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Pestalozzi Gymnasium Biberach EduRandomtasks

Aufgabenbeispiele von Erwartungswert

Durch Aktualisieren des Browsers (z.B. mit Taste F5) kann man neue Beispielaufgaben sehen


Zufallsgröße (ohne Wahrscheinlichkeit)

Beispiel:

Eine (faire) Münze wird 3 mal geworfen. Die Zufallsgröße X beschreibt die Anzahl der Würfe, bei denen "Zahl" erscheint. Gib alle Werte an, die die Zufallsgröße X annehmen kann.

Lösung einblenden

Für die Zufallsgröße X: 'Summe' sind folgende Werte möglich:

Zufallsgröße XX = 0
zugehörige
Ereignisse
rot - rot
rot - blau
rot - gelb
rot - schwarz
blau - rot
blau - blau
blau - gelb
blau - schwarz
gelb - rot
gelb - blau
gelb - gelb
gelb - schwarz
schwarz - rot
schwarz - blau
schwarz - gelb
schwarz - schwarz

Zufallsgröße WS-Verteilung

Beispiel:

In einer Urne sind zwei Kugeln, die mit der Zahl 3 beschriftet sind, zwei Kugeln, die mit der Zahl 6 beschriftet sind und drei Kugeln, die mit der Zahl 8 beschriftet sind. Es werden zwei Kugeln mit Zurücklegen gezogen.
Die Zufallsgröße X beschreibt die Differenz zwischen der größeren Zahl und der kleineren Zahl der beiden gezogenen Kugeln. Stelle eine Wahrscheinlichkeitsverteilung für die Zufallsgröße X auf.

Lösung einblenden

Für die Zufallsgröße X: 'Differenz der beiden Kugeln' sind folgende Werte möglich:

Zufallsgröße XX = 0X = 2X = 3X = 5
zugehörige
Ereignisse
3 - 3
6 - 6
8 - 8
6 - 8
8 - 6
3 - 6
6 - 3
3 - 8
8 - 3
Du hast entweder einen veralteten Browser oder Javascript ausgeschaltet. Deswegen kannst du leider das SchaubBild nicht sehen :(


Jetzt müssen die Wahrscheinlichkeiten der einzelnen Ereignisse erst mal (mit Hilfe eines Baums) berechnet werden.


Und somit können wir dann auch die Wahrscheinlichkeiten für die einzelnen Werte der Zufallsgröße berechnen.

Zufallsgröße XX = 0X = 2X = 3X = 5
zugehörige
Wahrscheinlichkeit P(X)
2 7 2 7
+ 2 7 2 7
+ 3 7 3 7
2 7 3 7
+ 3 7 2 7
2 7 2 7
+ 2 7 2 7
2 7 3 7
+ 3 7 2 7
  = 4 49 + 4 49 + 9 49 6 49 + 6 49 4 49 + 4 49 6 49 + 6 49



Hiermit ergibt sich die gesuchte Wahrscheinlichkeitsverteilung für die Zufallsgröße X:

Zufallsgröße X0235
P(X=k) 17 49 12 49 8 49 12 49

Zufallsgröße (auch ohne zur.)

Beispiel:

In einer Urne sind zwei Kugeln, die mit der Zahl 2 beschriftet sind und zwei Kugeln, die mit der Zahl 6 beschriftet sind. Es werden zwei Kugeln ohne Zurücklegen gezogen. Die Zufallsgröße X beschreibt die Summe der Zahlen der beiden gezogenen Kugeln. Stelle eine Wahrscheinlichkeitsverteilung für die Zufallsgröße X auf.

Lösung einblenden

Für die Zufallsgröße X: 'Summe der beiden Kugeln' sind folgende Werte möglich:

Zufallsgröße XX = 4X = 8X = 12
zugehörige
Ereignisse
2 - 22 - 6
6 - 2
6 - 6
Du hast entweder einen veralteten Browser oder Javascript ausgeschaltet. Deswegen kannst du leider das SchaubBild nicht sehen :(


Jetzt müssen die Wahrscheinlichkeiten der einzelnen Ereignisse erst mal (mit Hilfe eines Baums) berechnet werden.


Und somit können wir dann auch die Wahrscheinlichkeiten für die einzelnen Werte der Zufallsgröße berechnen.

Zufallsgröße XX = 4X = 8X = 12
zugehörige
Wahrscheinlichkeit P(X)
1 2 1 3 1 2 2 3
+ 1 2 2 3
1 2 1 3
  = 1 6 1 3 + 1 3 1 6



Hiermit ergibt sich die gesuchte Wahrscheinlichkeitsverteilung für die Zufallsgröße X:

Zufallsgröße X4812
P(X=k) 1 6 2 3 1 6

Zufallsgr. WS-Vert. (ziehen bis erstmals ...)

Beispiel:

Eine Lehrerin sammelt die Hausaufgaben von einigen Schülern ein, um zu kontrollieren, ob diese auch ordentlich gemacht wurden. Aus Zeitgründen möchte sie aber nicht alle, sondern nur ein paar wenige einsammeln, welche durch ein Losverfahren ausgewählt werden. Aus (der unbegründeten) Angst ungerecht behandelt zu werden, bestehen die 2 Jungs darauf, dass unbedingt immer eine Hausaufgabe eines der 18 Mädchen der Klasse eingesammelt wird. Deswegen wird solange gelost, bis das erste Mädchen gezogen wird.
Die Zufallsgröße X beschreibt dabei die Anzahl der nach diesem Verfahren einsammelten Hausaufgaben. Stelle eine Wahrscheinlichkeitsverteilung für die Zufallsgröße X auf.

(Denk daran, die Brüche vollständig zu kürzen!)

Lösung einblenden
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Da ja nur 2 Hausaufgaben vom Typ 'Jungs' vorhanden sind, muss spätestens im 3-ten Versuch (wenn dann alle Hausaufgaben vom Typ 'Jungs' bereits gezogen und damit weg sind) eine Hausaufgabe vom Typ 'Mädchen' gezogen werden.

Das heißt die Zufallsgröße X kann nur Werte zwischen 1 und 3 annehmen.

Aus dem reduzierten Baumdiagramm rechts kann man nun die Wahrscheinlichkeitsverteilung der Zufallsgröße X übernehmen:

Zufallsgröße X123
P(X=k) 9 10 9 95 1 190

Zufallsgröße rückwärts

Beispiel:

In einer Urne sind 15 Kugeln, die mit verschiedenen Zahlen beschriftet sind. Dabei gibt es nur die Zahlen 2, 4 und 9 als Beschriftung. Es werden zwei Kugeln mit Zurücklegen gezogen. Die Zufallsgröße X beschreibt die Summe der Zahlen der beiden gezogenen Kugeln. Bei der Wahrscheinlichkeitsverteilung von X sind nur der erste und der letzte Wert bekannt (siehe Tabelle).
Wie viele Kugeln mit den oben genannten Zahlen als Beschriftung müssen jeweils in der Urne sein?
Zufallsgröße X468111318
P(X=k) 4 25 ???? 16 225

Lösung einblenden

Für X=4 gibt es nur das Ereignis: '2'-'2', also dass zwei mal hintereinander '2' kommt.

Wenn p1 die Wahrscheinlichkeit von '2' ist, dann muss also für die Wahrscheinlichkeit, dass zwei mal hintereinander '2' kommt, gelten: P(X=4) = p1 ⋅ p1 (siehe Baumdiagramm).

Aus der Tabelle können wir aber P(X=4) = 4 25 heraus lesen, also muss gelten:

p1 ⋅ p1 = (p1)2 = 4 25 und somit p1 = 2 5 .

Ebenso gibt es für X=18 nur das Ereignis: '9'-'9', also dass zwei mal hintereinander '9' kommt.

Wenn p3 die Wahrscheinlichkeit von '9' ist, dann muss also für die Wahrscheinlichkeit, dass zwei mal hintereinander '9' kommt, gelten: P(X=18) = p3 ⋅ p3 (siehe Baumdiagramm).

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Aus der Tabelle können wir aber P(X=18) = 16 225 heraus lesen, also muss gelten:

p3 ⋅ p3 = (p3)2 = 16 225 und somit p3 = 4 15 .

Da es aber nur drei Optionen gibt, muss p1 + p2 + p3 = 1 gelten, also

p2 = 1 - p1 - p3 = 1 - 2 5 - 4 15 = 15 15 - 6 15 - 4 15 = 5 15 = 1 3

Um nun noch die jeweilige Anzahl der Kugeln mit gleicher Zahl zu ermittlen, müssen wir einfach die Wahrscheinlichkeit mit 15 multiplizieren, weil ja für die Wahrscheinlichkeit für eine der n Kugeln mit einer bestimmten Zahl gilt: p = n 15

Somit erhalten wir:

n2 = 2 5 ⋅ 15 = 6

n4 = 1 3 ⋅ 15 = 5

n9 = 4 15 ⋅ 15 = 4

Erwartungswerte

Beispiel:

Ein Spieler darf einmal Würfeln. Bei einer 6 bekommt er 36€, bei einer 5 bekommt er 18€, bei einer 4 bekommt er 12€. Würfelt er eine 1, 2 oder 3 so bekommt er 6€. Wie hoch müsste der Einsatz sein, damit das Spiel fair ist?

Lösung einblenden

Die Zufallsgröße X beschreibt den Auszahlungsbetrag.

Erwartungswert der Zufallsgröße X

Ereignis 1-3 4 5 6
Zufallsgröße xi 6 12 18 36
P(X=xi) 1 2 1 6 1 6 1 6
xi ⋅ P(X=xi) 3 2 3 6

Der Erwartungswert verechnet sich aus der Summe der einzelnen Produkte:

E(X)= 6⋅ 1 2 + 12⋅ 1 6 + 18⋅ 1 6 + 36⋅ 1 6

= 3+ 2+ 3+ 6
= 14

Einsatz für faires Spiel bestimmen

Beispiel:

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(Alle Sektoren sind Vielfache
von Achtels-Kreisen)

Bei einem Glücksrad wie rechts abgebildet soll das noch fehlende Feld mit einem Betrag so bestückt werden, dass das Spiel bei einem Einsatz von 9,5€ fair ist.

Lösung einblenden

Die Zufallsgröße X beschreibt die Auszahlung.

Die Zufallsgröße Y beschreibt den Gewinn, also Auszahlung - Einsatz.

Erwartungswerte der Zufallsgrößen X und Y

Ereignis 2 8 12 ?
Zufallsgröße xi 2 8 12 x
Zufallsgröße yi (Gewinn) -7.5 -1.5 2.5 x-9.5
P(X=xi) 4 8 2 8 1 8 1 8
xi ⋅ P(X=xi) 1 2 3 2 1 8 ⋅ x
yi ⋅ P(Y=yi) - 15 4 - 3 8 2.5 8 1 8 ⋅(x-9.5)

Um den gesuchten Auszahlungsbetrag zu berrechnen hat man zwei Möglichkeiten:

Entweder stellt man eine Gleichung auf, so dass der Erwartungswert des Auszahlungsbetrags gleich des Einsatzes ist ...

E(X) = 9.5

4 8 · 2 + 2 8 · 8 + 1 8 · 12 + 1 8 x = 9.5

1 +2 + 3 2 + 1 8 x = 9.5

1 +2 + 3 2 + 1 8 x = 9,5
1 8 x + 9 2 = 9,5 |⋅ 8
8( 1 8 x + 9 2 ) = 76
x +36 = 76 | -36
x = 40

... oder man stellt eine Gleichung auf, so dass der Erwartungswert des Gewinns gleich null ist:

E(Y) = 0

4 8 · ( -7,5 ) + 2 8 · ( -1,5 ) + 1 8 · 2,5 + 1 8 ( x -9,5 ) = 0

- 7.5 2 - 1.5 4 + 2.5 8 + 1 8 x -1,1875 = 0

-3,75 -0,375 +0,3125 + 1 8 x -1,1875 = 0
1 8 x -5 = 0 |⋅ 8
8( 1 8 x -5 ) = 0
x -40 = 0 | +40
x = 40

In beiden Fällen ist also der gesuchte Betrag: 40

Erwartungswert ganz offen

Beispiel:

Eine Klasse möchte beim Schulfest ein Glücksrad mit Spielgeld anbieten. Dabei soll das Glücksrad in Sektoren aufgeteilt werden, in denen der Auszahlungsbetrag (z.B. 3€) drin steht. Nach langer Diskussion einigt man sich auf folgende Punkte:
• Das Spiel mit dem Glücksrad muss fair sein
• Der Einsatz soll 6€ betragen
• Der minimale Auszahlungsbetrag soll 2€ sein
• Der maximale Auszahlungsbetrag soll soll 19€ sein
• Es sollen genau 4 Sektoren mit verschiedenen Auszahlungsbeträgen auf dem Glücksrad sein
Finde eine Möglichkeit für solch ein Glücksrad und trage diese in die Tabelle ein.

Lösung einblenden

Eine (von vielen möglichen) Lösungen:

Als erstes schreiben wir mal die Vorgaben in die Tabelle rein.

  Feld1 Feld2 Feld3 Feld4
X (z.B. Auszahlung) 2 19
Y Gewinn (Ausz. - Einsatz) -4 13
P(X) = P(Y)
Y ⋅ P(Y)

Jetzt setzen wir die Wahrscheinlichkeiten so, dass der negative Beitrag vom minimalen Betrag zum Erwartungswert den gleichen Betrag hat wie der positve vom maximalen Betrag.(dazu einfach jeweils den Gewinn in den Nenner der Wahrscheinlichkeit)

  Feld1 Feld2 Feld3 Feld4
X (z.B. Auszahlung) 2 19
Y Gewinn (Ausz. - Einsatz) -4 13
P(X) = P(Y) 1 4 1 13
Y ⋅ P(Y) -1 1

Die bisherigen Optionen vereinen eine Wahrscheinlichkeit von 1 4 + 1 13 = 17 52
Als Restwahrscheinlichkeit für die verbleibenden Beträge bleibt nun also 1- 17 52 = 35 52 .
Diese wird auf die beiden verbleibenden Optionen verteilt:

  Feld1 Feld2 Feld3 Feld4
X (z.B. Auszahlung) 2 19
Y Gewinn (Ausz. - Einsatz) -4 13
P(X) = P(Y) 1 4 35 104 35 104 1 13
Y ⋅ P(Y) -1 1

Damit nun der Erwartungswert =0 wird, müssen sich die beiden noch verbleibenden Anteile daran gegenseitig aufheben. Dies erreicht man, in dem man den Gewinn jeweils gleich 'weit vom Einsatz weg' (nämlich 2) setzt.

  Feld1 Feld2 Feld3 Feld4
X (z.B. Auszahlung) 2 4 8 19
Y Gewinn (Ausz. - Einsatz) -4 -2 2 13
P(X) = P(Y) 1 4 35 104 35 104 1 13
Winkel 90 121.15 121.15 27.69
Y ⋅ P(Y) -1 - 35 52 35 52 1

Wenn man nun den Erwartungswert berechnet, kommt der gesuchte heraus:

E(Y)= -4⋅ 1 4 + -2⋅ 35 104 + 2⋅ 35 104 + 13⋅ 1 13

= -1 - 35 52 + 35 52 + 1
= - 52 52 - 35 52 + 35 52 + 52 52
= 0 52
= 0

Erwartungswerte bei 'Ziehen bis erstmals ...'

Beispiel:

Aus einem Kartenstapel mit 5 Karten der Farbe Herz und 2 weiteren Karten soll solange eine Karte gezogen werden, bis eine Herz-Karte erscheint. Bestimme den Erwartungswert für die Anzahl der Ziehungen, bis das erste Herz erscheint.
(Denk daran, den Bruch vollständig zu kürzen!)

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Wahrscheinlichkeiten für die verschiedenen Ausgänge

Die Wahrscheinlichkeit für ein 'Herz' im 1-ten Versuch st: 5 7

Die Wahrscheinlichkeit für ein 'Herz' im 2-ten Versuch st: 5 21

Die Wahrscheinlichkeit für ein 'Herz' im 3-ten Versuch st: 1 21

Die Zufallsgröße X beschreibt die Anzahl der Ziehungen. bis das erste Herz gekommen ist.

Erwartungswert der Zufallsgröße X

Ereignis 1 2 3
Zufallsgröße xi 1 2 3
P(X=xi) 5 7 5 21 1 21
xi ⋅ P(X=xi) 5 7 10 21 1 7

Der Erwartungswert verechnet sich aus der Summe der einzelnen Produkte:

E(X)= 1⋅ 5 7 + 2⋅ 5 21 + 3⋅ 1 21

= 5 7 + 10 21 + 1 7
= 15 21 + 10 21 + 3 21
= 28 21
= 4 3

1.33

Erwartungswerte mit gesuchten Anzahlen im WS-Baum

Beispiel:

Auf einen Schüleraustausch bewerben sich 18 Mädchen und 11 Jungs. Weil aber leider weniger Plätze zur Verfügung stehen, muss gelost werden. Wie viele Mädchen kann man bei den ersten 3 verlosten Plätzen erwarten?
(Denk daran, den Bruch vollständig zu kürzen!)

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Wahrscheinlichkeiten für die verschiedenen Ausgänge

EreignisP
Mädchen -> Mädchen -> Mädchen 136 609
Mädchen -> Mädchen -> Jungs 187 1218
Mädchen -> Jungs -> Mädchen 187 1218
Mädchen -> Jungs -> Jungs 55 609
Jungs -> Mädchen -> Mädchen 187 1218
Jungs -> Mädchen -> Jungs 55 609
Jungs -> Jungs -> Mädchen 55 609
Jungs -> Jungs -> Jungs 55 1218

Die Wahrscheinlichkeit für 0 mal 'Mädchen' ist: 55 1218

Die Wahrscheinlichkeit für 1 mal 'Mädchen' ist: 55 609 + 55 609 + 55 609 = 55 203

Die Wahrscheinlichkeit für 2 mal 'Mädchen' ist: 187 1218 + 187 1218 + 187 1218 = 187 406

Die Wahrscheinlichkeit für 3 mal 'Mädchen' ist: 136 609

Die Zufallsgröße X beschreibt die Anzahl an Mädchen unter den drei verlosten Plätzen.

Erwartungswert der Zufallsgröße X

Ereignis 0 1 2 3
Zufallsgröße xi 0 1 2 3
P(X=xi) 55 1218 55 203 187 406 136 609
xi ⋅ P(X=xi) 0 55 203 187 203 136 203

Der Erwartungswert verechnet sich aus der Summe der einzelnen Produkte:

E(X)= 0⋅ 55 1218 + 1⋅ 55 203 + 2⋅ 187 406 + 3⋅ 136 609

= 0+ 55 203 + 187 203 + 136 203
= 0 203 + 55 203 + 187 203 + 136 203
= 378 203
= 54 29

1.86

Erwartungswerte mit best. Optionen im WS-Baum

Beispiel:

In einem Stapel Karten mit 9 Asse, 5 Könige, 2 Damen und 4 Buben werden 2 Karten gezogen. Dabei zählen 2 Asse 1000, 2 Könige 250, 2 Damen 120 und 2 Buben 80 Punkte. Außerdem gibt es für ein Paar aus Dame und König 40 Punkte. Wie viele Punkte kann man bei diesem Spiel erwarten?
(Denk daran, den Bruch vollständig zu kürzen!)

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Wahrscheinlichkeiten für die verschiedenen Ausgänge

EreignisP
As -> As 18 95
As -> König 9 76
As -> Dame 9 190
As -> Bube 9 95
König -> As 9 76
König -> König 1 19
König -> Dame 1 38
König -> Bube 1 19
Dame -> As 9 190
Dame -> König 1 38
Dame -> Dame 1 190
Dame -> Bube 2 95
Bube -> As 9 95
Bube -> König 1 19
Bube -> Dame 2 95
Bube -> Bube 3 95

Die Wahrscheinlichkeit für '2 Asse' ist:

P('As'-'As')
= 18 95

Die Wahrscheinlichkeit für '2 Könige' ist:

P('König'-'König')
= 1 19

Die Wahrscheinlichkeit für '2 Damen' ist:

P('Dame'-'Dame')
= 1 190

Die Wahrscheinlichkeit für '2 Buben' ist:

P('Bube'-'Bube')
= 3 95

Die Wahrscheinlichkeit für 'Paar (D&K)' ist:

P('König'-'Dame') + P('Dame'-'König')
= 1 38 + 1 38 = 1 19

Die Zufallsgröße X beschreibt die gewonnenen Punkte.

Erwartungswert der Zufallsgröße X

Ereignis 2 Asse 2 Könige 2 Damen 2 Buben Paar (D&K)
Zufallsgröße xi 1000 250 120 80 40
P(X=xi) 18 95 1 19 1 190 3 95 1 19
xi ⋅ P(X=xi) 3600 19 250 19 12 19 48 19 40 19

Der Erwartungswert verechnet sich aus der Summe der einzelnen Produkte:

E(X)= 1000⋅ 18 95 + 250⋅ 1 19 + 120⋅ 1 190 + 80⋅ 3 95 + 40⋅ 1 19

= 3600 19 + 250 19 + 12 19 + 48 19 + 40 19
= 3950 19

207.89