ABI - Einfluss von Erwartungswert und Standardabweichung untersuchen

ABI - Einfluss von Erwartungswert und Standardabweichung untersuchen
ABI - Einfluss von Erwartungswert und Standardabweichung untersuchen
Mini-Beschreibung: Verändere und mit Schiebereglern und beschreibe Lage und Breite der Normalverteilung. Unterscheide klar zwischen Verschiebung durch den Erwartungswert und Veränderung der Streuung durch die Standardabweichung.

Kurzer Einstieg
Eine Normalverteilung wird durch zwei Parameter bestimmt:
- legt die Lage der Glockenkurve fest.
- legt die Streuung und damit die Breite der Glockenkurve fest.
Für eine normalverteilte Zufallsvariable schreibt man
.
Die zugehörige Dichtefunktion lautet
.
Merksatz: Ändert sich nur , wandert die Glocke nach links oder rechts. Ändert sich nur , bleibt ihre Mitte bei , aber die Glocke wird schmaler und höher oder breiter und flacher.
Lernziele
Nach diesem aiMOOC kannst Du
- Erwartungswert und Standardabweichung an einer Normalverteilung deuten.
- eine Veränderung von als horizontale Verschiebung erkennen.
- eine Veränderung von als Veränderung der Streuung erklären.
- den Hochpunkt und die Symmetrieachse der Glockenkurve aus bestimmen.
- die Wendestellen und zur grafischen Interpretation nutzen.
- Aussagen über Lage, Breite und Höhe verschiedener Normalverteilungen begründen.
- im Leistungsfach die Parameterwirkung aus der Dichtefunktion herleiten.
Basisfach: Schwerpunkt sind verständige Verfahren, sichere Graphdeutung und anschauliche Argumentation.
Leistungsfach: Zusätzlich werden die Parameterwirkungen formal über die Dichtefunktion, Standardisierung und Modellierung begründet.
Prüfungsbezug Baden-Württemberg
Dieser Kurs ist auf die Kursstufe und das Mathematik-Abitur in Baden-Württemberg ausgerichtet. Die Normalverteilung gehört auch im Basisfach zum Themenbereich Daten und Zufall; im Leistungsfach wird sie vertieft behandelt.
Für den Prüfungsjahrgang 2027 sind die jeweils aktuellen amtlichen Vorgaben maßgeblich. Informationen und Facherlass: Ministerium für Kultus, Jugend und Sport Baden-Württemberg – Abitur
Wichtig: GeoGebra, Videos, dynamische Graphen und andere Übungswerkzeuge in diesem aiMOOC sind Lernhilfen. Sie sind nicht automatisch als Hilfsmittel in einer Abiturprüfung zugelassen. Prüfe für Deinen Prüfungsjahrgang den aktuellen Facherlass und die Hinweise Deiner Schule.
KI-Hinweis: Von KI erzeugte Rechnungen, Graphen und Begründungen müssen mathematisch überprüft werden. Eine KI-Ausgabe ersetzt keinen mathematischen Beweis.
Vorwissen-Check
Du solltest bereits wissen, was Zufallsvariable, Wahrscheinlichkeit, Erwartungswert, Varianz und Standardabweichung bedeuten.
| Ergänze. |
|---|
| Der Erwartungswert einer Verteilung beschreibt ihre { Lage }. |
| Die Standardabweichung beschreibt die { Streuung } um den Erwartungswert. |
| Für eine Normalverteilung gilt stets { größer } als . |
| Die Gesamtfläche unter einer Dichtekurve ist { 1 }. |
Wenn Dir mehr als eine Lücke schwerfällt: Wiederhole zuerst Erwartungswert, Varianz und Standardabweichung.
Parameterwirkung visuell untersuchen
Interaktives Modell: Schieberegler für μ und σ
Ändere zuerst nur und halte fest. Ändere danach nur und halte fest.
Beobachtungsauftrag:
- Verändere . Beschreibe, was sich am Graphen ändert und was gleich bleibt.
- Stelle danach fest ein und verändere .
- Vergleiche jeweils die Lage des Hochpunkts, die Breite der Glocke und ihre maximale Höhe.
- Formuliere am Ende zwei getrennte Regeln: eine für , eine für .
Erwartungswert μ: Verschiebung
Bei festem gilt:
die gesamte Glockenkurve verschiebt sich nach rechts.
die gesamte Glockenkurve verschiebt sich nach links.
Die Form bleibt gleich.
Der Hochpunkt liegt bei
.
Die Symmetrieachse ist
.
Beispiel:
und
.
Beide Verteilungen haben dieselbe Streuung. Die zweite Glocke ist gegenüber der ersten um Einheiten nach rechts verschoben.

Standardabweichung σ: Streuung
Bei festem verändert nicht die Mitte, sondern die Streuung.
breiter und flacher.
schmaler und höher.
Die maximale Dichte ist
.
Damit gilt: Wird größer, wird die maximale Höhe kleiner.
Die Wendestellen liegen bei
und
.

Warum bleibt die Gesamtfläche 1?
Eine Dichtekurve muss insgesamt die Wahrscheinlichkeit darstellen:
.
Deshalb kann eine breitere Glocke nicht gleichzeitig überall gleich hoch bleiben. Wird sie durch größeres breiter, muss sie zugleich flacher werden.
Denkfrage: Warum wäre eine breitere und gleichzeitig gleich hohe Glocke keine Wahrscheinlichkeitsdichte derselben Art?
Visuelle Schritt-für-Schritt-Erklärung
| Schritt | Mathematische Idee |
|---|---|
| 1 | Ausgangspunkt ist die Standardnormalverteilung . |
| 2 | Durch wird die Kurve horizontal an die Lage verschoben. |
| 3 | Durch wird die horizontale Skala mit verändert. |
| 4 | Der Faktor passt die Höhe so an, dass die Gesamtfläche weiterhin bleibt. |
Damit lässt sich die Dichte kompakt schreiben als
.
Leistungsfach: Diese Darstellung trennt Verschiebung und Skalierung besonders deutlich.
Zweites dynamisches Modell: Dichte und z-Skala
Untersuche mit den Schiebereglern:
- Welche Stelle auf der -Achse entspricht ?
- Wo liegen und ?
- Was passiert mit der -Skala, wenn wächst?
Die Standardisierung lautet
.
Sigma-Umgebungen
Für jede Normalverteilung gelten dieselben standardisierten Flächenanteile:
.
Wichtig: Die Intervalle werden mit wachsendem breiter. Die zugehörigen standardisierten Wahrscheinlichkeiten bleiben jedoch gleich.

Interaktive Beispiele
Beispiel 1: Nur μ wird verändert
Gegeben sind
und
.
Beobachtung: Beide Glocken haben dieselbe Breite, denn ist gleich. Der Graph von ist gegenüber dem Graphen von um Einheiten nach rechts verschoben.
Die Symmetrieachse von liegt bei { }. Die Symmetrieachse von liegt bei { }.
Beispiel 2: Nur σ wird verändert
Gegeben sind
und
.
Beide Kurven sind um symmetrisch. Die Verteilung von ist breiter und flacher.
Bei liegen die Wendestellen bei { } und { }. Bei liegen sie bei { } und { }.
Beispiel 3: Standardisieren
Für
und gilt:
.
Der Wert liegt also zwei Standardabweichungen über dem Erwartungswert.
Aufklappbarer Rechenweg
| Rechenschritt | Begründung |
|---|---|
| Abstand vom Erwartungswert bestimmen. | |
| Abstand in Einheiten der Standardabweichung ausdrücken. | |
| liegt zwei Standardabweichungen rechts von . |
Übungen mit Hilfen und Feedback
Übung A: Graphen vergleichen
Verteilung A hat und . Verteilung B hat und .
Aufgabe: Welche Kurve ist breiter?
Die breitere Kurve gehört zu Verteilung { B }, weil ihre Standardabweichung { größer } ist.
Hilfe: Vergleiche nur . Der gleiche Erwartungswert bedeutet gleiche Lage der Mitte.
Übung B: Verschiebung erkennen
Verteilung A hat , Verteilung B hat . Beide haben .
Aufgabe: Beschreibe die Veränderung.
Die Glocke wird um { } Einheiten nach { rechts } verschoben. Ihre Breite bleibt { gleich }.
Übung C: Wendestellen
Für
liegen die Wendestellen bei
{ } und { }.
Hilfe: Nutze und .
Übung D: Basisfach und Leistungsfach
Basisfach: Erkläre in eigenen Worten, warum bei größerem die Glocke breiter wird.
Leistungsfach: Nutze
und begründe sowohl die horizontale Streckung als auch die Änderung der Höhe.
Fehleranalyse
Typische Fehlvorstellungen
Fehler 1: „Ein größeres macht die Glocke breiter.“
Korrektur: verändert die Lage, nicht die Streuung.
Fehler 2: „Ein größeres verschiebt den Hochpunkt nach rechts.“
Korrektur: Bei festem bleibt der Hochpunkt bei .
Fehler 3: „Wenn die Glocke breiter wird, wird die Fläche unter ihr größer.“
Korrektur: Die Gesamtfläche bleibt immer . Eine breitere Normalverteilung wird daher flacher.
Fehler 4: „ kann negativ sein, weil Abweichungen auch negativ sein können.“
Korrektur: Die Standardabweichung erfüllt immer ; bei einer echten Normalverteilung gilt .
Fehlerdiagnose-Aufgabe
Eine Schülerin sagt:
„Ich ändere von auf . Deshalb wird die Glocke dreimal so breit.“
Formuliere eine mathematisch richtige Verbesserung.
Feedback: Richtig ist eine Verschiebung um Einheiten nach rechts. Die Breite bleibt gleich, solange unverändert bleibt.
Selbstkontrolle
Prüfe ohne Hilfsmittel:
- Kannst Du am Hochpunkt ablesen?
- Kannst Du aus den Wendestellen bestimmen?
- Kannst Du zwischen Verschiebung und Streuungsänderung unterscheiden?
- Kannst Du erklären, warum größeres eine flachere Glocke erzeugt?
- Kannst Du einen Wert mit standardisieren?
Wenn Du mindestens vier Punkte sicher beantworten kannst, gehe zum Transfer.
Transfer
Modellierung: Fertigungsprozess
Die Masse eines Bauteils werde näherungsweise normalverteilt modelliert.
Prozess A:
Prozess B:
.
Beide Prozesse haben denselben Erwartungswert. Prozess A streut jedoch weniger stark.
Transferfrage: Bei welchem Prozess liegen Werte typischerweise dichter um ? Begründe grafisch und mit .
Vertiefung Leistungsfach: Vergleiche zusätzlich die Wahrscheinlichkeiten für das feste Intervall
.
Begründe vor der Rechnung, bei welcher Verteilung Du die größere Wahrscheinlichkeit erwartest.
Dynamischer Transfer
Nutze das erste GeoGebra-Modell noch einmal:
- Setze .
- Vergleiche und .
- Markiere gedanklich das feste Intervall .
- Erkläre, warum ein festes Intervall um bei kleinerem einen größeren Anteil der Fläche erfassen kann.
Kompetenzcheck
Basisfach:
- Ich kann die Bedeutung von und an einem Graphen beschreiben.
- Ich kann verschiedene Glockenkurven anhand von Lage und Breite vergleichen.
- Ich kann einfache Sigma-Umgebungen interpretieren.
- Ich kann meine Entscheidung anschaulich begründen.
Leistungsfach:
- Ich kann die Dichtefunktion einer Normalverteilung sicher lesen.
- Ich kann die Parameterwirkung mit begründen.
- Ich kann standardisieren und den Zusammenhang zwischen - und -Skala erklären.
- Ich kann Parameter in Modellierungssituationen interpretieren.
Reflexion
- Welche Veränderung erkennst Du schneller am Graphen: eine Veränderung von oder von ? Begründe.
- Welche grafische Information hilft Dir am meisten, abzuschätzen?
- Formuliere in genau zwei Sätzen den Unterschied zwischen Verschiebung und Streuungsänderung.
Folgekurs
Als nächstes eignen sich:
- Standardnormalverteilung und Standardisierung
- Normalverteilung - Wahrscheinlichkeiten berechnen
- Normalverteilung - Parameter aus Wahrscheinlichkeiten bestimmen
- Binomialverteilung und Normalverteilung
- Hypothesentest als Vertiefung im Leistungsfach
Interaktive Aufgaben
Quiz: Teste Dein Wissen
Welche Wirkung hat eine Erhöhung von μ bei konstantem σ? (Die Glockenkurve verschiebt sich nach rechts) (!Die Glockenkurve wird breiter) (!Die Glockenkurve wird höher) (!Die Gesamtfläche wird größer)
Welche Wirkung hat eine Erhöhung von σ bei konstantem μ? (Die Glockenkurve wird breiter und flacher) (!Die Glockenkurve verschiebt sich nach rechts) (!Die Symmetrieachse verschiebt sich) (!Die Gesamtfläche wird größer)
Wo liegt der Hochpunkt einer Normalverteilung? (Bei x gleich μ) (!Bei x gleich σ) (!Bei x gleich μ plus σ) (!Bei x gleich null)
Welche Größe beschreibt die Streuung einer Normalverteilung? (Die Standardabweichung σ) (!Der Erwartungswert μ) (!Die Gesamtfläche) (!Der Median des Intervalls)
Was bleibt bei einer Veränderung von μ bei festem σ unverändert? (Die Form und Breite der Glockenkurve) (!Die Lage des Hochpunkts) (!Die Symmetrieachse) (!Die x Koordinate des Maximums)
Wo liegen die Wendestellen einer Normalverteilung? (Bei μ minus σ und μ plus σ) (!Bei μ minus 2σ und μ plus 2σ) (!Bei null und μ) (!Immer bei minus eins und eins)
Was gilt für die Gesamtfläche unter einer Dichtekurve der Normalverteilung? (Sie ist gleich 1) (!Sie ist gleich μ) (!Sie ist gleich σ) (!Sie wächst mit σ)
Welche Verteilung ist bei gleichem μ schmaler? (Die Verteilung mit kleinerem σ) (!Die Verteilung mit größerem σ) (!Beide sind immer gleich breit) (!Das hängt nur von μ ab)
Welche Formel standardisiert einen Wert x? (z gleich x minus μ geteilt durch σ) (!z gleich x plus μ geteilt durch σ) (!z gleich x mal σ) (!z gleich μ minus x mal σ)
Was unterscheidet Basisfach und Leistungsfach in diesem Kurs besonders? (Im Leistungsfach wird die Parameterwirkung zusätzlich formal begründet) (!Im Basisfach gibt es keine Normalverteilung) (!Im Leistungsfach wird σ nicht verwendet) (!Im Basisfach wird nur mit Binomialverteilungen gearbeitet)
Memory
| Erwartungswert | Lage der Glockenkurve |
| Standardabweichung | Streuung der Glockenkurve |
| Symmetrieachse | x gleich μ |
| Wendestellen | μ minus σ und μ plus σ |
| Standardisierung | z gleich x minus μ geteilt durch σ |
| Gesamtfläche | Wahrscheinlichkeit 1 |
Drag and Drop
| Ordne die richtigen Begriffe zu. | Thema |
|---|---|
| Verschiebung | Veränderung von μ |
| Streuungsänderung | Veränderung von σ |
| Hochpunkt | Stelle x gleich μ |
| Wendestellen | Abstand σ von μ |
| Standardisierung | Wechsel auf die z Skala |
Kreuzworträtsel
| Erwartungswert | Welcher Parameter bestimmt die Lage der Normalverteilung? |
| Standardabweichung | Welcher Begriff bezeichnet die Streuung um den Erwartungswert? |
| Symmetrieachse | Wie heißt die senkrechte Linie durch den Mittelpunkt der Glockenkurve? |
| Wendestelle | Wie heißt ein Punkt, an dem die Krümmung des Graphen wechselt? |
| Standardisierung | Wie heißt die Transformation von x auf die z Skala? |
| Dichtefunktion | Welche Funktion beschreibt die Glockenkurve mathematisch? |
LearningApps
Lückentext
Offene Aufgaben
Leicht
- Normalverteilung skizzieren: Zeichne drei Glockenkurven mit gleichem , aber verschiedenen Werten von .
- Streuung vergleichen: Erstelle zwei Skizzen mit gleichem , aber deutlich unterschiedlichen Werten von .
- Parameter-Sprechtext: Nimm eine kurze Audioerklärung auf, in der Du Verschiebung und Streuungsänderung unterscheidest. Verwende keine personenbezogenen Daten.
- GeoGebra-Beobachtung: Dokumentiere mit drei Screenshots, was beim Verändern von passiert.
Standard
- Graphanalyse: Erstelle selbst vier Normalverteilungen und lasse eine andere Person die zugehörigen Werte von und qualitativ vergleichen.
- Fehleranalyse: Erfinde drei falsche Aussagen über und und korrigiere sie mathematisch.
- Modellierung: Entwickle mit frei erfundenen Messwerten ein Qualitätskontroll-Beispiel mit zwei Normalverteilungen.
- Erklärvideo: Produziere ein kurzes Lernvideo, das die Wirkung von und mit einem dynamischen Graphen zeigt.
Schwer
- Herleitung: Leite aus die Parameterwirkungen formal her.
- Standardisierung untersuchen: Zeige an drei verschiedenen Normalverteilungen, dass ein Abstand von genau einer Standardabweichung immer zu beziehungsweise führt.
- Modellvergleich: Untersuche für zwei Normalverteilungen mit gleichem Erwartungswert und verschiedener Standardabweichung mehrere feste Intervalle und formuliere eine begründete Vermutung über die Intervallwahrscheinlichkeiten.
- Abitur-Transfer: Entwirf eine eigene abiturähnliche Teilaufgabe zur Graphdeutung einer Normalverteilung mit Erwartungswert und Standardabweichung sowie einen vollständigen Erwartungshorizont.


Lernkontrolle
- Parameterwirkung begründen: Erkläre, warum eine Veränderung von eine Verschiebung, aber keine Änderung der Breite erzeugt.
- Flächenargument: Begründe ohne bloßes Auswendiglernen, warum eine Normalverteilung bei größerem flacher werden muss.
- Graphrekonstruktion: Du kennst nur Hochpunkt und Wendestellen eines Normalverteilungsgraphen. Beschreibe, wie Du daraus und bestimmst.
- Transfer auf Messdaten: Zwei Produktionsprozesse besitzen denselben Erwartungswert, aber verschiedene Standardabweichungen. Erkläre, welcher Prozess stärkere Schwankungen zeigt und woran Du dies grafisch erkennst.
- Standardisierung erklären: Begründe die Bedeutung von unabhängig von der konkreten Einheit der Zufallsgröße.
- Basisfach und Leistungsfach: Formuliere zuerst eine anschauliche und danach eine formale Erklärung dafür, warum die Breite der Glockenkurve beeinflusst.
Lernnachweis
Für einen Lernnachweis solltest Du zeigen können, dass Du
- und sicher aus Beschreibungen und Graphen interpretierst.
- Verschiebung und Veränderung der Streuung eindeutig unterscheidest.
- Hochpunkt, Symmetrieachse und Wendestellen einer Normalverteilung korrekt zuordnest.
- die konstante Gesamtfläche unter der Dichtekurve als Wahrscheinlichkeit deutest.
- einfache Standardisierungen mit nachvollziehbar ausführst.
- im Basisfach verständig und anschaulich argumentierst.
- im Leistungsfach zusätzlich formal mit der Dichtefunktion und Standardisierung begründest.
- Ergebnisse, auch aus digitalen oder KI-gestützten Werkzeugen, mathematisch überprüfst.
OERs zum Thema
Freie oder offen zugängliche Lernmedien im Kurs:
auf Wikimedia Commons
auf Wikimedia Commons
auf Wikimedia Commons- GeoGebra: Normalverteilung mit veränderlichem Mittelwert und veränderlicher Standardabweichung
- GeoGebra: Dichtefunktion mit Schiebereglern und z-Skala
Medienhinweis: Bei Wikimedia Commons ist die jeweilige Dateibeschreibungsseite mit Lizenzangabe maßgeblich. YouTube- und GeoGebra-Einbettungen sind externe Inhalte; für ihre Nutzung gelten die Bedingungen der jeweiligen Plattform. Verwende bei eigenen Projekten keine personenbezogenen Daten.
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