Aufgabenbeispiele von Erwartungswert

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


Zufallsgröße (ohne Wahrscheinlichkeit)

Beispiel:

Du hast entweder einen veralteten Browser oder Javascript ausgeschaltet. Deswegen kannst du leider das SchaubBild nicht sehen :(
Ein Würfel mit nebenstehendem Netz wird 2 mal geworfen. Die Zufallsgröße X beschreibt die Differenz: Augenzahl beim ersten Wurf - Augenzahl beim zweiten Wurf. Gib alle Werte an, die die Zufallsgröße X annehmen kann.

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Für die Zufallsgröße X: 'Differenz Würfel1 - Würfel2' sind folgende Werte möglich:

Zufallsgröße XX = -3X = -2X = -1X = 0X = 1X = 2X = 3
zugehörige
Ereignisse
2 - 52 - 44 - 52 - 2
4 - 4
5 - 5
5 - 44 - 25 - 2

Zufallsgröße WS-Verteilung

Beispiel:

Du hast entweder einen veralteten Browser oder Javascript ausgeschaltet. Deswegen kannst du leider das SchaubBild nicht sehen :(

(Alle Sektoren sind Vielfache
von Achtels-Kreisen)

Zwei gleiche Glücksräder wie rechts in der Abbildung werden gleichzeitig gedreht. Die Zufallsgröße X beschreibt die Differenz der größeren Zahl minus der kleineren Zahl der beiden Glücksräder. Stelle eine Wahrscheinlichkeitsverteilung für die Zufallsgröße X auf.

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

Zufallsgröße XX = 0X = 1X = 2
zugehörige
Ereignisse
1 - 1
2 - 2
3 - 3
1 - 2
2 - 1
2 - 3
3 - 2
1 - 3
3 - 1
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 = 1X = 2
zugehörige
Wahrscheinlichkeit P(X)
1 2 1 2
+ 3 8 3 8
+ 1 8 1 8
1 2 3 8
+ 3 8 1 2
+ 3 8 1 8
+ 1 8 3 8
1 2 1 8
+ 1 8 1 2
  = 1 4 + 9 64 + 1 64 3 16 + 3 16 + 3 64 + 3 64 1 16 + 1 16



Hiermit ergibt sich die gesuchte Wahrscheinlichkeitsverteilung für die Zufallsgröße X:

Zufallsgröße X012
P(X=k) 13 32 15 32 1 8

Zufallsgröße (auch ohne zur.)

Beispiel:

In einem Kartenstapel sind nur noch vier Karten mit dem Wert 4, vier Karten mit dem Wert 5 und zwei 10er.
Es werden zwei Karten ohne Zurücklegen gezogen. Die Zufallsgröße X beschreibt die Summe der Werte der beiden gezogenen Karten. Stelle eine Wahrscheinlichkeitsverteilung für die Zufallsgröße X auf.

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

Zufallsgröße XX = 8X = 9X = 10X = 14X = 15X = 20
zugehörige
Ereignisse
4 - 44 - 5
5 - 4
5 - 54 - 10
10 - 4
5 - 10
10 - 5
10 - 10
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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 = 8X = 9X = 10X = 14X = 15X = 20
zugehörige
Wahrscheinlichkeit P(X)
2 5 3 9 2 5 4 9
+ 2 5 4 9
2 5 3 9 2 5 2 9
+ 1 5 4 9
2 5 2 9
+ 1 5 4 9
1 5 1 9
  = 2 15 8 45 + 8 45 2 15 4 45 + 4 45 4 45 + 4 45 1 45



Hiermit ergibt sich die gesuchte Wahrscheinlichkeitsverteilung für die Zufallsgröße X:

Zufallsgröße X8910141520
P(X=k) 2 15 16 45 2 15 8 45 8 45 1 45

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

Beispiel:

Aus einem Kartenstapel mit 2 Karten der Farbe Herz und 2 weiteren Karten soll solange eine Karte gezogen werden, bis eine Herz-Karte erscheint.
Die Zufallsgröße X beschreibt dabei die Anzahl der Ziehungen, bis die erste Herz-Karte gezogen worden ist. Stelle eine Wahrscheinlichkeitsverteilung für die Zufallsgröße X auf.
(Denk daran, die Brüche vollständig zu kürzen!)

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Da ja nur 2 Karten vom Typ 'kein Herz' vorhanden sind, muss spätestens im 3-ten Versuch (wenn dann alle Karten vom Typ 'kein Herz' bereits gezogen und damit weg sind) eine Karte vom Typ 'Herz' 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) 1 2 1 3 1 6

Zufallsgröße rückwärts

Beispiel:

Ein Glücksrad hat drei Sektoren, die mit den Zahlen 1, 2 und 3 beschriftet sind. Es wird zwei mal gedreht. Die Zufallsgröße X beschreibt dabei das Produkt der Zahlen die bei den beiden Glücksraddrehungen erscheinen. Bei der Wahrscheinlichkeitsverteilung von X sind nur der erste und der letzte Wert bekannt (siehe Tabelle).
Wie groß müssen jeweils die Winkel der Sektoren sein?

Zufallsgröße X123469
P(X=k) 289 1296 ???? 1 9

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(Alle Sektoren sind Vielfache
von Achtels-Kreisen)

Für X=1 gibt es nur das Ereignis: '1'-'1', also dass zwei mal hintereinander '1' kommt.

Wenn p1 die Wahrscheinlichkeit von '1' ist, dann muss also für die Wahrscheinlichkeit, dass zwei mal hintereinander '1' kommt, gelten: P(X=1) = p1 ⋅ p1 (siehe Baumdiagramm).

Aus der Tabelle können wir aber P(X=1) = 289 1296 heraus lesen, also muss gelten:

p1 ⋅ p1 = (p1)2 = 289 1296 und somit p1 = 17 36 .

Ebenso gibt es für X=9 nur das Ereignis: '3'-'3', also dass zwei mal hintereinander '3' kommt.

Wenn p3 die Wahrscheinlichkeit von '3' ist, dann muss also für die Wahrscheinlichkeit, dass zwei mal hintereinander '3' kommt, gelten: P(X=9) = p3 ⋅ p3 (siehe Baumdiagramm).

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Aus der Tabelle können wir aber P(X=9) = 1 9 heraus lesen, also muss gelten:

p3 ⋅ p3 = (p3)2 = 1 9 und somit p3 = 1 3 .

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

p2 = 1 - p1 - p3 = 1 - 17 36 - 1 3 = 36 36 - 17 36 - 12 36 = 7 36

Um nun noch die Mittelpunktswinkel der drei Sektoren zu ermittlen, müssen wir einfach die Wahrscheinlichkeit mit 360° multiplizieren, weil ja für die Wahrscheinlichkeit eines Sektors mit Mittelpunktswinkel α gilt: p = α 360°

Somit erhalten wir:

α1 = 17 36 ⋅ 360° = 170°

α2 = 7 36 ⋅ 360° = 70°

α3 = 1 3 ⋅ 360° = 120°

Erwartungswerte

Beispiel:

Bei einer Tombola steht auf jedem zehnten Los 100 Punkte, auf jedem fünften Los 30 Punkte, auf jedem vierten Los 8 Punkte und auf allen anderen 1 Punkt. Wie viele Punkte bringt ein Los durchschnttlich ein?

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Die Zufallsgröße X beschreibt die Anzahl der Punkte auf einem Los.

Erwartungswert der Zufallsgröße X

Ereignis 100 30 8 1
Zufallsgröße xi 100 30 8 1
P(X=xi) 1 10 1 5 1 4 9 20
xi ⋅ P(X=xi) 10 6 2 9 20

Der Erwartungswert verechnet sich aus der Summe der einzelnen Produkte:

E(X)= 100⋅ 1 10 + 30⋅ 1 5 + 8⋅ 1 4 + 1⋅ 9 20

= 10+ 6+ 2+ 9 20
= 369 20

18.45

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 12,5€ fair ist.

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Die Zufallsgröße X beschreibt die Auszahlung.

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

Erwartungswerte der Zufallsgrößen X und Y

Ereignis 2 4 20 ?
Zufallsgröße xi 2 4 20 x
Zufallsgröße yi (Gewinn) -10.5 -8.5 7.5 x-12.5
P(X=xi) 4 8 2 8 1 8 1 8
xi ⋅ P(X=xi) 1 1 5 2 1 8 ⋅ x
yi ⋅ P(Y=yi) - 21 4 - 17 8 7.5 8 1 8 ⋅(x-12.5)

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) = 12.5

4 8 · 2 + 2 8 · 4 + 1 8 · 20 + 1 8 x = 12.5

1 +1 + 5 2 + 1 8 x = 12.5

1 +1 + 5 2 + 1 8 x = 12,5
1 8 x + 9 2 = 12,5 |⋅ 8
8( 1 8 x + 9 2 ) = 100
x +36 = 100 | -36
x = 64

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

E(Y) = 0

4 8 · ( -10,5 ) + 2 8 · ( -8,5 ) + 1 8 · 7,5 + 1 8 ( x -12,5 ) = 0

- 10.5 2 - 8.5 4 + 7.5 8 + 1 8 x -1,5625 = 0

-5,25 -2,125 +0,9375 + 1 8 x -1,5625 = 0
1 8 x -8 = 0 |⋅ 8
8( 1 8 x -8 ) = 0
x -64 = 0 | +64
x = 64

In beiden Fällen ist also der gesuchte Betrag: 64

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 3€ betragen
• Der minimale Auszahlungsbetrag soll 2€ sein
• Der maximale Auszahlungsbetrag soll soll 14€ 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.

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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 14
Y Gewinn (Ausz. - Einsatz) -1 11
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 14
Y Gewinn (Ausz. - Einsatz) -1 11
P(X) = P(Y) 1 2 1 22
Y ⋅ P(Y) - 1 2 1 2

Die bisherigen Optionen vereinen eine Wahrscheinlichkeit von 1 2 + 1 22 = 6 11
Als Restwahrscheinlichkeit für die verbleibenden Beträge bleibt nun also 1- 6 11 = 5 11 .
Diese wird auf die beiden verbleibenden Optionen verteilt:

  Feld1 Feld2 Feld3 Feld4
X (z.B. Auszahlung) 2 14
Y Gewinn (Ausz. - Einsatz) -1 11
P(X) = P(Y) 1 2 5 22 5 22 1 22
Y ⋅ P(Y) - 1 2 1 2

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 1 2 ) setzt.

  Feld1 Feld2 Feld3 Feld4
X (z.B. Auszahlung) 2 2.5 3.5 14
Y Gewinn (Ausz. - Einsatz) -1 -0.5 0.5 11
P(X) = P(Y) 1 2 5 22 5 22 1 22
Winkel 180 81.82 81.82 16.36
Y ⋅ P(Y) - 1 2 - 5 44 5 44 1 2

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

E(Y)= -1⋅ 1 2 + -0.5⋅ 5 22 + 0.5⋅ 5 22 + 11⋅ 1 22

= - 1 2 - 5 44 + 5 44 + 1 2
= - 22 44 - 5 44 + 5 44 + 22 44
= 0 44
= 0

Erwartungswerte bei 'Ziehen bis erstmals ...'

Beispiel:

In einer Urne sind 9 rote und 3 blaue Kugeln. Es soll (ohne zurücklegen) solange gezogen werden, bis erstmals eine rote Kugel erscheint. Bestimme den Erwartungswert für die Anzahl der Ziehungen, bis die erste rote Kugel gezogen ist.
(Denk daran, den Bruch vollständig zu kürzen!)

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Wahrscheinlichkeiten für die verschiedenen Ausgänge

Die Wahrscheinlichkeit für ein 'rot' im 1-ten Versuch st: 3 4

Die Wahrscheinlichkeit für ein 'rot' im 2-ten Versuch st: 9 44

Die Wahrscheinlichkeit für ein 'rot' im 3-ten Versuch st: 9 220

Die Wahrscheinlichkeit für ein 'rot' im 4-ten Versuch st: 1 220

Die Zufallsgröße X beschreibt die Anzahl der Ziehungen. bis die erste rote Kugel gezogen ist.

Erwartungswert der Zufallsgröße X

Ereignis 1 2 3 4
Zufallsgröße xi 1 2 3 4
P(X=xi) 3 4 9 44 9 220 1 220
xi ⋅ P(X=xi) 3 4 9 22 27 220 1 55

Der Erwartungswert verechnet sich aus der Summe der einzelnen Produkte:

E(X)= 1⋅ 3 4 + 2⋅ 9 44 + 3⋅ 9 220 + 4⋅ 1 220

= 3 4 + 9 22 + 27 220 + 1 55
= 165 220 + 90 220 + 27 220 + 4 220
= 286 220
= 13 10

1.3

Erwartungswerte mit gesuchten Anzahlen im WS-Baum

Beispiel:

In einem Kartenstapel befinden sich 4 Asse und 4 weitere Karten. Nachdem diese gut gemischt wurden, darf ein Spieler 3 Karten ziehen. Für jedes As, das unter den drei Karten ist, erhält er dabei 10€. Mit welchem Gewinn kann er rechnen?
(Denk daran, den Bruch vollständig zu kürzen!)

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Wahrscheinlichkeiten für die verschiedenen Ausgänge

EreignisP
As -> As -> As 1 14
As -> As -> andereKarte 1 7
As -> andereKarte -> As 1 7
As -> andereKarte -> andereKarte 1 7
andereKarte -> As -> As 1 7
andereKarte -> As -> andereKarte 1 7
andereKarte -> andereKarte -> As 1 7
andereKarte -> andereKarte -> andereKarte 1 14

Die Wahrscheinlichkeit für 0 mal 'As' ist: 1 14

Die Wahrscheinlichkeit für 1 mal 'As' ist: 1 7 + 1 7 + 1 7 = 3 7

Die Wahrscheinlichkeit für 2 mal 'As' ist: 1 7 + 1 7 + 1 7 = 3 7

Die Wahrscheinlichkeit für 3 mal 'As' ist: 1 14

Die Zufallsgröße X beschreibt den Gewinn für die 3 gezogenen Karten.

Erwartungswert der Zufallsgröße X

Ereignis 0 1 2 3
Zufallsgröße xi 0 10 20 30
P(X=xi) 1 14 3 7 3 7 1 14
xi ⋅ P(X=xi) 0 30 7 60 7 15 7

Der Erwartungswert verechnet sich aus der Summe der einzelnen Produkte:

E(X)= 0⋅ 1 14 + 10⋅ 3 7 + 20⋅ 3 7 + 30⋅ 1 14

= 0+ 30 7 + 60 7 + 15 7
= 0 7 + 30 7 + 60 7 + 15 7
= 105 7
= 15

Erwartungswerte mit best. Optionen im WS-Baum

Beispiel:

In einem Stapel Karten mit 7 Asse, 8 Könige, 2 Damen und 3 Buben werden 2 Karten gezogen. Dabei zählen 2 Asse 1000, 2 Könige 400, 2 Damen 240 und 2 Buben 70 Punkte. Außerdem gibt es für ein Paar aus Dame und König 20 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 21 190
As -> König 14 95
As -> Dame 7 190
As -> Bube 21 380
König -> As 14 95
König -> König 14 95
König -> Dame 4 95
König -> Bube 6 95
Dame -> As 7 190
Dame -> König 4 95
Dame -> Dame 1 190
Dame -> Bube 3 190
Bube -> As 21 380
Bube -> König 6 95
Bube -> Dame 3 190
Bube -> Bube 3 190

Die Wahrscheinlichkeit für '2 Asse' ist:

P('As'-'As')
= 21 190

Die Wahrscheinlichkeit für '2 Könige' ist:

P('König'-'König')
= 14 95

Die Wahrscheinlichkeit für '2 Damen' ist:

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

Die Wahrscheinlichkeit für '2 Buben' ist:

P('Bube'-'Bube')
= 3 190

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

P('König'-'Dame') + P('Dame'-'König')
= 4 95 + 4 95 = 8 95

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 400 240 70 20
P(X=xi) 21 190 14 95 1 190 3 190 8 95
xi ⋅ P(X=xi) 2100 19 1120 19 24 19 21 19 32 19

Der Erwartungswert verechnet sich aus der Summe der einzelnen Produkte:

E(X)= 1000⋅ 21 190 + 400⋅ 14 95 + 240⋅ 1 190 + 70⋅ 3 190 + 20⋅ 8 95

= 2100 19 + 1120 19 + 24 19 + 21 19 + 32 19
= 3297 19

173.53