Mathematik. Mathematische Leitidee: Daten, Häufigkeit und Wahrscheinlichkeit. Aufgabe Nr./Jahr: 16/2010. Bezug zum Lehrplan NRW:

Transkript

1 Mathematik Mathematische Leitidee: Daten, Häufigkeit und Wahrscheinlichkeit Aufgabe Nr./Jahr: 16/2010 Bezug zum Lehrplan NRW: Prozessbezogener Bereich (Kap. 2.1) Prozessbezogene Kompetenzen (Kap. 3.1) Inhaltsbezogener Bereich und Schwerpunkt (Kap. 2.2) Inhaltsbezogene Kompetenz (Kap. 3.2) Argumentieren Die Schülerinnen und Schüler stellen Vermutungen über mathematische Zusammenhänge oder Auffälligkeiten an (vermuten) Sie testen Vermutungen anhand von Beispielen und hinterfragen, ob ihre Vermutungen, Lösungen, Aussagen, etc. zutreffend sind (überprüfen) Daten, Häufigkeiten, Wahrscheinlichkeiten: Wahrscheinlichkeiten Die Schülerinnen und Schüler bestimmen die Anzahl verschiedener Möglichkeiten im Rahmen einfacher kombinatorischer Aufgabenstellungen. Sie beschreiben die Wahrscheinlichkeit von einfachen Ereignissen (sicher, wahrscheinlich, unmöglich, immer, häufig, selten, nie)

2 Didaktische und methodische Hinweise Voraussetzungen Voraussetzungen: Aufgabentext Die Schülerinnen und Schüler müssen über grundlegende Erfahrungen mit einfachen Zufallsexperimenten verfügen. über grundlegende Erfahrungen zur Bestimmung verschiedener Möglichkeiten bei einfachen kombinatorischen Aufgabenstellungen verfügen. die Formulierungen sicher", möglich, aber nicht sicher" und unmöglich" zur Beschreibung der Eintrittswahrscheinlichkeit von Ereignissen kennen und über ein mathematisches Verständnis dieser Formulierungen verfügen. wissen, was unter einer zweistelligen Zahl zu verstehen ist. in der Lage sein, sich gedanklich vorzustellen, welche zweistelligen Zahlen sich mit den Ziffern 1, 2, 3 und 4 legen lassen. (notwendige Voraussetzung für eine optimale Lösung der Teilaufgaben) Teilaufgabe a und c Die Schülerinnen und Schüler müssen die Relationen ist größer als und ist kleiner als kennen. wissen, dass eine und"-aussage nur dann wahr" ist, wenn beide Teilaussagen wahr" sind. Teilaufgabe b Die Schülerinnen und Schüler müssen über Grundvorstellungen der Division verfügen. die Bedeutung der Formulierung ohne Rest durch 10 teilbar" kennen und wissen, dass nur glatte Zehnerzahlen ohne Rest durch 10 teilbar sind. Teilaufgabe d Die Schülerinnen und Schüler müssen wissen, dass mit Ziffern Zahlen gebildet werden können (hier: zweistellige Zahlen). die Bedeutung der Formulierung Die Ziffern der Zahl sind gleich." kennen. Mögliche Lösungswege: Nachfolgend werden jeweils zwei mögliche Lösungswege für jede Teilaufgabe beschrieben. Lösungsweg 1 ist jeweils als optimal, bezogen auf die jeweilige Teilaufgabe, anzusehen. Dieser Lösungsweg setzt jeweils die Fähigkeit voraus, sich gedanklich vorzustellen, welche zweistelligen Zahlen sich mit den Ziffern 1, 2, 3 und 4 legen lassen. Bei Lösungsweg 2 notieren die Schülerinnen und Schüler zunächst alle 12 möglichen zweistelligen Zahlen und treffen auf dieser Grundlage aufbauend die Entscheidung, welche Beschreibung der Eintrittswahrscheinlichkeit zutrifft. Teilaufgabe a Lösungsweg 1: Die Schülerinnen und Schüler ermitteln die kleinstmögliche und die größtmögliche zweistellige Zahl: 12 und 43. Da die kleinstmögliche Zahl größer als 11 und die größtmögliche Zahl kleiner als 44 ist, ist es sicher", dass alle möglichen zweistelligen Zahlen größer als 11 und kleiner als 44 sind. Lösungsweg 2: Die Schülerinnen und Schüler notieren zunächst alle 12 möglichen zweistelligen Zahlen und stellen dann fest, dass alle gefundenen Zahlen größer als 11 und kleiner als 44 sind. Teilaufgabe b Lösungsweg 1: Die Schülerinnen und Schüler wissen, dass nur glatte Zehnerzahlen ohne Rest durch 10 teilbar sind. Da mit den gegebenen 4 Ziffern keine glatte Zehnerzahl gebildet werden kann, stellen sie fest, dass es demnach unmöglich" ist, eine Zahl zu legen, die man ohne Rest durch 10 teilen kann. Lösungsweg 2:

3 Die Schülerinnen und Schüler stellen fest, dass es bei den 12 gefundenen Zahlen keine glatte Zehnerzahl gibt und dass es demnach unmöglich" ist, eine Zahl zu legen, die man ohne Rest durch 10 teilen kann. Teilaufgabe c Lösungsweg 1: Die Schülerinnen und Schüler stellen zunächst fest, dass es eine zweistellige Zahl gibt, für die die Aussage Die Zahl ist größer als 14" zutrifft. Z. B. kann mit den Ziffern 2 und 3 die Zahl 23 gebildet werden und diese ist größer als 14. (Teilaussage möglich ). Da aber z. B. mit den Ziffern 1 und 2 die Zahl 12 gebildet werden kann, die kleiner als 14 ist, ergibt sich, dass die Aussage, "Die Zahl ist größer als 14" nicht immer zutrifft. (Teilaussage aber nicht sicher ) Lösungsweg 2: Die Schülerinnen und Schüler stellen dann fest, dass es bei den 12 gefundenen Zahlen gibt, die größer als 14 sind, aber auch solche, die gleich oder kleiner als 14 sind. Teilaufgabe d Lösungsweg 1: Die Schülerinnen und Schüler erkennen, dass bei Durchführung des Zufallsexperimentes Theo nimmt zwei Karten und legt damit eine zweistellige Zahl." keine Zahlen mit gleichen Ziffern gelegt werden können, da jede Ziffer nur einmal vorhanden ist. Folglich ist es unmöglich, dass die Ziffern der Zahl gleich sind. Lösungsweg 2: Die Schülerinnen und Schüler stellen fest, dass es bei den 12 gefundenen Zahlen keine Zahl gibt, bei der die beiden Ziffern gleich sind, und dass es infolgedessen unmöglich ist, dass die Ziffern der Zahl gleich sind. Mögliche Falschlösungen: (1) Beim vorliegenden Experiment zieht Theo zwei Karten und legt damit eine zweistellige Zahl. Es handelt sich also um ein Zufallsexperiment der Kategorie Geordnete Stichprobe ohne Zurücklegen. Wenn Schülerinnen und Schüler nicht über hinreichende Erfahrungen zu Zufallsexperimenten verfügen, können sie diese Formulierung missverstehen: indem sie meinen, dass Theo zwei Karten nacheinander zieht, wobei er die gezogene Karte wieder zurücklegt und sich die gezogene Ziffer notiert, oder aber indem sie die Anweisung in der Weise deuten, dass Theo mit den 4 Ziffern zweistellige Zahlen bildet und insofern zweistellige Zahlen mit gleichen Ziffern möglich sind. In beiden Fällen würden sie also von einem Geordnete Stichprobe mit Zurücklegen ausgehen. Ein solches Missverständnis würde bei den Teilaufgaben a und d unweigerlich zu einer Falschlösung führen. (2) In seltenen Fällen könnte es vorkommen, dass Schülerinnen und Schüler meinen, dass die Ziffern 1, 2, 3 und 4 nur beispielhaft aufgelistet worden sind und die Ziffern 0, 5, 6, 7, 8 und 9 auch noch zum Ziehen zur Verfügung stehen. (3) Wenn die Schülerinnen und Schüler zunächst versuchen, alle möglichen zweistelligen Zahlen zu notieren, ist es möglich, dass sie aufgrund unsystematischer Vorgehensweise eine Zahl oder auch mehrere Zahlen vergessen. Vergessen sie z. B. die kleinstmögliche oder die größtmögliche Zahl, führt dies zu einer Falschlösung bei Teilaufgabe a. Ursachen für weitere Falschlösungen sind mit nicht vorhandenen Voraussetzungen zu erklären. (s. o.)

4 Anregungen für die Unterrichtspraxis: (1) Erfahrungen mit einfachen Zufallsexperimenten sammeln Es ist notwendig, die Schülerinnen und Schüler im Vorfeld mit einfachen Zufallsexperimenten vertraut zu machen. Beispiele für einfache Zufallsexperimente sind: eine Münze werfen (mögliche Ergebnisse/Ereignisse: Wappen, Zahl) mit einem Würfel würfeln (mögliche Ergebnisse/Ereignisse: 1, 2, 3, 4, 5, 6) ein Los, eine Kugel, eine Ziffernkarte zufällig ( blind ) ziehen zwei Ziffernkarten ziehen (gleichzeitig (bzw. nacheinander ohne Zurücklegen) oder nacheinander mit Zurücklegen) ziehen und mit den gezogenen Ziffern eine zweistellige Zahl bilden zwei Ziffernkarten ziehen (ohne Zurücklegen (auch: gleichzeitig) oder mit Zurücklegen (nacheinander)) ziehen und die gezogenen Ziffern addieren mit zwei Würfeln würfeln und die gewürfelten Augenzahlen addieren oder multiplizieren Bei diesen Experimenten hängt das Einzelergebnis vom Zufall ab, d. h. es kann nicht mit Sicherheit angegeben werden, welches Einzelergebnis sich einstellen wird. Mit steigender Anzahl der Versuchsdurchführungen nähert sich die tatsächliche Häufigkeit des Ergebnisses der theoretischen Eintrittswahrscheinlichkeit an ( Gesetz der großen Zahlen ). In diesem Zusammenhang können die Schülerinnen und Schüler die verschiedenen Grundbegriffe bzw. Formulierungen zur Beschreibung der Eintrittswahrscheinlichkeit von Ergebnissen kennen lernen: wahrscheinlich(er) Beispiel: In einer Kiste liegen fünf Ziffernkarten mit der Ziffer 3 und eine Ziffernkarte mit der Ziffer 4. Ziehe eine Karte und lege sie danach wieder zurück. Führe das Experiment 100mal durch. Halte die Ergebnisse deiner Ziehungen in einer Strichliste fest: 3 4 sicher Dieses Experiment können die Schülerinnen und Schüler in Partnerarbeit durchführen. Wichtig ist hierbei, dass sie die Vorschrift, die gezogene Ziffernkarte wieder zurückzulegen, genau einhalten. Anhand von Strichlisten finden sie selbst heraus, dass viel häufiger eine 3 als eine 4 gezogen wird. Befinden sich in der Kiste mehr Ziffernkarten mit der Ziffer 3 als mit der Ziffer 4, dann ist es also wahrscheinlicher, die Ziffer 3 als die Ziffer 4 zu ziehen. Beispiel: In einer Kiste liegen fünf Ziffernkarten mit der Ziffer 3. Befinden sich in der Kiste nur Ziffernkarten mit der Ziffer 3, dann ist es sicher, dass die Ziffer 3 gezogen wird.

5 unmöglich Beispiel: In einer Kiste liegen fünf Ziffernkarten mit der Ziffer 3. Befinden sich in der Kiste nur Ziffernkarten mit der Ziffer 3, dann ist es z. B. unmöglich, dass die Ziffer 4 gezogen wird. möglich, aber nicht sicher Beispiel: In einer Kiste liegen fünf Ziffernkarten mit der Ziffer 3 und eine Ziffernkarte mit der Ziffer 4. Befinden sich in der Kiste Ziffernkarten mit den Ziffer 3 und 4, dann ist es möglich eine Ziffernkarte mit der Ziffer 4 zu ziehen, es ist aber nicht sicher, da auch eine Ziffernkarte mit der Ziffer 3 gezogen werden kann. (2) Erfahrungen zur Bestimmung der Anzahl verschiedener Möglichkeiten bei einfachen kombinatorischen Aufgabenstellungen sammeln Um alle Möglichkeiten notieren zu können, welche zweistelligen Zahlen Theo gelegt haben kann, müssen im Unterricht Übungen zur Bestimmung der Anzahl aller Möglichkeiten bei einfachen kombinatorischen Aufgabenstellungen der Kategorie Geordnete Stichprobe ohne Zurücklegen vorangegangen sein. Beispiele: Geordnete Stichprobe ohne Zurücklegen (x aus x): (1) Peter (P), Lisa (L), Kiarash (K) machen ein Wettrennen. Schreibe alle Möglichkeiten auf, in welcher Reihenfolge sie durchs Ziel laufen können. (Es gibt = 6 Möglichkeiten) (2) 4 Ziffernkarten liegen auf dem Tisch (2, 5, 6, 9). Tim legt mit den 4 Ziffernkarten eine vierstellige Zahl. Schreibe alle Möglichkeiten auf, welche vierstellige Zahl sie gelegt haben kann. (Es gibt = 24 Möglichkeiten) (3) Peter hat sich ein vierstelliges Zahlenschloss für sein Fahrrad gekauft. Er verrät seinem Vater, dass die Ziffern 4, 5, 7 und 8 in seiner Zahl vorkommen. Schreibe alle möglichen Zahlenkombinationen mit den vier Ziffern auf. (Es gibt =24 Möglichkeiten) Geordnete Stichprobe ohne Zurücklegen (x aus y, wobei x<y): (4) Ahmed hat vier Buchstabenkarten zur Auswahl vor sich liegen: e, r, t, u. Er darf sich damit einem Geheimcode (Password) mit drei Buchstaben für das Mathematikprogramm Der Mathepirat ausdenken. Schreibe alle Möglichkeiten auf, welchen Geheimcode er sich ausgedacht haben kann. (Es gibt = 24 Möglichkeiten) (5) 4 Ziffernkarten liegen auf dem Tisch (1, 4, 6, 8). Sabine zieht zwei Ziffernkarten und legt damit eine zweistellige Zahl. Schreibe alle Möglichkeiten auf, welche zweistellige Zahl sie gelegt haben kann. (Es gibt 4 3 = 12 Möglichkeiten) Um wirklich alle Kombinationsmöglichkeiten finden zu können, ist es wichtig, Strategien kennen zu lernen, wie sich alle Möglichkeiten systematisch aufschreiben lassen (z. B. Baumdiagramm).

6 Baumdiagramm zu Beispiel (5): 1_ 4_ 6_ 8_ (3) Die Grundbegriffe bzw. Formulierungen sicher, möglich, aber nicht sicher und unmöglich einzelnen Aussagen zuordnen Der Schwierigkeitsgrad der Aufgabenstellung hängt vom Zufallsexperiment ab: relativ leicht: (vgl. 10/2010) Lina zieht eine Karte. Kreuze jeweils an. sicher möglich, aber nicht unmöglich Lina hat die Zahl 7 gezogen. Linas Zahl ist größer als 2 und kleiner als 10. Linas Zahl ist kleiner als 8. Lina hat die Zahl 1 gezogen. Linas Zahl ist größer als 1. Lina hat die Zahl 10 gezogen. mittel: (vgl. 16/2010) (vgl. auch 14/2010) Ali zieht zwei Karten und legt damit eine zweistellige Zahl. Kreuze jeweils an.

7 Ali hat eine gerade Zahl gelegt. Ali hat die Zahl 75 gelegt. Ali hat eine Zahl kleiner als 57 gelegt. Ali hat eine Zahl gelegt, die ohne Rest durch 2 teilbar ist. Ali hat eine ungerade Zahl gelegt. Ali hat eine Zahl zwischen 57 und 79 gelegt. sicher möglich, aber nicht unmöglich schwieriger: Susa zieht zwei Zahlenkarten und addiert die beiden Zahlen. Kreuze jeweils an. Die Summe ist ungerade. Die Summe ist größer als 13. Die Summe ist gerade. Die Summe ist größer als 7 und kleiner als 37. Die Summe ist 16. Die Summe ist 30. sicher möglich, aber nicht unmöglich Variationen der Aufgabenstellung (4) Eine einzelne Aussage, die einen der Grundbegriffe bzw. eine der Formulierungen sicher, möglich, aber nicht sicher und unmöglich enthält, als wahr oder falsch einschätzen Der Schwierigkeitsgrad der Aufgabenstellung hängt wiederum vom Zufallsexperiment ab.

8 relativ leicht: Karin zieht eine Karte. Kreuze die richtigen Aussagen an. Es ist sicher, dass Karin die Zahl 4 zieht. Es ist unmöglich, dass Karins Zahl größer als 6 ist. Es ist möglich, aber nicht sicher, dass Karin eine gerade Zahl zieht. Es ist unmöglich, dass Karin Zahl 2 zieht. Es ist sicher, dass Karin eine Zahl zwischen 5 und 8 zieht. mittel: Thilo zieht zwei Karten und legt damit eine dreistellige Zahl. Kreuze die richtigen Aussagen an. Es ist sicher, dass Thilo ungerade Zahl legt. Es ist möglich, aber nicht sicher, dass Thilo eine Zahl größer als 970 legt. Es ist unmöglich, dass Thilo eine Zahl zwischen 200 und 300 legt. Es ist unmöglich, dass Thilo die Zahl 279 legt. Es ist sicher, dass Thilo eine Zahl größer als 136 legt. schwieriger: Anna zieht zwei Karten und subtrahiert die kleinere von der größeren Zahl. Kreuze die richtigen Aussagen an. Es ist sicher, dass das Ergebnis gerade ist. Es ist möglich, aber nicht sicher, dass das Ergebnis 2 ist. Es ist unmöglich, dass das Ergebnis größer als 24 ist.

9 Es ist sicher, dass das Ergebnis kleiner als 5 ist. Es ist möglich, aber nicht sicher, dass das Ergebnis 13 ist. (5) Unter mehreren vorgegebenen Ergebnissen zu einem Zufallsexperiment das in Bezug auf einen der Grundbegriffe bzw. auf eine der Formulierungen sicher, möglich, aber nicht sicher und unmöglich zutreffende Ergebnis herausfinden Beispiel 1: (vgl. VERA 2010, DHW 14) Hans nimmt mit geschlossen Augen drei Kugeln in die Hand. Welche Ergebnisse sind möglich, aber nicht sicher? Kreuze an. Eine Kugel ist schwarz und zwei Kugeln sind weiß. Drei Kugeln sind schwarz. Drei Kugeln sind weiß. Zwei Kugeln sind schwarz und eine Kugel ist weiß. Beispiel 2: (vgl. VERA 2010, DHW 13) Tim würfelt einmal mit drei normalen Spielwürfeln und multipliziert die Augenzahlen. Welches Ergebnis ist unmöglich? Kreuze an

10 Beispiel 3: Timo legt mit den Karten zwei zweistellige Zahlen und addiert diese. Welches Ergebnis ist unmöglich? Kreuze an