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M5 M - Maximum, Minimum, Spannweite und Mittelwert

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M5 M - Maximum, Minimum, Spannweite und Mittelwert




Einleitung

M5 M - Maximum, Minimum, Spannweite und Mittelwert führt Dich in vier zentrale Kennwerte ein, mit denen Du überschaubare Datensätze schnell beschreiben und vergleichen kannst. Du arbeitest mit Messreihen, Sportergebnissen, Temperaturen und Diagrammen. Dabei geht es nicht nur um Rechnen: Du sollst immer erklären können, was ein Kennwert im jeweiligen Zusammenhang bedeutet.

Kennwert Mathematische Idee Leitfrage
Minimum xmin Welcher Wert ist am kleinsten?
Maximum xmax Welcher Wert ist am größten?
Spannweite R=xmaxxmin Wie weit liegen die äußersten Werte auseinander?
Mittelwert x=x1+x2++xnn Welcher Wert entsteht beim fairen Ausgleichen?

Du lernst außerdem, Daten als Urliste und Rangliste zu lesen, Einheiten korrekt mitzunehmen und zu erkennen, warum ein einzelner ungewöhnlicher Messwert die Spannweite und den Mittelwert verändern kann.

Ein Säulendiagramm macht Unterschiede zwischen Werten sichtbar. Bei einer Datenreihe suchst Du zuerst nach dem kleinsten und größten Wert. Danach kannst Du die Spannweite bestimmen und – falls sinnvoll – den Mittelwert berechnen.


Lernziele

Nach diesem aiMOOC kannst Du in kleinen Datensätzen Minimum, Maximum, Spannweite und arithmetisches Mittel bestimmen, die Rechenwege mit ... notieren und die Ergebnisse im Sachzusammenhang deuten. Du kannst außerdem zwei Messreihen anhand ihrer Kennwerte vergleichen und einfache Auffälligkeiten erkennen.

Du kannst … Beispiel
Werte ordnen 13, 9, 12, 10, 119, 10, 11, 12, 13
Extremwerte finden xmin=9,xmax=13
Spannweite berechnen R=139=4
Mittelwert berechnen x=9+10+11+12+135=11
Ergebnis deuten Die Werte reichen von 9 bis 13; ihr Durchschnitt beträgt 11.


Von der Messreihe zur Rangliste

Eine Urliste enthält Werte meist in der Reihenfolge, in der sie beobachtet oder gemessen wurden. Eine Rangliste ordnet dieselben Werte der Größe nach. Das Sortieren erleichtert das sichere Ablesen von Minimum und Maximum.

Beispiel: Fünf Laufzeiten über eine kurze Strecke wurden gemessen:

12s, 10s, 14s, 11s, 13s

Die geordnete Rangliste lautet:

10s, 11s, 12s, 13s, 14s

Schritt Ergebnis
Urliste 12, 10, 14, 11, 13
Rangliste 10, 11, 12, 13, 14
Minimum 10s
Maximum 14s

Wichtig: Bei Laufzeiten bedeutet ein kleinerer Wert meist eine schnellere Leistung. Das mathematische Minimum ist also nicht automatisch die „schlechteste“ Leistung. Die Bedeutung entsteht erst durch den Kontext.


Minimum und Maximum

Das Minimum ist der kleinste Wert einer Datenreihe. Das Maximum ist der größte Wert.

xmin=kleinster Wert

xmax=größter Wert

Bei den Laufzeiten 10, 11, 12, 13, 14 Sekunden gilt:

xmin=10s

xmax=14s

In Worten: Die schnellste gemessene Zeit beträgt 10 Sekunden, die langsamste 14 Sekunden.


Visuelle Zahlengerade

Auf einer Zahlengerade liegt das Minimum links und das Maximum rechts. Der Abstand dazwischen führt direkt zur Spannweite.

10  11  12  13  14

Die Zahlengerade hilft Dir besonders dann, wenn Du nicht nur die Extremwerte, sondern auch die Abstände zwischen den Datenpunkten betrachten möchtest.

Dynamische Zahlengerade: Verschiebe in diesem GeoGebra-Werkzeug die Markierungen und stelle für eine Datenreihe zuerst Minimum und Maximum ein. Lies danach den Abstand der beiden Werte als Spannweite ab.


Spannweite

Die Spannweite beschreibt den Abstand zwischen Maximum und Minimum. Sie ist ein einfaches Maß dafür, wie weit die äußersten Werte einer Datenreihe auseinanderliegen.

R=xmaxxmin

Für die Laufzeiten gilt:

R=14s10s=4s

Die Spannweite beträgt also 4s. Im Kontext bedeutet das: Zwischen der schnellsten und der langsamsten gemessenen Laufzeit liegen 4 Sekunden.

Datenreihe Minimum Maximum Spannweite
10, 11, 12, 13, 14 10 14 1410=4
8, 12, 12, 12, 16 8 16 168=8

Die zweite Datenreihe besitzt die größere Spannweite. Ihre Werte sind zwischen den äußersten Beobachtungen weiter verteilt.


Spannweite auf der Zahlengeraden

Du kannst die Spannweite als Weg vom Minimum zum Maximum lesen:

10144 Einheiten

Bei Messgrößen behält die Spannweite die Einheit der Daten. Sind die Daten in Sekunden angegeben, ist auch die Spannweite in Sekunden angegeben. Bei Temperaturen in Grad Celsius ist auch die Spannweite in Grad Celsius anzugeben.


Der Mittelwert als fairer Ausgleich

Der arithmetische Mittelwert wird oft einfach Mittelwert oder Durchschnitt genannt. Du addierst alle Werte und teilst die Summe durch die Anzahl der Werte.

x=x1+x2++xnn

Für die Laufzeiten:

x=10+11+12+13+145

x=605=12s

Der durchschnittliche Wert der fünf Laufzeiten beträgt 12 Sekunden.

Die Wippe ist ein gutes Bild für den Mittelwert: Werte unterhalb des Mittelwerts und Werte oberhalb des Mittelwerts können sich bildlich ausgleichen. Der Mittelwert kann deshalb als Balancepunkt der Daten verstanden werden.

Erklärvideo: Mittelwert – Durchschnitt berechnen (Lehrerschmidt)


Schritt-für-Schritt-Rechenweg

Für die Messreihe 6, 8, 7, 9, 10:

Schritt Rechnung Bedeutung
1. Addieren 6+8+7+9+10=40 Summe aller Messwerte
2. Anzahl bestimmen n=5 Es gibt fünf Werte
3. Teilen 405=8 Faire Verteilung der Gesamtsumme
4. Deuten x=8 Durchschnitt der Messreihe

Erklärvideo: Mittelwert berechnen (MathemaTrick)


Beispiel 1: Temperaturen

Bei Temperaturen sind die Kennwerte besonders anschaulich. Betrachte eine Messreihe von fünf Tagen:

7C, 9C, 11C, 10C, 8C

Die geordnete Reihe lautet:

7, 8, 9, 10, 11

Damit gilt:

xmin=7C

xmax=11C

R=11C7C=4C

x=7+8+9+10+115=455=9C

Kennwert Wert Bedeutung im Zusammenhang
Minimum 7C niedrigste Temperatur der Messreihe
Maximum 11C höchste Temperatur der Messreihe
Spannweite 4C Abstand zwischen niedrigster und höchster Temperatur
Mittelwert 9C durchschnittliche Temperatur der fünf Tage


Temperaturverlauf im Diagramm

Ein Liniendiagramm ist nützlich, wenn Messwerte in einer zeitlichen Reihenfolge stehen. Bewege Deinen Blick von links nach rechts und suche zuerst Tiefpunkt und Hochpunkt. Anschließend prüfst Du, ob diese Punkte zu Minimum und Maximum der Datenliste passen.

Denkfrage: Wenn zwei Wochen dieselbe Durchschnittstemperatur haben, müssen sie dann auch dieselbe Spannweite besitzen? Nein. Der Mittelwert beschreibt den Ausgleich, die Spannweite beschreibt den Abstand der Extremwerte.


Beispiel 2: Sportdaten

Bei einem Sportfest werden fünf Sprungweiten erfasst:

3,2m, 3,6m, 3,4m, 3,8m, 3,5m

Die Rangliste lautet:

3,2, 3,4, 3,5, 3,6, 3,8

xmin=3,2m

xmax=3,8m

R=3,83,2=0,6m

Der Mittelwert ist:

x=3,2+3,6+3,4+3,8+3,55=17,55=3,5m

Die durchschnittliche Sprungweite beträgt 3,5m.

Animiertes Erklärvideo: Arithmetisches Mittel, Spannweite und Median (Cornelsen Verlag)


Interaktive Sportdatenanalyse

Die folgenden GeoGebra-Materialien sind für die Schulstufen 5–6 vorgesehen. Nutze sie, um Datenpunkte zu ordnen, Extremwerte zu bestimmen und Kennwerte zu interpretieren.

Arbeitsauftrag: Verändere oder untersuche die vorgegebenen Weitsprungdaten. Notiere jeweils xmin, xmax und R. Beschreibe danach in einem vollständigen Satz, was die Spannweite für die Sprungleistungen bedeutet.


Beispiel 3: Messreihe aus dem Alltag

Fünf Stifte werden gemessen:

14cm, 15cm, 16cm, 14cm, 16cm

Kennwert Rechnung Ergebnis
Minimum kleinster Wert 14cm
Maximum größter Wert 16cm
Spannweite 1614 2cm
Mittelwert 14+15+16+14+165 15cm

Die Messwerte liegen in einem engen Bereich von 14 cm bis 16 cm. Die Spannweite von 2 cm zeigt, dass die Stiftlängen relativ nah beieinanderliegen.


Zwei Datenreihen vergleichen

Ein einzelner Kennwert erzählt nie die ganze Geschichte. Besonders deutlich wird das bei zwei Reihen mit gleichem Mittelwert:

Datenreihe Werte Mittelwert Spannweite
A 10, 11, 12, 13, 14 12 4
B 8, 12, 12, 12, 16 12 8

Beide Reihen haben den Mittelwert 12. Trotzdem unterscheiden sie sich: Reihe B besitzt eine doppelt so große Spannweite. Ihre äußersten Werte liegen weiter auseinander.

Merksatz: Der Mittelwert beschreibt eine Mitte durch Ausgleich. Die Spannweite beschreibt die Breite zwischen den Extremwerten.


Der Einfluss eines Ausreißers

Vergleiche:

A:8, 9, 10, 11, 12

B:8, 9, 10, 11, 32

Für Reihe A:

RA=128=4

xA=8+9+10+11+125=10

Für Reihe B:

RB=328=24

xB=8+9+10+11+325=14

Nur ein Wert wurde stark verändert. Trotzdem steigt die Spannweite von 4 auf 24 und der Mittelwert von 10 auf 14. Ein auffällig weit entfernter Wert wird häufig Ausreißer genannt. In Klasse 5 reicht die wichtige Erkenntnis: Extremwerte können Kennwerte deutlich verändern.


Kennwerte aus Diagrammen lesen

Daten müssen nicht immer als Liste vorliegen. Auch aus Säulen- und Liniendiagrammen kannst Du Werte ablesen.

Gehe visuell in vier Schritten vor:

Blickschritt Frage
Tiefster Punkt oder kleinste Säule Wo liegt das Minimum?
Höchster Punkt oder größte Säule Wo liegt das Maximum?
Abstand der Extremwerte Wie groß ist xmaxxmin?
Alle Werte gemeinsam Welche Summe entsteht und durch wie viele Werte muss geteilt werden?


Interaktive Datenanalysen


GeoGebra: Mittelwert durch Umverteilen

Beim Mittelwert kannst Du Dir vorstellen, dass eine Gesamtmenge gleichmäßig verteilt wird. Das folgende geprüfte GeoGebra-Material für Schulstufe 5–6 arbeitet mit Murmeln:

Stelle Dir zum Beispiel 24 Murmeln für 6 Kinder vor:

x=246=4

Nach dem fairen Umverteilen besitzt jedes Kind 4 Murmeln. Genau diese Idee steckt hinter dem arithmetischen Mittel.


GeoGebra: Sportfest und Kennwerte

Nutze die Sportfest-Aufgaben, um Mittelwerte in einem echten Datenkontext zu üben.

Hier kannst Du statistische Kennzahlen interaktiv trainieren. Schreibe nach jeder Aufgabe zusätzlich einen Deutungssatz, damit aus einer Zahl eine mathematische Aussage wird.


Visuelle Schritt-für-Schritt-Idee

Den Mittelwert kannst Du auch als Bewegung auf einer Zahlengeraden denken: Werte links vom Mittelwert müssten nach rechts verschoben werden, Werte rechts vom Mittelwert nach links, bis ein Ausgleich entsteht.

Für Klasse 5 ist vor allem die Grundidee wichtig: Summe erhalten, gleichmäßig verteilen.


Typische Fehler und Selbstkontrolle

Typischer Fehler Besser so
Spannweite als xminxmax rechnen Immer xmaxxmin
Beim Mittelwert durch eine falsche Zahl teilen Durch die Anzahl der Datenwerte teilen
Einheit vergessen Kennwert mit passender Einheit angeben
Nur rechnen, nicht deuten Ergebnis in einem Satz auf die Situation beziehen
Laufzeiten falsch bewerten Bei Zeiten kann ein kleiner Wert eine bessere Leistung bedeuten

Eine schnelle Probe für den Mittelwert ist oft möglich: Bei Daten ohne besondere Gewichtung liegt der arithmetische Mittelwert zwischen Minimum und Maximum.

xminxxmax


Interaktive Aufgaben


Quiz: Teste Dein Wissen

Was ist das Minimum der Datenreihe 9, 12, 7, 10, 11? (7) (!9) (!11) (!12)




Was ist das Maximum der Datenreihe 15, 13, 18, 16, 14? (18) (!13) (!15) (!16)




Wie groß ist die Spannweite der Datenreihe 4, 9, 6, 11, 8? (7) (!4) (!11) (!15)




Welche Rechnung beschreibt die Spannweite richtig? (Maximum minus Minimum) (!Minimum minus Maximum) (!Summe geteilt durch Anzahl) (!Maximum plus Minimum)




Wie groß ist der Mittelwert von 6, 8, 10? (8) (!6) (!10) (!24)




Was musst Du beim Berechnen des Mittelwerts nach dem Addieren aller Werte tun? (Durch die Anzahl der Werte teilen) (!Das Minimum abziehen) (!Mit dem Maximum multiplizieren) (!Die Werte erneut sortieren)




Welche Aussage zur Spannweite ist richtig? (Sie beschreibt den Abstand zwischen Maximum und Minimum) (!Sie ist immer gleich dem Mittelwert) (!Sie ist immer der größte Wert) (!Sie ist die Anzahl der Messwerte)




Eine Messreihe in Grad Celsius hat Minimum 5 und Maximum 13. Welche Spannweite hat sie? (8 Grad Celsius) (!5 Grad Celsius) (!13 Grad Celsius) (!18 Grad Celsius)




Zwei Datenreihen haben denselben Mittelwert. Was kann trotzdem unterschiedlich sein? (Die Spannweite) (!Die Rechenregel für den Mittelwert) (!Die Bedeutung von Maximum) (!Die Bedeutung von Minimum)




Warum kann ein einzelner sehr großer Ausreißer wichtig sein? (Er kann Spannweite und Mittelwert deutlich verändern) (!Er verändert niemals einen Kennwert) (!Er macht Minimum und Maximum gleich) (!Er halbiert immer die Spannweite)





Memory

Minimum kleinster Datenpunkt
Maximum größter Datenpunkt
Spannweite Abstand der Extremwerte
Mittelwert fairer Ausgleichswert
Rangliste geordnete Messreihe
Urliste ursprüngliche Erfassungsfolge
Ausreißer auffällig extremes Ergebnis
Kennwert zusammenfassende Zahl





Drag and Drop

Ordne die richtigen Begriffe zu. Bedeutung
Minimum kleinster Wert einer Datenreihe
Maximum größter Wert einer Datenreihe
Spannweite Abstand zwischen den Extremwerten
Mittelwert Summe aller Werte geteilt durch ihre Anzahl
Rangliste nach Größe geordnete Daten






Kreuzworträtsel

Minimum Wie heißt der kleinste Wert einer Datenreihe?
Maximum Wie heißt der größte Wert einer Datenreihe?
Spannweite Wie heißt der Abstand zwischen größtem und kleinstem Wert?
Mittelwert Wie heißt der durch Ausgleich bestimmte Durchschnitt?
Rangliste Wie heißt eine der Größe nach geordnete Datenliste?
Messwert Wie heißt ein einzelnes Ergebnis einer Messung?





LearningApps


Lückentext

Vervollständige den Text.
Der kleinste Wert einer Datenreihe heißt

. Der größte Wert einer Datenreihe heißt

. Die Differenz aus Maximum und Minimum heißt

. Für die Spannweite rechnest Du zuerst den größten und dann den

Wert. Beim arithmetischen Mittel addierst Du zunächst alle

. Danach teilst Du die Summe durch die

der Datenwerte. Eine nach Größe geordnete Datenreihe heißt

. Ein auffällig weit entfernter Messwert wird häufig

genannt. Die Spannweite besitzt dieselbe

wie die ursprünglichen Daten. Der Mittelwert kann als fairer

der Daten verstanden werden.




Offene Aufgaben


Leicht

  1. Eigene Messreihe: Miss die Länge von fünf Gegenständen in Deinem Mäppchen. Erstelle eine Urliste und eine Rangliste und bestimme Minimum und Maximum.
  2. Temperaturdaten: Notiere fünf Temperaturwerte aus einer vorgegebenen Wettertabelle. Bestimme Minimum, Maximum und Spannweite und formuliere zu jedem Kennwert einen Satz.
  3. Sportzeiten: Stoppt in einer Gruppe fünf kurze Laufzeiten. Ordnet die Zeiten und erklärt, warum bei Laufzeiten das Minimum eine besonders schnelle Leistung sein kann.
  4. Mini-Diagramm: Zeichne für die Werte 4, 7, 5, 9, 5 ein Säulendiagramm und markiere Minimum und Maximum.


Standard

  1. Mittelwert als Umverteilung: Nimm 20 Plättchen und verteile sie zunächst ungleich auf fünf Felder. Verteile anschließend fair um und erkläre die Verbindung zum Mittelwert.
  2. Zwei Datenreihen: Erfinde zwei Datenreihen mit demselben Mittelwert, aber unterschiedlichen Spannweiten. Begründe Deine Wahl mit Rechnungen.
  3. Ausreißer untersuchen: Erstelle eine Datenreihe aus fünf Werten. Verändere genau einen Wert stark und untersuche, wie sich Spannweite und Mittelwert verändern.
  4. Temperaturverlauf: Zeichne aus sieben erfundenen Tagestemperaturen ein Liniendiagramm. Bestimme alle vier Kennwerte und deute sie.


Schwer

  1. Klassenprojekt: Erhebe in der Klasse eine harmlose Messgröße wie Anzahl gelesener Seiten an einem Tag. Anonymisiere die Daten, bestimme die Kennwerte und diskutiere, was sie aussagen.
  2. Fehlerdetektiv: Erfinde drei falsche Rechenwege zu Spannweite oder Mittelwert. Tausche sie mit einer Partnerperson und korrigiert euch gegenseitig mit Begründung.
  3. Sportanalyse: Vergleiche zwei fiktive Teams mit je fünf Ergebnissen. Entscheide anhand von Mittelwert und Spannweite, welches Team gleichmäßiger und welches im Durchschnitt stärker ist.
  4. Mathe-Erklärvideo: Produziere ein kurzes Erklärvideo, in dem Du an einer selbst gewählten Messreihe Minimum, Maximum, Spannweite und Mittelwert visuell erklärst.




Text bearbeiten Bild einfügen Video einbetten Interaktive Aufgaben erstellen



Lernkontrolle

  1. Vergleichen statt nur rechnen: Zwei Klassen messen die Zeit für dieselbe Strecke. Klasse A hat die Werte 10,11,12,13,14, Klasse B die Werte 8,12,12,12,16. Bestimme die Kennwerte und erkläre, welche Klasse gleichmäßigere Ergebnisse hat.
  2. Ausreißer und Aussagekraft: Eine Temperaturmessreihe lautet 18,19,20,21,22. Ein Messfehler verändert den letzten Wert auf 42. Untersuche die Folgen für Spannweite und Mittelwert und begründe, welcher Kennwert besonders stark reagiert.
  3. Passender Kennwert: Entscheide bei einer Sportmessung, ob Minimum, Maximum, Spannweite oder Mittelwert am besten zu der Frage „Wie unterschiedlich waren die Leistungen?“ passt. Begründe Deine Entscheidung.
  4. Vom Diagramm zur Aussage: Erstelle aus einer selbst gewählten Datenreihe ein Säulendiagramm. Markiere die Extremwerte und erkläre, wie man die Spannweite direkt aus den Säulenhöhen ableiten kann.
  5. Rückwärts denken: Vier Werte haben zusammen die Summe 36. Erkläre ohne vollständige Datenliste, welcher Mittelwert daraus folgt. Erfinde anschließend zwei unterschiedliche Datenreihen mit dieser Summe und vergleiche ihre Spannweiten.
  6. Messplan: Plane eine kleine Untersuchung mit fünf bis acht Messwerten. Lege fest, welche Einheit verwendet wird und wie Du Minimum, Maximum, Spannweite und Mittelwert zur Beschreibung der Ergebnisse einsetzen würdest.


Lernnachweis

Für einen Lernnachweis zu diesem Thema ist wichtig, dass Du nicht nur Ergebnisse nennst, sondern nachvollziehbare Rechenwege und passende Deutungen zeigst.

  1. Rangliste: Du kannst unsortierte Daten sinnvoll ordnen.
  2. Minimum und Maximum: Du findest die beiden Extremwerte sicher und interpretierst sie im Kontext.
  3. Spannweite: Du verwendest R=xmaxxmin korrekt und übernimmst die passende Einheit.
  4. Arithmetisches Mittel: Du addierst alle Werte, teilst durch ihre Anzahl und notierst x korrekt.
  5. Dateninterpretation: Du erklärst, was die Kennwerte über eine Messreihe aussagen und was sie nicht aussagen.
  6. Datenvergleich: Du kannst zwei Datenreihen anhand von Mittelwert und Spannweite vergleichen.
  7. Ausreißer: Du erkennst, dass ein extremer Wert Spannweite und Mittelwert stark beeinflussen kann.




OERs zum Thema

Der Wikipedia-Artikel zum arithmetischen Mittel eignet sich zur fachlichen Vertiefung:

Für interaktive Übungen zu statistischen Kennzahlen eignen sich außerdem die frei zugänglichen GeoGebra-Materialien für die Schulstufen 5–6:

Die verwendeten Bilder stammen aus Wikimedia Commons. Dort findest Du auf den jeweiligen Dateiseiten Lizenz- und Urheberangaben. Eingebettet sind unter anderem frei lizenzierte beziehungsweise gemeinfreie Darstellungen zu Thermometern, Zahlengeraden, Diagrammen, Leichtathletik und dem arithmetischen Mittel.


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