen.\\
Es bleibt zu zeigen, dass
\[
e^c=\sqrt{2\pi}
@@ -408,7 +412,7 @@ Die Stirling-Approximation ist eine mathematische Näherung zur Berechnung der F
\begin{align*}
&& 0 &< x < \frac{\pi}{2} \\
&\Rightarrow & 0 &< \sin x < 1 \\
&\Rightarrow & \sin^{2n-1} x &> \sin^{2n} x > \sin^{2n+1} x \\
&\Rightarrow & \sin^{2n+1} x &< \sin^{2n} x < \sin^{2n-1} x \\
&\Rightarrow & I_{2n-1} &> I_{2n} > I_{2n+1} \\
&\Rightarrow & \frac{I_{2n-1}}{I_{2n+1}} &> \frac{I_{2n}}{I_{2n+1}} > 1 \\
&\Rightarrow & \frac{2n+1}{2n} &> \frac{1 \cdot 3 \cdot 3 \cdot 5 \cdot 5 \cdot 7 \cdots (2n-1) \cdot (2n+1)}{2 \cdot 2 \cdot 4 \cdot 4 \cdot 6 \cdot 6 \cdots (2n) \cdot (2n)} \cdot \frac{\pi}{2} > 1 \\
@@ -416,7 +420,7 @@ Die Stirling-Approximation ist eine mathematische Näherung zur Berechnung der F
&\Rightarrow & \frac{\pi}{2} &= \lim \left( \frac{2 \cdot 4 \cdot 6 \cdots (2n)}{1 \cdot 3 \cdot 5 \cdots (2n-1)} \right)^2 \cdot \frac{1}{2n+1} \\
&& &= \lim \frac{2^{4n} (n!)^4}{((2n)!)^2 (2n+1)}
\end{align*}
Es ist also für $\lim_{n\rightarrow\infty}{\alpha_n}=\lim_{n\rightarrow\infty}{\beta_n}=0$:
Es ist also für zwei gegen $0$ konvergierende Terme $\lim_{n\rightarrow\infty}{\alpha_n}=\lim_{n\rightarrow\infty}{\beta_n}=0$:
\begin{align*}
n!&=e^c\sqrt{n}n^ne^{-n}e^{\alpha_n}\\
(2n)!&=e^c\sqrt{2n}2^{2n}n^{2n}e^{-2n}e^{\beta_n}
@@ -484,7 +488,7 @@ Der Beweis entspricht im wesentlichen dem 2006 von Wolfgang Kössler geführten
%\end{proof}
\subsection{Taylor-Approximation}
Um eine Taylorpproximation für eine Funktion zu finden, müssen wir zunächst nachweisen, dass die Funktion die wir approximieren wollen, $(n+1)$-mal differenzierbar ist. Da wir unsere Approximation nach dem quadratischen Term abbrechen werden genügt es zu zeigen, dass $\ln(1-x)$ dreimal differenzierbar ist. Da $\ln(1-x)$ sogar unendlich oft differenzierbar ist, ist diese Aussage trivial.
Um eine Taylorapproximation für eine Funktion zu finden, müssen wir zunächst nachweisen, dass die Funktion die wir approximieren wollen, $(n+1)$-mal differenzierbar ist. Da wir unsere Approximation nach dem quadratischen Term abbrechen werden genügt es zu zeigen, dass $\ln(1-x)$ dreimal differenzierbar ist. Da $\ln(1-x)$ sogar unendlich oft differenzierbar ist, ist diese Aussage trivial.
\begin{proposition}{dreimalableiten}
$f(x)=\ln(1-x)$ ist mindestens dreimal differenzierbar.
\end{proposition}
@@ -505,7 +509,7 @@ Bevor wir die Approximation nachweisen, ist eine formale Definition des Satzes
\begin{bemerkung}
Das Lagrange-Restglied ist in den meisten Fällen eine Funktion vom Grad $n+1$, aufgrund des letzten Faktors. Es kann aber auch sein, dass das Lagrange-Restglied das Nullpolynom ist, je nach Wahl von $\xi$ und der Auswertung von der $n+1$-ten Ableitung von $f$ an der Stelle $\xi$.
Dadurch können wir das Restglied auch auffassen als ein Element von $O(x^{n+1})$. Nach der Definition der Landaunotation gilt: für alle $a,b in \mathbb{R}: a*x^n +b$ liegt in $O(x^n)$. Man kann somit das Landausymbol $O$ als Ansammlung von Funktionen verstehen. Interessanterweise gilt auch eine Relation zwischen den einzelnen "Landaumengen". Für alle $n$ in $\mathbb{N}: O(x^n)$ ist in $O(x^{n+1})$. In der Informatik wird diese Notation genutzt, um asymptotische Verhalten von beispielsweise Laufzeiten zu beschreiben. "Algortihmus A braucht asymptotisch so viel Zeit in Abhängigkeit von der Eingabe, wie eine $x^n$-Funktion".
Dadurch können wir das Restglied auch auffassen als ein Element von $O(x^{n+1})$. Nach der Definition der Landaunotation gilt: für alle $a,b in \mathbb{R}: a*x^n +b$ liegt in $O(x^n)$. Man kann somit das Landausymbol $O$ als Ansammlung von Funktionen verstehen. Interessanterweise gilt auch eine Relation zwischen den einzelnen "Landaumengen". Für alle $n$ in $\mathbb{N}: O(x^n)$ ist in $O(x^{n+1})$. In der Informatik wird diese Notation genutzt, um asymptotische Verhalten von beispielsweise Laufzeiten zu beschreiben. "Algorithmus A braucht asymptotisch so viel Zeit in Abhängigkeit von der Eingabe, wie eine $x^n$-Funktion".
Die Definition des Taylorpolynoms entspringt direkt dem Satz von Taylor, nur ohne das Lagrange-Restglied.
\end{bemerkung}
@@ -542,7 +546,7 @@ Nun können wir unsere Approximation von $\ln(1-x)=-x-\frac{x^2}{2}+O(x^3)$ zeig
wobei das Lagrange-Restglied etwa $R_2(x)\sim O(x^3)$, denn
\begin{align*}
R_2(x)&=\frac{1}{(2+1)!}\cdot(\ln(1-\xi))^{(2+1)}\cdot(x-0)^{(2+1)}\\
&=-\frac{1}{3(1-\xi)^3}\cdot x^3\quad\text{für ein }\xi\in(0,x)&&\text{\cref{lem:dreimalableiten}}\\
&=-\frac{1}{3(1-\xi)^3}\cdot x^3\quad\text{für ein }\xi\in(0,x)\\
\end{align*}
wobei nach der Landau-Notation gilt: $a\cdot x^n+b\in O(x^n)$
\[
@@ -556,7 +560,7 @@ Nun können wir unsere Approximation von $\ln(1-x)=-x-\frac{x^2}{2}+O(x^3)$ zeig
\]
\end{proof}
\begin{bemerkung}
Aus der Definition folgt die Gleichheit beider Funktionen, aber genauer betrachtet kann die ln-Funktion nicht durch ein Polynom dargestellt werden. Es wird immer einen gewissen Fehler geben, welcher durch das Langrange-Restglied beziehungsweise die Landaunotation ausgedrückt wird. Da auch in Abhängigkeit von $x$ das $\xi$ gewählt wird, handelt es sich bei dem Lagrange-Restglied nicht um ein Polynom, weil es sich dynamisch verändert.
Aus der Definition folgt die Gleichheit beider Funktionen, aber genauer betrachtet kann die ln-Funktion nicht durch ein Polynom dargestellt werden. Es wird immer einen gewissen Fehler geben, welcher durch das Lagrange-Restglied beziehungsweise die Landaunotation ausgedrückt wird. Da auch in Abhängigkeit von $x$ das $\xi$ gewählt wird, handelt es sich bei dem Lagrange-Restglied nicht um ein Polynom, weil es sich dynamisch verändert.
\end{bemerkung}
Im Plot können wir sehen, dass beide Funktionen um unsere Entwicklungsstelle $x_0=0$ herum sehr ähnlich sind.
\begin{figure}[H]
+4 -1
View File
@@ -1,4 +1,7 @@
Das klassische Galtonbrett ist ein elegantes mechanisches Modell zur Veranschaulichung des zentralen Grenzwertsatzes (ZGS). Die Standardannahme geht dabei von unabhängigen, identisch verteilten Zufallsvariablen aus: jede Kugel trifft an jedem Stift mit einer Wahrscheinlichkeit von $p = 0.5$ die Entscheidung, nach links oder rechts zu fallen ohne, dass diese sich gegenseitig beeinflussen. Im Rahmen tiefergehender Recherchen zeigen sich jedoch spannende theoretische, sowie praktische Erweiterungsmöglichkeiten, die weit über das Standardmodell hinausgehen.
Das klassische Galtonbrett ist ein elegantes mechanisches Modell zur Veranschaulichung des lokalen und zentralen Grenzwertsatzes. Die Standardannahme geht dabei von unabhängigen, identisch verteilten Zufallsvariablen aus: jede Kugel trifft an jedem Stift mit einer Wahrscheinlichkeit von $p = 0.5$ die Entscheidung, nach links oder rechts zu fallen ohne, dass diese sich gegenseitig beeinflussen. Im Rahmen tiefergehender Recherchen zeigen sich jedoch spannende theoretische, sowie praktische Erweiterungsmöglichkeiten, die weit über das Standardmodell hinausgehen.
\paragraph{Zentraler Grenzwertsatz}
In dieser Arbeit wurde der Fokus auf den lokalen Grenzwertsatz von Movire-Laplace gelegt. Es ist ebenso möglich dieses Resultat weiter zum zentralen Grenzwertsatz von Movire-Laplace zu erweitern. Hiermit lässt sich zeigen, dass sich die Binomialverteilung mithilfe der Normalverteilung approximieren lässt \cite{kosenkova_stochastik_2025}.
\paragraph{Unabhängigkeit}
In der Realität ist die strikte Unabhängigkeit aufeinanderfolgender Schritte oft eine Idealisierung. Physikalisch gesehen könnte eine Kugel den Stift in leichte Schwingungen versetzen oder Drall mitnehmen, was die Wahrscheinlichkeit für den nächsten Schritt beeinflusst. Mathematisch lässt sich diese Voraussetzung jedoch lockern, indem statt Zufallsvariablen Martingale betrachtet werden. Unter bestimmten Voraussetzungen greif hier dann der Martingal-Zentralgrenzwertsatz, wodurch wieder die Normalverteilung angenähert wird \cite{posedel_martingale_2025}.
+8 -2
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@@ -1,7 +1,13 @@
Da sich das Themengebiet über einige Niveau- und Klassenstufen des Brandenburger Rahmenlehrplanes streckt \cite{lisum-2023}, und das Galtonbrett sich auch sehr gut eignet, auf verschiedenen Komplexitätsstuufen zu unterrichten, schlagen wir folgende Unterteilung vor:\\
Ab 10. Klasse:\\
Eine Grundlegende Auseinandersetzung mit dem Galtonbrett und den Zusammenhang mit der Binomialverteilung und dem Pascallschem Dreieck, lässt sich wunderbar ohne höhere mathematische Inhalte erarbeiten. Hierzu eignen sich insbesondere das Arbeitsblatt \emph{Pascalsches Dreieck} (c.a. 25 min) und \emph{Galton x Plinko} (c.a. 25 min). Wir würden auch empfehlen beide zu bearbeiten. Wenn eine ausblicksartige Auseinandersetzung im Zusammenhang mit der Normalverteilung gewünscht ist (ohne in die mathematischen Details dieser einzutauchen) kann hierzu auch noch Aufgabe 1 bis Aufgabe 3 des Arbeitsblattes \emph{ZSG Movire-Laplace} (c.a. 15min) mit eingebunden werden.\\
Eine Grundlegende Auseinandersetzung mit dem Galtonbrett und den Zusammenhang mit der Binomialverteilung und dem Pascallschem Dreieck, lässt sich wunderbar ohne höhere mathematische Inhalte erarbeiten. Hierzu eignen sich insbesondere das Arbeitsblatt \emph{Galton x Pascal} (c.a. 25 min) und \emph{Galton x Plinko} (c.a. 25 min). Wir würden auch empfehlen beide zu bearbeiten. Wenn eine ausblicksartige Auseinandersetzung im Zusammenhang mit der Normalverteilung gewünscht ist (ohne in die mathematischen Details dieser einzutauchen) kann hierzu auch noch Aufgabe 1 bis Aufgabe 3 des Arbeitsblattes \emph{Galton x ZSG Movire-Laplace} (c.a. 15min) mit eingebunden werden. Als Ablauf empfehlen wir folgendes Vorgehen:\\
\emph{Galton x Plinko }(Seite 1) $\rightarrow$ \emph{Galton x Pascal} $\rightarrow$ \emph{Galton x Plinko} (Seite 2)\\
$\overset{optional}{\rightarrow}$ \emph{Galton x LGS} (Aufgabe 1 bis 3)
Ab 12. Klasse:\\
Um eine tiefgreifende Auseinandersetzung mit dem Galtonbrett zu ermöglichen empfehlen wir alle drei Arbeitsblätter anzubieten. Wir empfehlen mit dem Arbeitsblatt \emph{Pascalsches Dreieck} (c.a. 25 min) zu beginnen, daran das Arbeitsblatt \emph{Galton x Plinko} (c.a. 25 min) anzuschließen und das Arbeitsblatt \emph{ZSG Movire-Laplace} (c.a. 40min) zum Abschluss zu benutzen. Das Arbeitsblatt \emph{Galton x Plinko} ist hierbei als optional zu betrachten und dient lediglich der vertiefenden Auseinandersetzung mit dem Galtonbrett und der Motivation.
Um eine tiefgreifende Auseinandersetzung mit dem Galtonbrett zu ermöglichen empfehlen wir alle drei Arbeitsblätter anzubieten. Als verkürzte Variante ließe sich hier auch das Arbeitsblatt \emph{Galton x Plinko} auslassen. Daher empfehlen wir folgenden Progression:\\
\emph{Galton x Plinko} (Seite 1) $\rightarrow$ \emph{Galton x Pascal} $\rightarrow$ \emph{Galton x Plinko} (Seite 2) $\rightarrow$ \emph{Galton x LGS} \\
oder\\
\emph{Galton x Pascal} $\rightarrow$ \emph{Galton x LGS} \\
BIN
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+4
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@@ -3,6 +3,10 @@
\geometry{top=3cm,bottom=3cm,left=3cm,right=3.5cm}
\usepackage[ngerman]{babel}
\usepackage{pgfplots}
\usepackage{pdfpages}
\usepackage{tabularx} % Automatische Breitenanpassung & Umbrüche
\usepackage{booktabs} % Für professionelle Tabellenlinien (optional)
\usepackage{Matheclub}
BIN
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+57 -22
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@@ -201,7 +201,7 @@
\newcommand{\curdate}{09.07.2026}
\newcommand{\curtitle}{Pascalsches Dreieck}
\newcommand{\curtitle}{Galton x Pascal}
\title{\curtitle}
\author{Fierke, Janik, Weidlich}
@@ -215,14 +215,43 @@
\ifoot{\normalfont\normalsize Fierke, Janik, Weidlich}
\section{\curtitle}
Im Stochastikunterricht ist dir sicherlich schoneinmal die Formel des Binomialkoeffienten begegnet:
\begin{definitionbox}[Binomialkoeffizient]
Der Binomialkoeffizient gibt die Anzahl der Möglichkeiten an, aus einer Menge mit $n$ Elementen $k$ verschiedene Elemente auszuwählen:
\[
\binom{n}{k}=\frac{n!}{k!(n-k)!}
\binom{n}{k}=\frac{n!}{k!(n-k)!}
\]
\end{definitionbox}
% \begin{figure}[H]
% \centering
% % Erstes Bild
% \begin{minipage}[t]{0.7\textwidth}
% \centering
% Im Stochastik Unterricht ist dir sicherlich schon einmal die
% Formel des Binomialkoeffizienten (Abb. \ref{fig:bino}) begegnet.
% \begin{definitionbox}[Binomialkoeffizient]
% Der Binomialkoeffizient gibt die Anzahl der Möglichkeiten an, aus einer Menge mit $n$ Elementen $k$ verschiedene Elemente auszuwählen.
% \end{definitionbox}
% \end{minipage}
% \hfill
% % Zweites Bild
% \begin{minipage}[t]{0.25\textwidth}
% \centering
% \[
% \binom{n}{k}=\frac{n!}{k!(n-k)!}
% \]
% \caption{Formel Binomialkoeffizienten}
% \label{fig:bino}
% \end{minipage}
% \end{figure}
%
%
%
% Im Stochastikunterricht ist dir sicherlich schon einmal die Formel des Binomialkoeffienten begegnet:
Zum Warmwerden berechnen wir:
\begin{multicols}{3}
$\binom{3}{0}=$ \hrulefill\\\\
@@ -233,13 +262,13 @@
$\binom{5}{5}=$ \hrulefill\\\\
$\binom{4}{2}=$ \hrulefill\\\\
$\binom{n}{0}=$ \hrulefill { }für $n\in\mathbb{N}$\\\\
$\binom{n}{n}=$ \hrulefill { }für $n\in\mathbb{N}$\\\\
\end{multicols}
\begin{enumerate}
\item Berechne nun nach folgender Regel:
\begin{center}
\textit{Die Summe des Steins ist die Summe der darüberliegenden Steine. }
@@ -315,22 +344,22 @@
\node at (12.25,14.1875) {$\binom{1}{1}=$};
\draw (10.25,13.5) rectangle (13,12.125);
\node at (10.875,12.8125) {$\binom{2}{0}=$};
\node at (10.875,12.8125) {$\binom{2}{1}=$};
\draw (7.5,13.5) rectangle (10.25,12.125);
\node at (8.125,12.8125) {$\binom{2}{1}=$};
\node at (8.125,12.8125) {$\binom{2}{0}=$};
\draw (13,13.5) rectangle (15.75,12.125);
\node at (13.625,12.8125) {$\binom{2}{2}=$};
\draw (11.625,12.125) rectangle (14.375,10.75);
\node at (12.25,11.4375) {$\binom{3}{0}=$};
\node at (12.25,11.4375) {$\binom{3}{2}=$};
\draw (8.875,12.125) rectangle (11.625,10.75);
\node at (9.5,11.4375) {$\binom{3}{1}=$};
\draw (6.125,12.125) rectangle (8.875,10.75);
\node at (6.75,11.4375) {$\binom{3}{2}=$};
\node at (6.75,11.4375) {$\binom{3}{0}=$};
\draw (14.375,12.125) rectangle (17.125,10.75);
\node at (15,11.4375) {$\binom{3}{3}=$};
@@ -344,7 +373,7 @@
\noindent
\begin{minipage}[t]{0.62\textwidth}\vspace{0pt}
\begin{definitionbox}[Galtonbrett]
Das \textbf{Galtonbrett} ist ein mechanisches Demonstrationsgerät aus der Stochstik, bei welchem kleine Kugeln auf horizontal und dreieckig angeordnete Stäbchen fallen gelassen wird (hier zweidimenional von vorne dargestellt). Bei jedem Aufprall auf ein Stäbchen teilt sich ihr Weg: entweder nach links, oder nach rechts.
Das \textbf{Galtonbrett} ist ein mechanisches Demonstrationsgerät aus der Stochastik, bei welchem kleine Kugeln auf horizontal und dreieckig angeordnete Stäbchen fallen gelassen wird (hier zweidimensional von vorne dargestellt). Bei jedem Aufprall auf ein Stäbchen teilt sich ihr Weg: entweder nach links, oder nach rechts.
\end{definitionbox}
\end{minipage}
\hfill
@@ -356,6 +385,7 @@
\end{minipage}
\begin{enumerate}
\setcounter{enumi}{2}
\item Zeichne in das Galtonbrett alle Wege ein, die eine Murmel nehmen kann, wenn sie auf den obersten Stab fallen gelassen wird. Inwiefern unterscheiden sich beide Galtonbretter?\\
\begin{multicols}{2}
\begin{tikzpicture}[scale=0.8]
@@ -383,11 +413,11 @@
\filldraw[black] (\coordx, -\y) circle (2.5pt);
% Erste fünf Nägel mit a,b,c,d,e beschriften
\stepcounter{labelcount}
\ifnum\value{labelcount}<11
\node[anchor=south east] at (\coordx-0.16,-\y-0.3)
{\alph{labelcount}};
\fi
%\stepcounter{labelcount}
%\ifnum\value{labelcount}<11
%\node[anchor=south east] at (\coordx-0.16,-\y-0.3)
%{\alph{labelcount}};
%\fi
\fi
% Wege nach unten zeichnen (auch von der letzten Reihe aus nicht nötig,
@@ -396,6 +426,10 @@
% \draw[gray, thin] (\coordx, -\y) -- (\coordx - 1, -\y - 1);
% \draw[gray, thin] (\coordx, -\y) -- (\coordx + 1, -\y - 1);
% \fi
%Beispiel einzeichnen: left left left
\draw[gray, thin] (0, 0) -- node[above left] {l} (-1,- 1) -- node[above left] {l} (-2,-2) -- node[above left] {l} (-3,-3);
\draw[gray, thin] (-2, -2) -- node[above right] {r} (-1,-3);
}
}
\end{tikzpicture}
@@ -425,11 +459,11 @@
\filldraw[black] (\coordx, -\y) circle (2.5pt);
% Erste fünf Nägel mit a,b,c,d,e beschriften
\stepcounter{labelcountzwo}
\ifnum\value{labelcountzwo}<11
\node[anchor=south east] at (\coordx-0.16,-\y-0.3)
{\alph{labelcountzwo}};
\fi
%\stepcounter{labelcountzwo}
%\ifnum\value{labelcountzwo}<11
%\node[anchor=south east] at (\coordx-0.16,-\y-0.3)
%{\alph{labelcountzwo}};
%\fi
\fi
% Wege nach unten zeichnen (auch von der letzten Reihe aus nicht nötig,
@@ -443,14 +477,15 @@
\end{tikzpicture}
\end{multicols}
\item Zähle nun die verschiedenen Pfade, die eine Mumel nehmen kann, sodass sie in den darunterliegenden Fächern landet. Beschrifte dafür die Pfade und nutze die Mengenschreibweise, um keinen Pfad zu vergessen.\\
Beispiel für Fach 2: $A_2=\{(a,b,d),(a,b,e)\} \Rightarrow \text{Pfade}_2=|A_2|=2$
\item Zähle nun die verschiedenen Pfade, die eine Murmel nehmen kann, sodass sie in den darunterliegenden Fächern landet.
\scriptsize(Hinweis: Nutze die Beschreibung, dass eine Kugel immer nur nach rechts (r) oder links (l) fallen kann und schreibe das in Mengenschreibweise, sodass du keinen Pfad vergisst.) \normalsize \\
Bsp: Fach 0: $A_0=\{(l,l,l)\} \Rightarrow \text{Pfade}_0=|A_0|=2$
\vspace{85pt}
\item Dir ist sicherlich schon aufgefallen, dass die meisten Pfade in die Mitte führen. Untersuche nun die Anzahl der Pfade zu jedem der Stäbchen und vergleiche diese mit dem pascalschen Dreieck. Was fällt dir auf?
\item Dir ist sicherlich schon aufgefallen, dass die meisten Pfade in die Mitte führen. Untersuche nun die Anzahl der Pfade zu jedem der Stäbchen und vergleiche diese mit dem Pascalschen Dreieck. Was fällt dir auf?
\vspace{85pt}
\item Gib die Verteilung des Galtonbretts mithilfe einer Zufallsvariabel $X$ an. Wie könnte diese mit dem pascalschen Dreieck zusammenhängen?
\item Gib die Verteilung des Galtonbretts mithilfe einer Zufallsvariable $X$ an. Wie könnte diese mit dem pascalschen Dreieck zusammenhängen?
\end{enumerate}
\label{LastPage}
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+507
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@@ -0,0 +1,507 @@
\documentclass[a4paper]{article}
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\usepackage{amssymb}
\usepackage{caption}
\usepackage[headsepline, footsepline]{scrlayer-scrpage}
\usepackage{enumerate}
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\usepackage{ifthen}
\usepackage[]{mathtools}
\usepackage[]{mathbbol}
\usepackage{multicol}
\usepackage{enumitem}
\usepackage[hidelinks]{hyperref}
\usepackage[]{circuitikz}
\usepackage{tcolorbox} % Für schöne Boxen
\usetikzlibrary{circuits.logic.IEC}
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\usepackage{tikz}
\usepackage{tkz-graph}
\usepackage{listings}
\usepackage{xcolor}
\usepackage{setspace}
\usepackage{letltxmacro}
\usepackage{wrapfig}
\usetikzlibrary{calc}
\setlist{itemsep=0.3em, topsep=0.5em, parsep=0pt}
\newcommand{\bpf}[1]{%
\par\vspace{0.8\baselineskip}% Abstand vor der Überschrift
\noindent\textbf{#1}% Fettgedruckte Überschrift
\par\vspace{0.3\baselineskip}% Abstand nach der Überschrift
}
\renewcommand{\contentsname}{Inhaltsverzeichnis}
\renewcommand{\figurename}{Grafik}
\renewcommand{\partname}{Teil}
\renewcommand{\epsilon}{\varepsilon}
\definecolor{darkgrey}{HTML}{232327}
% Zählerdefinition mit AUTOMATISCHEM SUBSECTION-RESET
\newcounter{commoncounter}[subsection]
\renewcommand{\thecommoncounter}{\thesection.\arabic{commoncounter}}
\usepackage{xparse}
\newcommand{\answer}[1]{%
\ifhmode\newline\newline\fi
\foreach \n in {1,...,#1}{\noindent\rule{\linewidth}{0.4pt}\par\vspace{1em}}
}
\newcommand{\currentsection}{}
\newcommand{\currentsubsection}{}
\LetLtxMacro{\oldsection}{\section}
\LetLtxMacro{\oldsubsection}{\subsection}
\RenewDocumentCommand{\section}{s o m}{%
\IfBooleanTF{#1}%
{ \oldsection*{#3} }% Stern-Variante → unverändert
{%
\IfValueTF{#2}%
{ \oldsection[#2]{#3} }% Optionales TOC-Argument
{ \oldsection{#3} }%
\renewcommand{\currentsection}{#3}%
}%
}
\RenewDocumentCommand{\subsection}{s o m}{%
\IfBooleanTF{#1}%
{ \oldsubsection*{#3} }%
{%
\IfValueTF{#2}%
{ \oldsubsection[#2]{#3} }%
{ \oldsubsection{#3} }%
\renewcommand{\currentsubsection}{#3}%
}%
}
% Zähler direkt bei Dokumentstart initialisieren
\AtBeginDocument{\setcounter{commoncounter}{0}}
% BOX-DEFINITIONEN mit korrigierter Zählerlogik
\newtcolorbox{definitionbox}[1][]{
before title={\refstepcounter{commoncounter}}, % KRITISCH: vor dem Titel!
title={Definition \thecommoncounter: #1},
colback=white,
colframe=white!75!darkgrey,
fonttitle=\bfseries,
boxrule=0.6mm,
coltitle=black,
rounded corners,
before skip=10pt,
after skip=10pt
}
\newtcolorbox{extrataskbox}[1][]{
% before title={\refstepcounter{commoncounter}}, % KRITISCH: vor dem Titel!
title={Zusatzaufgabe: #1},
colback=white,
colframe=white!75!red,
fonttitle=\bfseries,
boxrule=0.6mm,
coltitle=black,
rounded corners,
before skip=10pt,
after skip=10pt
}
\newtcolorbox{merkbox}[1][]{
title={Merken: #1},
colback=white,
colframe=white!75!red,
fonttitle=\bfseries,
boxrule=0.6mm,
coltitle=black,
rounded corners,
before skip=10pt,
after skip=10pt
}
\definecolor{codegreen}{rgb}{0,0.6,0}
\definecolor{codeblue}{rgb}{0,0,0.8}
\definecolor{codered}{rgb}{0.8,0,0}
\definecolor{lightgray}{rgb}{0.95,0.95,0.95}
\lstdefinestyle{CStyle}{
language=C,
basicstyle=\ttfamily\small, % Monospace-Schrift
keywordstyle=\color{blue}\bfseries, % Schlüsselwörter fett und blau
stringstyle=\color{red}, % Strings rot
commentstyle=\color{codegreen}, % Kommentare grün
backgroundcolor=\color{lightgray}, % Hintergrundfarbe
numbers=left, % Zeilennummern links
numbersep=10px, % Abstand zwischen Zeilennummern und Code
numberstyle=\color{gray}\texttt,
stepnumber=1, % Zeilennummerierung Schrittweite 1
frame=single, % Rahmen um den Code
tabsize=4, % Tabulatorgröße
breaklines=true, % Zeilenumbruch aktivieren
captionpos=below,
showstringspaces=false,
xleftmargin=15pt, % Linker Rand für den Code (verschiebt alles nach rechts)
}
\lstdefinestyle{ShellStyle}{
language=Bash,
basicstyle=\ttfamily\small, % Monospace-Schrift
keywordstyle=\color{black}, % Schlüsselwörter fett und blau
stringstyle=\color{black}, % Strings rot
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numbers=left, % Zeilennummern links
numbersep=10px, % Abstand zwischen Zeilennummern und Code
numberstyle=\color{gray}\texttt,
stepnumber=1, % Zeilennummerierung Schrittweite 1
frame=single, % Rahmen um den Code
tabsize=4, % Tabulatorgröße
breaklines=true, % Zeilenumbruch aktivieren
captionpos=below,
showstringspaces=false,
xleftmargin=15pt, % Linker Rand für den Code (verschiebt alles nach rechts)
}
%Für Python Code
\lstdefinestyle{PythonStyle}{
language=Python,
basicstyle=\ttfamily\small,
keywordstyle=\color{blue}\bfseries,
commentstyle=\color{green!60!black},
stringstyle=\color{red},
numbers=left,
numberstyle=\tiny\color{gray},
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numbersep=10pt,
backgroundcolor=\color{gray!5},
frame=single,
rulecolor=\color{black!30},
breaklines=true,
showstringspaces=false,
tabsize=4
}
% Umgebung für Listings mit Titel und Zähler
\newenvironment{codeexample}[1][]{
\refstepcounter{commoncounter} % Zähler erhöhen
\lstset{
style=CSharpStyle,
caption={Listing \thecommoncounter: #1}, % Titel mit Zähler
label={listing:\thecommoncounter}
}
}{}
\makeatletter
% Internen Zähler von subsubsection auf commoncounter umbiegen
\let\c@subsubsection\c@commoncounter
% Anzeige der Nummer angleichen
\renewcommand{\thesubsubsection}{\thecommoncounter}
\makeatother
\setlength{\parindent}{0pt}
\newcommand{\curdate}{09.07.2026}
\newcommand{\curtitle}{Galton x Pascal}
\title{\curtitle}
\author{Fierke, Janik, Weidlich}
\pagestyle{scrheadings}
\date{\curdate}
\begin{document}
\ihead{\normalfont\normalsize Mathematik}
\chead{\normalfont\normalsize \curtitle}
\ohead{\normalfont\normalsize \curdate}
\ofoot{\normalfont\normalsize Seite {\pagemark} von \pageref{LastPage}}
\ifoot{\normalfont\normalsize Fierke, Janik, Weidlich}
\section{\curtitle}
Im Stochastikunterricht ist dir sicherlich schoneinmal die Formel des Binomialkoeffienten begegnet:
\begin{definitionbox}[Binomialkoeffizient]
Der Binomialkoeffizient gibt die Anzahl der Möglichkeiten an, aus einer Menge mit $n$ Elementen $k$ verschiedene Elemente auszuwählen:
\[
\binom{n}{k}=\frac{n!}{k!(n-k)!}
\]
\end{definitionbox}
Zum Warmwerden berechnen wir:
\begin{multicols}{3}
$\binom{3}{0}=1$ \\\\
$\binom{3}{3}=1$ \\\\
$\binom{7}{3}=35$ \\\\
$\binom{5}{0}=1$ \\\\
$\binom{5}{5}=1$ \\\\
$\binom{4}{2}=6$ \\\\
$\binom{n}{0}=1$ { }für $n\in\mathbb{N}$\\\\
$\binom{n}{n}=1$ { }für $n\in\mathbb{N}$\\\\
\end{multicols}
\begin{enumerate}
\item Berechne nun nach folgender Regel:
\begin{center}
\textit{Die Summe des Steins ist die Summe der darüberliegenden Steine. }
\end{center}
\begin{figure}[!ht]
\centering
\begin{circuitikz}[x=0.8cm,y=0.8cm]
% oberste Reihe
\draw[dashed,gray!60] (8.875,16.25) rectangle (10.25,14.875);
\node[text=gray!60] at (9.55,15.5625) {0};
\draw (10.25,16.25) rectangle (13,14.875);
\node[anchor=center] at (11.6,15.5625) {1};
\draw[dashed,gray!60] (13,16.25) rectangle (14.375,14.875);
\node[text=gray!60] at (13.75,15.5625) {0};
% zweite Reihe
\draw[dashed,gray!60] (7.5,14.875) rectangle (8.875,13.5);
\node[text=gray!60] at (8.175,14.1875) {0};
\draw (8.875,14.875) rectangle (11.625,13.5);
\node[anchor=center] at (10.25,14.1875) {1};
\draw (11.625,14.875) rectangle (14.375,13.5);
\node[anchor=center] at (13,14.1875) {1};
\draw[dashed,gray!60] (14.375,14.875) rectangle (15.75,13.5);
\node[text=gray!60] at (15,14.1875) {0};
% dritte Reihe
\draw[dashed,gray!60] (6.125,13.5) rectangle (7.5,12.125);
\node[text=gray!60] at (6.8,12.8125) {0};
\draw (7.5,13.5) rectangle (10.25,12.125);
\node[anchor=center] at (8.875,12.8125) {1};
\draw (10.25,13.5) rectangle (13,12.125);
\node[anchor=center] at (11.625,12.8125) {2};
\draw (13,13.5) rectangle (15.75,12.125);
\node[anchor=center] at (14.375,12.8125) {1};
\draw[dashed,gray!60] (15.75,13.5) rectangle (17.125,12.125);
\node[text=gray!60] at (16.375,12.8125) {0};
% unterste Reihe
\draw[dashed,gray!60] (4.75,12.125) rectangle (6.125,10.75);
\node[text=gray!60] at (5.425,11.4375) {0};
\draw (6.125,12.125) rectangle (8.875,10.75);
\node[anchor=center] at (7.5,11.4375) {1};
\draw (8.875,12.125) rectangle (11.625,10.75);
\node[anchor=center] at (10.25,11.4375) {3};
\draw (11.625,12.125) rectangle (14.375,10.75);
\node[anchor=center] at (13,11.4375) {3};
\draw (14.375,12.125) rectangle (17.125,10.75);
\node[anchor=center] at (15.75,11.4375) {1};
\draw[dashed,gray!60] (17.125,12.125) rectangle (18.5,10.75);
\node[text=gray!60] at (17.875,11.4375) {0};
\end{circuitikz}
\end{figure}
\item Berechne die Steine der Pyramide:
\begin{figure}[!ht]
\centering
\begin{circuitikz}[x=0.8cm,y=0.8cm]
\draw (10.25,16.25) rectangle (13,14.875);
\node at (11.75,15.5625) {$\binom{0}{0}=1$};
\draw (8.875,14.875) rectangle (11.625,13.5);
\node at (10.25,14.1875) {$\binom{1}{0}=1$};
\draw (11.625,14.875) rectangle (14.375,13.5);
\node at (13,14.1875) {$\binom{1}{1}=1$};
\draw (10.25,13.5) rectangle (13,12.125);
\node at (11.75,12.8125) {$\binom{2}{1}=2$};
\draw (7.5,13.5) rectangle (10.25,12.125);
\node at (8.875,12.8125) {$\binom{2}{0}=1$};
\draw (13,13.5) rectangle (15.75,12.125);
\node at (14.375,12.8125) {$\binom{2}{2}=1$};
\draw (11.625,12.125) rectangle (14.375,10.75);
\node at (13,11.4375) {$\binom{3}{2}=3$};
\draw (8.875,12.125) rectangle (11.625,10.75);
\node at (10.25,11.4375) {$\binom{3}{1}=3$};
\draw (6.125,12.125) rectangle (8.875,10.75);
\node at (7.5,11.4375) {$\binom{3}{0}=1$};
\draw (14.375,12.125) rectangle (17.125,10.75);
\node at (15.75,11.4375) {$\binom{3}{3}=1$};
\end{circuitikz}
\end{figure}
\end{enumerate}
\begin{extrataskbox}
Entwirf einen Computeralgorithmus, der den Binomialkoeffizienten berechnet, ohne dass dieser die Fakultät benutzt!
\end{extrataskbox}
\begin{lstlisting}[style=PythonStyle]
def binomialCoefficient(n,k):
if k == n: return 1
elif K == 0: return 1
else: return binomialCoefficient(n-1,k-1) + binomialCoefficient(n-1,k)
\end{lstlisting}
\noindent
\begin{minipage}[t]{0.62\textwidth}\vspace{0pt}
\begin{definitionbox}[Galtonbrett]
Das \textbf{Galtonbrett} ist ein mechanisches Demonstrationsgerät aus der Stochstik, bei welchem kleine Kugeln auf horizontal und dreieckig angeordnete Stäbchen fallen gelassen wird (hier zweidimenional von vorne dargestellt). Bei jedem Aufprall auf ein Stäbchen teilt sich ihr Weg: entweder nach links, oder nach rechts.
\end{definitionbox}
\end{minipage}
\hfill
\begin{minipage}[t]{0.33\textwidth}\vspace{0pt}
\centering
\includegraphics[width=0.8\linewidth]{galtonbrett}
\captionof{figure}{}
\label{fig:galtonbrett}
\end{minipage}
\begin{enumerate}
\setcounter{enumi}{2}
\item Zeichne in das Galtonbrett alle Wege ein, die eine Murmel nehmen kann, wenn sie auf den obersten Stab fallen gelassen wird. Inwiefern unterscheiden sich beide Galtonbretter?\\
\begin{multicols}{2}
\begin{tikzpicture}[scale=0.8]
% Definition der Reihen
\def\rows{3}
% Zähler für die Beschriftung
\newcounter{labelcount}
% Fächer (Bins) am unteren Ende basierend auf der Reihenanzahl
\foreach \i in {0,...,\rows} {
\pgfmathsetmacro{\xpos}{\i * 2 - \rows}
\draw[thick] (\xpos - 0.4, -\rows - 1.5) rectangle (\xpos + 0.4, -\rows - 0.2);
\node at (\xpos, -\rows - 1.8) {\i};
}
% Dreieckiges Nagelbrett
\foreach \y in {0,...,\rows} {
\foreach \x in {0,...,\y} {
\pgfmathsetmacro{\coordx}{2 * \x - \y}
% Nagel zeichnen
% Nagel nur bis zur vorletzten Reihe zeichnen
\ifnum \y < \rows
\filldraw[black] (\coordx, -\y) circle (2.5pt);
% Erste fünf Nägel mit a,b,c,d,e beschriften
%\stepcounter{labelcount}
%\ifnum\value{labelcount}<11
%\node[anchor=south east] at (\coordx-0.16,-\y-0.3)
%{\alph{labelcount}};
%\fi
\fi
%Wege nach unten zeichnen (auch von der letzten Reihe aus nicht nötig,
%daher weiterhin nur bis zur vorletzten Reihe)
\ifnum \y < \rows
\draw[gray, thin] (\coordx, -\y) -- node[above left] {l} (\coordx - 1, -\y - 1);
\draw[gray, thin] (\coordx, -\y) -- node[above right] {r} (\coordx + 1, -\y - 1);
\fi
}
}
\end{tikzpicture}
\begin{tikzpicture}[scale=0.8]
% Definition der Reihen
\def\rows{4}
% Zähler für die Beschriftung
\newcounter{labelcountzwo}
% Fächer (Bins) am unteren Ende basierend auf der Reihenanzahl
\foreach \i in {0,...,\rows} {
\pgfmathsetmacro{\xpos}{\i * 2 - \rows}
\draw[thick] (\xpos - 0.4, -\rows - 1.5) rectangle (\xpos + 0.4, -\rows - 0.2);
\node at (\xpos, -\rows - 1.8) {\i};
}
% Dreieckiges Nagelbrett
\foreach \y in {0,...,\rows} {
\foreach \x in {0,...,\y} {
\pgfmathsetmacro{\coordx}{2 * \x - \y}
% Nagel zeichnen
% Nagel nur bis zur vorletzten Reihe zeichnen
\ifnum \y < \rows
\filldraw[black] (\coordx, -\y) circle (2.5pt);
% Erste fünf Nägel mit a,b,c,d,e beschriften
%\stepcounter{labelcountzwo}
%\ifnum\value{labelcountzwo}<11
%\node[anchor=south east] at (\coordx-0.16,-\y-0.3)
%{\alph{labelcountzwo}};
%\fi
\fi
% Wege nach unten zeichnen (auch von der letzten Reihe aus nicht nötig,
% daher weiterhin nur bis zur vorletzten Reihe)
\ifnum \y < \rows
\draw[gray, thin] (\coordx, -\y) -- node[above left] {l} (\coordx - 1, -\y - 1);
\draw[gray, thin] (\coordx, -\y) -- node[above right] {r} (\coordx + 1, -\y - 1);
\fi
}
}
\end{tikzpicture}
\end{multicols}
\item Zähle nun die verschiedenen Pfade, die eine Murmel nehmen kann, sodass sie in den darunterliegenden Fächern landet.
\scriptsize(Hinweis: Nutze die Beschreibung, dass eine Kugel immer nur nach rechts (r) oder links (l) fallen kann und schreibe das in Mengenschreibweise, sodass du keinen Pfad vergisst.) \normalsize \\
Bsp: Fach 0: $A_0=\{(L,L,L)\} \Rightarrow \text{Pfade}_0=|A_0|=2$
\begin{flalign*}
&\text{Fach 1: } A_2 = \{(l,l,r), (l,r,l), (r,l,l)\} \implies \text{Pfade}_2 = |A_2| = 3 \\
&\text{Fach 2: } A_3 = \{(l,r,r), (r,l,r), (r,r,l)\} \implies \text{Pfade}_3 = |A_3| = 3 \\
&\text{Fach 3: } A_4 = \{(r,r,r)\} \implies \text{Pfade}_4 = |A_4| = 1 \\[10pt]
&\text{Fach 0: } B_1 = \{(l,l,l,l)\} \implies \text{Pfade}_1 = |B_1| = 1 \\
&\text{Fach 1: } B_2 = \{(l,l,l,r), (l,l,r,l), (l,r,l,l), (r,l,l,l)\} \implies \text{Pfade}_2 = |B_2| = 4 \\
&\text{Fach 2: } B_3 = \{(l,l,r,r), (l,r,l,r), (l,r,r,l), (r,l,l,r), (r,l,r,l), (r,r,l,l)\} \implies \text{Pfade}_3 = |B_3| = 6 \\
&\text{Fach 3: } B_4 = \{(l,r,r,r), (r,l,r,r), (r,r,l,r), (r,r,r,l)\} \implies \text{Pfade}_4 = |B_4| = 4 \\
&\text{Fach 4: } B_5 = \{(r,r,r,r)\} \implies \text{Pfade}_5 = |B_5| = 1
\end{flalign*}
\item Dir ist sicherlich schon aufgefallen, dass die meisten Pfade in die Mitte führen. Untersuche nun die Anzahl der Pfade zu jedem der Stäbchen und vergleiche diese mit dem Pascalschen Dreieck. Was fällt dir auf? \\
Die Anzahl, die zu den jeweiligen Stäbchen führen, entspricht genau der Anzahl aus dem Pascalschen Dreieck.
\item Gib die Verteilung des Galtonbretts mithilfe einer Zufallsvariabel $X$ an. Wie könnte diese mit dem pascalschen Dreieck zusammenhängen?\\
\[
\binom{Ebenen}{k}\cdot (0.5)^{Ebenen}
\]
\end{enumerate}
\label{LastPage}
\end{document}
BIN
View File
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+23 -14
View File
@@ -227,7 +227,8 @@
\ofoot{\normalfont\normalsize Seite {\pagemark} von \pageref{LastPage}}
\ifoot{\normalfont\normalsize Fierke, Janik, Weidlich}
\section[2]{\curtitle}
\setcounter{section}{1}
\section{\curtitle}
{
\begin{wrapfigure}{r}{0.2\textwidth}
@@ -248,31 +249,39 @@
\begin{enumerate}
\setcounter{enumi}{1}
\item Stell eine Vermutung auf, wieso in der Mitte aller Fächer die kleinsten Faktoren liegen.
\answer{3}
\item Stell eine Vermutung auf, wieso in der Mitte aller Fächer die kleinsten Multiplikatoren liegen.
\answer{4}
\item Stell eine Vermutung auf, wieso die Faktoren an den Randfächern am größten sind.
\answer{3}
\item Stelle eine Vermutung auf, wieso in der Mitte aller Fächer die kleinsten Multiplikatoren liegen.
\answer{4}
\item Argumentiere, wieso man auf lange Sicht verliert oder gewinnt.
\answer{3}
\item Stelle eine Vermutung auf, wieso an den Rändern aller Fächer die größten Multiplikatoren liegen.
\answer{4}
\item Stelle Vermutungen auf, ob man auf lange Sicht gewinnt oder verliert.
\answer{4}
\end{enumerate}
\newpage
Mit dem Wissen über das Galtonbrett und seine Verteilung können wir nun fundierte Schlüsse über Plinko ziehen:
\section{Galton x Plinko Teil 2}
Mit dem Wissen über das Galtonbrett und seine Verteilung können wir nun fundierte Schlüsse über Plinko ziehen. Website: \url{https://plinko-web-game.netlify.app/}
\begin{enumerate}[itemsep=11pt]
\item Die Wahrscheinlichkeit mit der eine Kugel in Plinko nach links bzw. rechts hüpft ist \hrulefill
\item Nenne die Anzahl der Ebenen in Plinko. \hrulefill
\item Bestimme die Wahrscheinlichkeit, die eine Kugel in Plinko hat, dass Sie nach links oder Rechts hüpft? \hrulefill
\item Nenne die Anzahl der Ebenen in Plinko. \small(Hinweis: beginne bei 0 an zu zählen) \normalsize
\hrulefill
\item Gib die Anzahl an Faktoren (Fächern) an. \hrulefill
\item Gib nun eine Zufallsvariable $X\sim \text{Bin}_{n,p}$ an. \hrulefill
\item Gib nun eine Formel an, um die Wahrscheinlichkeit zu berechnen, dass eine Kugel im Fach $k$ landet. \small (Hinweis: Galton x Pascal) \normalsize \hrulefill
\item Berechne die Wahrscheinlichkeit folgender Ereignisse:
\begin{enumerate}[label=\alph*),itemsep=11pt]
\item Die Kugel landet beim Multiplikator $0,3x$. \hrulefill
\item Die Kugel landet beim Multiplikator $0,3 \times$. \hrulefill
\item Eine Kugel holt ihren gesetzten Betrag exakt wieder rein. \hrulefill
\item Eine Kugel landet in einem der beiden höchsten Faktoren. \hrulefill
\item Zwei Kugeln holen mit Einsatz von je 1\$ einen Gewinn von gesamt 4\$. \hrulefill
\item Eine Kugel landet in einem der beiden höchsten Multiplikatoren. \hrulefill
\end{enumerate}
\item Bestimme den Erwartungswert, wenn der Einsatz immer 1\$ ist.
\answer{3}
\item Überprüfe die These: "\textit{Je höher mein Einsatz ist, desto mehr bekomme ich raus.}".
\answer{3}
\end{enumerate}
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+293
View File
@@ -0,0 +1,293 @@
\documentclass[a4paper]{article}
\usepackage{array}
\usepackage{adjustbox}
\usepackage{graphicx}
\usepackage[left=3cm,right=3cm,top=3cm, bottom=3cm]{geometry}
\usepackage{amsmath}
\usepackage{amssymb}
\usepackage{caption}
\usepackage[headsepline, footsepline]{scrlayer-scrpage}
\usepackage{enumerate}
\usepackage{dsfont}
\usepackage{float}
\usepackage{ifthen}
\usepackage[]{mathtools}
\usepackage[]{mathbbol}
\usepackage{multicol}
\usepackage{enumitem}
\usepackage[hidelinks]{hyperref}
\usepackage[]{circuitikz}
\usepackage{tcolorbox} % Für schöne Boxen
\usetikzlibrary{circuits.logic.IEC}
\usepackage{tabularray}
\usepackage{tikz}
\usepackage{tkz-graph}
\usepackage{listings}
\usepackage{xcolor}
\usepackage{setspace}
\usepackage{letltxmacro}
\usepackage{wrapfig}
\usetikzlibrary{calc}
\setlist{itemsep=0.3em, topsep=0.5em, parsep=0pt}
\newcommand{\bpf}[1]{%
\par\vspace{0.8\baselineskip}% Abstand vor der Überschrift
\noindent\textbf{#1}% Fettgedruckte Überschrift
\par\vspace{0.3\baselineskip}% Abstand nach der Überschrift
}
\renewcommand{\contentsname}{Inhaltsverzeichnis}
\renewcommand{\figurename}{Grafik}
\renewcommand{\partname}{Teil}
\renewcommand{\epsilon}{\varepsilon}
\definecolor{darkgrey}{HTML}{232327}
% Zählerdefinition mit AUTOMATISCHEM SUBSECTION-RESET
\newcounter{commoncounter}[subsection]
\renewcommand{\thecommoncounter}{\thesection.\arabic{commoncounter}}
\usepackage{xparse}
\newcommand{\answer}[1]{%
\ifhmode\newline\newline\fi
\foreach \n in {1,...,#1}{\noindent\rule{\linewidth}{0.4pt}\par\vspace{1em}}
}
\newcommand{\currentsection}{}
\newcommand{\currentsubsection}{}
\LetLtxMacro{\oldsection}{\section}
\LetLtxMacro{\oldsubsection}{\subsection}
\RenewDocumentCommand{\section}{s o m}{%
\IfBooleanTF{#1}%
{ \oldsection*{#3} }% Stern-Variante → unverändert
{%
\IfValueTF{#2}%
{ \oldsection[#2]{#3} }% Optionales TOC-Argument
{ \oldsection{#3} }%
\renewcommand{\currentsection}{#3}%
}%
}
\RenewDocumentCommand{\subsection}{s o m}{%
\IfBooleanTF{#1}%
{ \oldsubsection*{#3} }%
{%
\IfValueTF{#2}%
{ \oldsubsection[#2]{#3} }%
{ \oldsubsection{#3} }%
\renewcommand{\currentsubsection}{#3}%
}%
}
% Zähler direkt bei Dokumentstart initialisieren
\AtBeginDocument{\setcounter{commoncounter}{0}}
% BOX-DEFINITIONEN mit korrigierter Zählerlogik
\newtcolorbox{definitionbox}[1][]{
before title={\refstepcounter{commoncounter}}, % KRITISCH: vor dem Titel!
title={Definition \thecommoncounter: #1},
colback=white,
colframe=white!75!darkgrey,
fonttitle=\bfseries,
boxrule=0.6mm,
coltitle=black,
rounded corners,
before skip=10pt,
after skip=10pt
}
\newtcolorbox{satzbox}[1][]{
before title={\refstepcounter{commoncounter}}, % KRITISCH: vor dem Titel!
title={Satz \thecommoncounter: #1},
colback=white,
colframe=white!75!yellow,
fonttitle=\bfseries,
boxrule=0.6mm,
coltitle=black,
rounded corners,
before skip=10pt,
after skip=10pt
}
\newtcolorbox{extrataskbox}[1][]{
before title={\refstepcounter{commoncounter}}, % KRITISCH: vor dem Titel!
title={Zusatzaufgabe: #1},
colback=white,
colframe=white!75!red,
fonttitle=\bfseries,
boxrule=0.6mm,
coltitle=black,
rounded corners,
before skip=10pt,
after skip=10pt
}
\newtcolorbox{merkbox}[1][]{
title={Merken: #1},
colback=white,
colframe=white!75!red,
fonttitle=\bfseries,
boxrule=0.6mm,
coltitle=black,
rounded corners,
before skip=10pt,
after skip=10pt
}
\definecolor{codegreen}{rgb}{0,0.6,0}
\definecolor{codeblue}{rgb}{0,0,0.8}
\definecolor{codered}{rgb}{0.8,0,0}
\definecolor{lightgray}{rgb}{0.95,0.95,0.95}
\lstdefinestyle{CStyle}{
language=C,
basicstyle=\ttfamily\small, % Monospace-Schrift
keywordstyle=\color{blue}\bfseries, % Schlüsselwörter fett und blau
stringstyle=\color{red}, % Strings rot
commentstyle=\color{codegreen}, % Kommentare grün
backgroundcolor=\color{lightgray}, % Hintergrundfarbe
numbers=left, % Zeilennummern links
numbersep=10px, % Abstand zwischen Zeilennummern und Code
numberstyle=\color{gray}\texttt,
stepnumber=1, % Zeilennummerierung Schrittweite 1
frame=single, % Rahmen um den Code
tabsize=4, % Tabulatorgröße
breaklines=true, % Zeilenumbruch aktivieren
captionpos=below,
showstringspaces=false,
xleftmargin=15pt, % Linker Rand für den Code (verschiebt alles nach rechts)
}
\lstdefinestyle{ShellStyle}{
language=Bash,
basicstyle=\ttfamily\small, % Monospace-Schrift
keywordstyle=\color{black}, % Schlüsselwörter fett und blau
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stepnumber=1, % Zeilennummerierung Schrittweite 1
frame=single, % Rahmen um den Code
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xleftmargin=15pt, % Linker Rand für den Code (verschiebt alles nach rechts)
}
% Umgebung für Listings mit Titel und Zähler
\newenvironment{codeexample}[1][]{
\refstepcounter{commoncounter} % Zähler erhöhen
\lstset{
style=CSharpStyle,
caption={Listing \thecommoncounter: #1}, % Titel mit Zähler
label={listing:\thecommoncounter}
}
}{}
\makeatletter
% Internen Zähler von subsubsection auf commoncounter umbiegen
\let\c@subsubsection\c@commoncounter
% Anzeige der Nummer angleichen
\renewcommand{\thesubsubsection}{\thecommoncounter}
\makeatother
\setlength{\parindent}{0pt}
\newcommand{\curdate}{09.07.2026}
\newcommand{\curtitle}{Galton x Plinko}
\title{\curtitle}
\author{Fierke, Janik, Weidlich}
\pagestyle{scrheadings}
\date{\curdate}
\begin{document}
\ihead{\normalfont\normalsize Mathematik}
\chead{\normalfont\normalsize \curtitle}
\ohead{\normalfont\normalsize \curdate}
\ofoot{\normalfont\normalsize Seite {\pagemark} von \pageref{LastPage}}
\ifoot{\normalfont\normalsize Fierke, Janik, Weidlich}
\setcounter{section}{1}
\section{\curtitle}
{
\begin{wrapfigure}{r}{0.2\textwidth}
\centering
\includegraphics[width=0.7\linewidth]{eurox2.png}
\end{wrapfigure}
Plinko ist ein Glücksspiel aus den 1980er Jahren. Hierbei lässt man einen Ball von oben auf Stäbchen fallen, die wie eine Pyramide angeordnet sind. Ganz unten gibt es Fächer, bei denen der eingesetzte Geldbetrag abhängig vom Fach mit einem bestimmten Faktor multipliziert wird.
\begin{enumerate}
\item Probiert dich auf der Webseite {\color{blue}\hyperref{https://plinko-web-game.netlify.app/}{}{}{plinko-web-game.netlify.app}} einmal aus!
\end{enumerate}
}
\begin{enumerate}
\setcounter{enumi}{1}
\item Stell eine Vermutung auf, wieso in der Mitte aller Fächer die kleinsten Faktoren liegen.\\
\textit{\color{olive}Weil in der Mitte die meisten Kugeln hinfallen werden.}\\
\item Stell eine Vermutung auf, wieso die Faktoren an den Randfächern am größten sind.\\
\textit{\color{olive}Weil dort die wenigsten Kugeln hinfallen werden.}\\
\item Argumentiere, wieso man auf lange Sicht verliert oder gewinnt.\\
\textit{\color{olive}individuell}
\end{enumerate}
Mit dem Wissen über das Galtonbrett und seine Verteilung können wir nun fundierte Schlüsse über Plinko ziehen:
\begin{enumerate}[itemsep=11pt]
\setcounter{enumi}{4}
\item Die Wahrscheinlichkeit mit der eine Kugel in Plinko nach links bzw. rechts hüpft ist \textit{\color{olive}50\%}
\item Nenne die Anzahl der Ebenen in Plinko. \textit{\color{olive}16}
\item Gib die Anzahl an Faktoren (Fächern) an. \textit{\color{olive}17}
\item Gib nun eine Zufallsvariable $X\sim \text{Bin}_{n,p}$ an.\\ \textit{\color{olive}$X\sim\text{Bin}_{16,0,5}$ mit $\mathbb{P}(X=k)=\binom{16}{k}\cdot 0.5^{16}$, wobei $k=\{0,\dots,16\}$}
\item Berechne die Wahrscheinlichkeit folgender Ereignisse:
\begin{enumerate}[label=\alph*),itemsep=11pt]
\item Die Kugel landet beim Multiplikator $0,3x$. \textit{\color{olive}Faktor $0,3x$ entspricht dem Fach 8.\\
$\mathbb{P}(X=8)=\binom{16}{8}\cdot 0.5^{16}=0.196380615234375\approx19,6\%$}
\item Eine Kugel holt ihren gesetzten Betrag exakt wieder rein. \textit{\color{olive}Die Kugel trifft ein Fach mit dem Faktor $1x$, also Fach 6 oder 10.\\
$\mathbb{P}(X=6)+\mathbb{P}(X=10)=\left(\binom{16}{6}+\binom{16}{10}\right)\cdot 0.5^{16}=0.244384765625\approx24,4\%$}
\item Eine Kugel landet in einem der beiden höchsten Faktoren. \textit{\color{olive}Die Kugel trifft Fach 0 oder 16.\\$\mathbb{P}(X=0)+\mathbb{P}(X=16)=\left(\binom{16}{0}+\binom{16}{16}\right)\cdot 0.5^{16}=0.000030517578125\approx0,003\%$}
% \item Zwei Kugeln holen mit Einsatz von je 1\$ einen Gewinn von gesamt 4\$. \hrulefill
\end{enumerate}
\item Bestimme den Erwartungswert, wenn der Einsatz immer 1\$ ist.
\textit{\color{olive}\begin{align*}
\mathbb{E}(X)&=110\$\cdot\mathbb{P}(X=0)+41\$\cdot\mathbb{P}(X=1)+\dots+41\$\cdot\mathbb{P}(X=15)+110\$\cdot\mathbb{P}(X=16)-1\$\\
&=-0.0101165771484375
\end{align*}}
\item Überprüfe die These: "\textit{Je höher mein Einsatz ist, desto mehr bekomme ich raus.}".
\textit{\color{olive}Zum Einen ist die These richtig, da man bei einem Hauptgewinn mehr gewinnt, als wenn
man weniger gesetzt hätte. Man kann jedoch auch deutlich mehr verlieren. Unter
Betrachtung des Erwartungswertes werden die Auszahlungssummen gemäß des
Einsatzes mutlipliziert. Das heißt $k\cdot\mathbb{E}(X)$ wenn $k$ der Einsatz ist. Da $\mathbb{E}(X)<0\Rightarrow k\cdot\mathbb{E}(X)<\mathbb{E}(X)\text{ wenn }k>1$}
\end{enumerate}
\label{LastPage}
\end{document}
BIN
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Binary file not shown.
+21 -20
View File
@@ -221,7 +221,7 @@
\sethlcolor{black!10} % Farbe des "Textmarkers"
\newcommand{\curdate}{09.07.2026}
\newcommand{\curtitle}{ZSG Movire-Laplace}
\newcommand{\curtitle}{Galton x LGS}
\title{\curtitle}
\author{Fierke, Janik, Weidlich}
@@ -234,8 +234,9 @@
\ofoot{\normalfont\normalsize Seite {\pagemark} von \pageref{LastPage}}
\ifoot{\normalfont\normalsize Fierke, Janik, Weidlich}
\setcounter{section}{2}
\section{\curtitle}
Das Galtonbrett lässt sich wir folgt formal mathematisch formulieren:
Das Galtonbrett lässt sich wie folgt formal mathematisch formulieren:
\begin{definitionbox}[Modell des Galtonbretts]
Sei $(\Omega, \mathcal{F}, P)$ ein Wahrscheinlichkeitsraum. \\
Der Fall einer Murmel durch ein Galtonbrett mit \hl{$\bm{n \in \mathbb{N}}$} Reihen wird modelliert durch eine Folge von stochastisch unabhängigen und identisch verteilten Zufallsvariablen $X_1, X_2, \dots, X_n$, wobei \hl{$\bm{X_i \in \{0, 1\}}$}.
@@ -266,7 +267,7 @@
\begin{enumerate}
\item Probiere das ganze selbst einmal auf folgender Website aus: \url{https://www.arndt-bruenner.de/mathe/scripts/galtonbrett.htm}.\\ Was fällt dir auf? \\ \textit{Achtung: stelle p = 0,5 für ein symmetrisches Brett ein!}
\answer{1}
\item Recherchiere selbstständig und zeichne den Graphen der Normalverteilung über die Verteilung des Galtonbrettes ein:
\item Recherchiere selbstständig und zeichne den Graphen der Dichtefunktion der Normalverteilung über die Verteilung des Galtonbrettes ein:
\begin{figure}[H]
\centering
\includegraphics[width=0.8\linewidth]{../images/AB3_GaltonVersuche.png}
@@ -287,25 +288,25 @@
\end{table}
\end{enumerate}
Wir wollen nun das schöne mathematische Phänomen, welches sich in Aufgabe 2.2 offenbart, genauer betrachten. Hierzu formulieren wir dies zuerst mathematisch formal sauber:
\begin{satzbox}[Zentraler Grenzwertsatz von de Movire-Laplace]
\begin{satzbox}[Lokaler Grenzwertsatz von de Moivre-Laplace]
Sei $S_n \sim \mathcal{B}in_{n,p}$ die Anzahl der Erfolge bei $n$ unabhängigen Bernoulli-Versuchen mit Erfolgswahrscheinlichkeit $p \in (0, 1)$ und sei $q = 1-p$ die Gegenwahrscheinlichkeit. (Beispielsweise bei einem Galtonbrett)\\
Für große $n$ lässt sich die Wahrscheinlichkeit, dass $S_n$ den Wert $k \in \{x| x \in\mathbb{N}_0 \land x \leq n\}$ annimmt, durch die Dichtefunktion der Normalverteilung annähern:
Für große $n$ lässt sich die Zähldichte von $S_n$ durch die Glockenkurve (Dichtefunktion der Normalverteilung) annähern:
\[
P(S_n = k) \sim \mathcal{N}(\mu,\sigma ^2)
P(S_n=k) \sim f_{\mathcal{N}(\mu,\sigma ^2)}(k)
\]
wobei $\mathbb{E}(X)=\mu$, $Var(X)=\sigma ^2$ und $\frac{k-np}{\sqrt{npq}}$ begrenzt ist.
wobei $\mathbb{E}(S_n)=\mu$, $Var(S_n)=\sigma ^2$ und $ z = \frac{k-np}{\sqrt{npq}}$ begrenzt ist.
\end{satzbox}
Diesen Satz wollen wir nun Semi-Formal beweisen.\\
Diesen Satz wollen wir nun semiformal beweisen.\\
\textbf{\underline{Aufgabe 3:}} Fülle die Lücken im Beweis aus. Wenn du dir unsicher bist kannst du dir alle fehlenden Textbausteine auf dem Zusatzblatt ansehen.
\begin{enumerate}
\item Bevor wir den Satz beweisen, ist es wichtig, die Aussage zu verstehen. Formuliere die Kernaussage den Satzes kurz in eigenen Worten:
\answer{3}
\item Zuerst muss uns nochmal klar werden, was unser Ausgangspunkt und und das Ziel ist:\\
Ausgangspunkt: $P(S_n = k) = $ \antwortbox[6cm] \vspace{1em} \\
Ziel: $\mathcal{N}(\mu,\sigma ^2) = \mathcal{N}(np)(npq) = $ \antwortbox[6cm]
\item Wir wollen die Binomialverteilung als diskrete Verteilung in eine stetige Verteilung überführen. Das Aspekt der Binomialverteilung welcher die Diskretheit forciert, ist die Fakultät. Die Fakultät der Reelen Zahlen ist die so genannte Gamma ($\Gamma$) Funktion. \\
Ziel: $f_{\mathcal{N}(\mu,\sigma ^2)}(k) = \frac{1}{\sqrt{2\pi \sigma ^2}}\cdot e^{-\frac{\left( x-\mu \right)^2}{2\sigma ^2}}=$ \antwortbox[6cm]
\item Wir wollen die Zähldichte der Binomialverteilung (diskrete Verteilung) mithilfe der Dichte einer einer stetige Verteilung approximieren. Das Aspekt der Binomialverteilung welcher die Diskretheit forciert, ist die Fakultät. Die Fakultät der reellen Zahlen ist die so genannte Gamma ($\Gamma$) Funktion. \\
Zeichne in dem folgenden Koordinatensystem, in dem auch die Gammafunktion abgebildet ist, die Funktionswerte der Fakultät (welche nur auf $\mathbb{N}$ definiert ist) für $x\in \{0,1,2,3,4,5\}$ ein:
Zeichne in dem folgenden Koordinatensystem, in dem auch die Gammafunktion (für $\Gamma(x+1)$) abgebildet ist, die Funktionswerte der Fakultät (welche nur auf $\mathbb{N}$ definiert ist) für $x\in \{0,1,2,3,4,5\}$ ein:
\begin{figure}[H]
\centering
\begin{tikzpicture}
@@ -327,21 +328,21 @@
thick
]
{sqrt(2*pi)*((x+1/2)^(x+1/2))*exp(-(x+1/2))};
\addlegendentry{$\Gamma(x)$}
\addlegendentry{$\Gamma(x+1)$}
\end{axis}
\end{tikzpicture}
\end{figure}
Mithilfe dieser Funktion lässt sich die Fakultät leicht approximieren. Diese Approximation nennt sich Sterling Approximation und besagt:
Mithilfe dieser Funktion lässt sich die Fakultät leicht approximieren. Diese Approximation nennt sich Stirling-Approximation und besagt:
\[
n! \sim \sqrt{2\pi n} \left(\frac{n}{e}\right)^n \sim \Gamma(n)
n! \sim \sqrt{2\pi n} \left(\frac{n}{e}\right)^n \sim \Gamma(n+1)
\] %Stimmt das mit dem Gamma?
Setzen wir das in die Gleichung für $P(S_n = k)$ ein, erhalten wir nach umstellen:
\[
P(S_n = k) \sim \frac{1}{\sqrt{2\pi}}\sqrt{\frac{n}{k(n-k)}} \left(\frac{np}{k}\right)^k \left(\frac{nq}{n-k}\right)^{n-k}
\]
\item Aus dieser Formel lässt sich nun leicht schon einmal der Vorfaktor der Normalverteilung erschließen. Hierzu und zu Vereinfachung weiterer Rechnungen standardisieren wir $S_n$. Dies entspricht auch einer einfachen Substitution und daher vollkommen legitim. Hierzu definieren wir:
\item Aus dieser Formel lässt sich nun leicht schon einmal der Vorfaktor der Glockenkurve erschließen. Hierzu und zu Vereinfachung weiterer Rechnungen standardisieren wir $S_n$. Dies entspricht auch einer einfachen Substitution und daher vollkommen legitim. Hierzu definieren wir:
\[
Z_n = Z_n=\frac{S_n-E(S_n)}{\sigma(S_n)}
Z_n=\frac{S_n-E(S_n)}{\sigma(S_n)}
\]
nimmt $Z_n$ die folgenden Werte an:
\[
@@ -384,14 +385,14 @@
Nenne die Rechengesetze und Substitutionen, welche vermutlich für diese Umformung genutzt wurden!
\answer{3}
Diese Darstellung des Thermes sieht zwar erst mal größer aus, hat aber den Vorteil, dass er aus zwei sich sehr ähnlich aussehenden Teilen besteht. Das machen wir uns zu Nutzen! Mithilfe der Tailor-Approximation für den Logarithmus lassen sich nämlich folgende Abschätzungen beweisen:
Diese Darstellung des Termes sieht zwar erst mal größer aus, hat aber den Vorteil, dass er aus zwei sich sehr ähnlich aussehenden Teilen besteht. Das machen wir uns zu Nutzen! Mithilfe der Taylor-Approximation für den Logarithmus lassen sich nämlich folgende Abschätzungen beweisen:
\[
ln(1-\alpha) \sim -\alpha-\frac{\alpha^2}{2}
\]
\[
ln(1+\alpha) \sim \alpha-\frac{\alpha^2}{2}
\]
Mithilfe einiger Umformungen zufallen dadurch die sich ähnlich sehenden Terme, was zu folgendem, erstaunlichem, Resultat führt:
Mithilfe einiger Umformungen entfallen dadurch die sich ähnlich sehenden Terme, was zu folgendem, erstaunlichem, Resultat führt:
\[
(-np - z\sqrt{npq}) \ln\left(1+z\sqrt{\frac{q}{np}}\right) + (-nq + z\sqrt{npq}) \ln\left(1-z\sqrt{\frac{p}{nq}}\right) \sim -\frac{z^2}{2}
\]
@@ -404,9 +405,9 @@
&= \antwortbox[8cm] \vspace{1em} \\
&= \antwortbox[8cm] \vspace{1em} \\
&= \antwortbox[8cm] \vspace{1em} \\
&= \mathcal{N}(np)(npq) = \mathcal{N}(\mu)(\sigma^2)
&= \frac{1}{\sqrt{2\pi \sigma ^2}}\cdot e^{-\frac{\left( x-\mu \right)^2}{2\sigma ^2}}
\end{align*}
Daher konvergiert eine Binomialverteilte Zufallsvariable (für $n\rightarrow\infty$) gegen die Dichtefunktion der Normalverteilung.
Daher nähert sich die Zähldichte einer binomialverteilten Zufallsvariable (für $n\rightarrow\infty$) der Dichtefunktion der Normalverteilung an.
\end{enumerate}
\label{LastPage}
\end{document}
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@@ -234,6 +234,7 @@
\ofoot{\normalfont\normalsize Seite {\pagemark} von \pageref{LastPage}}
\ifoot{\normalfont\normalsize Fierke, Janik, Weidlich}
\setcounter{section}{2}
\section{\curtitle}
Das Galtonbrett lässt sich wir folgt formal mathematisch formulieren:
\begin{definitionbox}[Modell des Galtonbretts]
@@ -290,13 +291,13 @@
\end{enumerate}
\vspace{4em}
Wir wollen nun das schöne mathematische Phänomen, welches sich in Aufgabe 2.2 offenbart, genauer betrachten. Hierzu formulieren wir dies zuerst mathematisch formal sauber:
\begin{satzbox}[Zentraler Grenzwertsatz von de Movire-Laplace]
\begin{satzbox}[Lokaler Grenzwertsatz von de Movire-Laplace]
Sei $S_n \sim \mathcal{B}in_{n,p}$ die Anzahl der Erfolge bei $n$ unabhängigen Bernoulli-Versuchen mit Erfolgswahrscheinlichkeit $p \in (0, 1)$ und sei $q = 1-p$ die Gegenwahrscheinlichkeit. (Beispielsweise bei einem Galtonbrett)\\
Für große $n$ lässt sich die Wahrscheinlichkeit, dass $S_n$ den Wert $k \in \{x| x \in\mathbb{N}_0 \land x \leq n\}$ annimmt, durch die Dichtefunktion der Normalverteilung annähern:
Für große $n$ lässt sich die Zähldichte von $S_n$ durch die Glockenkurve (Dichtefunktion der Normalverteilung) annähern:
\[
P(S_n = k) \sim \mathcal{N}(\mu,\sigma ^2)
P(S_n=k) \sim f_{\mathcal{N}(\mu,\sigma ^2)}(k)
\]
wobei $\mathbb{E}(X)=\mu$, $Var(X)=\sigma ^2$ und $\frac{k-np}{\sqrt{npq}}$ begrenzt ist.
wobei $\mathbb{E}(S_n)=\mu$, $Var(S_n)=\sigma ^2$ und $ z = \frac{k-np}{\sqrt{npq}}$ begrenzt ist.
\end{satzbox}
Diesen Satz wollen wir nun Semi-Formal beweisen.\\
\textbf{\underline{Aufgabe 3:}} Fülle die Lücken im Beweis aus. Wenn du dir unsicher bist kannst du dir alle fehlenden Textbausteine auf dem Zusatzblatt ansehen.
@@ -307,8 +308,8 @@
\item Zuerst muss uns nochmal klar werden, was unser Ausgangspunkt und und das Ziel ist:
\vspace{3em}
Ausgangspunkt: $P(S_n = k) = \frac{n!}{k!(n-k)!} p^k q^{n-k}$ \vspace{2em} \\
Ziel: $\mathcal{N}(\mu,\sigma ^2) = \mathcal{N}(np)(npq) = \frac{1}{\sqrt{2\pi npq}}e^{\left(-\frac{(k-np)^2}{2npq}\right)}$ \vspace{3em}
\item Wir wollen die Binomialverteilung als diskrete Verteilung in eine stetige Verteilung überführen. Das Aspekt der Binomialverteilung welcher die Diskretheit forciert, ist die Fakultät. Die Fakultät der Reelen Zahlen ist die so genannte Gamma ($\Gamma$) Funktion. \\
Ziel: $f_{\mathcal{N}(\mu,\sigma ^2)}(k) = \frac{1}{\sqrt{2\pi \sigma ^2}}\cdot e^{-\frac{\left( x-\mu \right)^2}{2\sigma ^2}} = \frac{1}{\sqrt{2\pi npq}}e^{\left(-\frac{(k-np)^2}{2npq}\right)}$ \vspace{3em}
\item Wir wollen die Zähldichte der Binomialverteilung (diskrete Verteilung) mithilfe der Dichte einer einer stetige Verteilung approximieren. Das Aspekt der Binomialverteilung welcher die Diskretheit forciert, ist die Fakultät. Die Fakultät der Reelen Zahlen ist die so genannte Gamma ($\Gamma$) Funktion. \\
Zeichne in dem folgenden Koordinatensystem, in dem auch die Gammafunktion abgebildet ist, die Funktionswerte der Fakultät (welche nur auf $\mathbb{N}$ definiert ist) für $x\in \{0,1,2,3,4\}$ ein:
\begin{figure}[H]
@@ -333,7 +334,7 @@
thick
]
{sqrt(2*pi)*((x+1/2)^(x+1/2))*exp(-(x+1/2))};
\addlegendentry{Fortsetzung}
\addlegendentry{$\Gamma(x+1)$}
\addplot[
only marks,
@@ -360,9 +361,9 @@
\[
P(S_n = k) \sim \frac{1}{\sqrt{2\pi}}\sqrt{\frac{n}{k(n-k)}} \left(\frac{np}{k}\right)^k \left(\frac{nq}{n-k}\right)^{n-k}
\]
\item Aus dieser Formel lässt sich nun leicht schon einmal der Vorfaktor der Normalverteilung erschließen. Hierzu und zu Vereinfachung weiterer Rechnungen standardisieren wir $S_n$. Dies entspricht auch einer einfachen Substitution und daher vollkommen legitim. Hierzu definieren wir:
\item Aus dieser Formel lässt sich nun leicht schon einmal der Vorfaktor der Glockenkurve erschließen. Hierzu und zu Vereinfachung weiterer Rechnungen standardisieren wir $S_n$. Dies entspricht auch einer einfachen Substitution und daher vollkommen legitim. Hierzu definieren wir:
\[
Z_n = Z_n=\frac{S_n-E(S_n)}{\sigma(S_n)}
Z_n=\frac{S_n-E(S_n)}{\sigma(S_n)}
\]
nimmt $Z_n$ die folgenden Werte an:
\[
@@ -434,9 +435,9 @@
P(S_n = k) &\sim \frac{1}{\sqrt{2\pi npq}}e^{-\frac{z^2}{2}} \\
&= \frac{1}{\sqrt{2\pi npq}}e^{-\frac{\left(\frac{k-np}{\sqrt{npq}}\right)^2}{2}} \vspace{1em} \\
&= \frac{1}{\sqrt{2\pi npq}}e^{\left(-\frac{(k-np)^2}{2npq}\right)} \vspace{1em} \\
&= \mathcal{N}(np)(npq) = \mathcal{N}(\mu)(\sigma^2)
&= \frac{1}{\sqrt{2\pi \sigma ^2}}\cdot e^{-\frac{\left( x-\mu \right)^2}{2\sigma ^2}}
\end{align*}
Daher konvergiert eine Binomialverteilte Zufallsvariable (für $n\rightarrow\infty$) gegen die Dichtefunktion der Normalverteilung.
Daher nährt sich die Zähldichte einer binomialverteilten Zufallsvariable (für $n\rightarrow\infty$) der Dichtefunktion der Normalverteilung an.
\end{enumerate}
\label{LastPage}
\end{document}