Aufgabenbeispiele von Erwartungswert

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


Zufallsgröße (ohne Wahrscheinlichkeit)

Beispiel:

In einer Urne sind fünf Kugeln, die mit der Zahl 4 beschriftet sind und zwei Kugeln, die mit der Zahl 9 beschriftet sind. Es werden zwei Kugeln mit Zurücklegen gezogen.
Die Zufallsgröße X beschreibt das Produkt der Zahlen der beiden gezogenen Kugeln. Gib alle Werte an, die die Zufallsgröße X annehmen kann.

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

Zufallsgröße XX = 16X = 36X = 81
zugehörige
Ereignisse
4 - 44 - 9
9 - 4
9 - 9

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 das Produkt der Zahlen die bei den beiden Glücksräder erscheinen. Stelle eine Wahrscheinlichkeitsverteilung für die Zufallsgröße X auf.

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

Zufallsgröße XX = 1X = 2X = 3X = 4X = 6X = 9
zugehörige
Ereignisse
1 - 11 - 2
2 - 1
1 - 3
3 - 1
2 - 22 - 3
3 - 2
3 - 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 = 1X = 2X = 3X = 4X = 6X = 9
zugehörige
Wahrscheinlichkeit P(X)
5 8 5 8 5 8 1 4
+ 1 4 5 8
5 8 1 8
+ 1 8 5 8
1 4 1 4 1 4 1 8
+ 1 8 1 4
1 8 1 8
  = 25 64 5 32 + 5 32 5 64 + 5 64 1 16 1 32 + 1 32 1 64



Hiermit ergibt sich die gesuchte Wahrscheinlichkeitsverteilung für die Zufallsgröße X:

Zufallsgröße X123469
P(X=k) 25 64 5 16 5 32 1 16 1 16 1 64

Zufallsgröße (auch ohne zur.)

Beispiel:

In einem Kartenstapel sind nur noch zwei Karten mit dem Wert 2, zwei Karten mit dem Wert 6 und zwei 10er.
Es werden zwei Karten ohne Zurücklegen gezogen. Die Zufallsgröße X beschreibt die Differenz zwischen dem größeren und dem kleineren Wert der beiden gezogenen Karten. Stelle eine Wahrscheinlichkeitsverteilung für die Zufallsgröße X auf.

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

Zufallsgröße XX = 0X = 4X = 8
zugehörige
Ereignisse
2 - 2
6 - 6
10 - 10
2 - 6
6 - 2
6 - 10
10 - 6
2 - 10
10 - 2
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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 = 0X = 4X = 8
zugehörige
Wahrscheinlichkeit P(X)
1 3 1 5
+ 1 3 1 5
+ 1 3 1 5
1 3 2 5
+ 1 3 2 5
+ 1 3 2 5
+ 1 3 2 5
1 3 2 5
+ 1 3 2 5
  = 1 15 + 1 15 + 1 15 2 15 + 2 15 + 2 15 + 2 15 2 15 + 2 15



Hiermit ergibt sich die gesuchte Wahrscheinlichkeitsverteilung für die Zufallsgröße X:

Zufallsgröße X048
P(X=k) 1 5 8 15 4 15

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

Beispiel:

Aus einem Kartenstapel mit 4 Karten der Farbe Herz und 4 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 4 Karten vom Typ 'kein Herz' vorhanden sind, muss spätestens im 5-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 5 annehmen.

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

Zufallsgröße X12345
P(X=k) 1 2 2 7 1 7 2 35 1 70

Zufallsgröße rückwärts

Beispiel:

In einer Urne sind 20 Kugeln, die mit verschiedenen Zahlen beschriftet sind. Dabei gibt es nur die Zahlen 2, 6 und 9 als Beschriftung. Es werden zwei Kugeln mit Zurücklegen gezogen. Die Zufallsgröße X beschreibt das Produkt 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 X41218365481
P(X=k) 9 100 ???? 9 100

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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) = 9 100 heraus lesen, also muss gelten:

p1 ⋅ p1 = (p1)2 = 9 100 und somit p1 = 3 10 .

Ebenso gibt es für X=81 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=81) = p3 ⋅ p3 (siehe Baumdiagramm).

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Aus der Tabelle können wir aber P(X=81) = 9 100 heraus lesen, also muss gelten:

p3 ⋅ p3 = (p3)2 = 9 100 und somit p3 = 3 10 .

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

p2 = 1 - p1 - p3 = 1 - 3 10 - 3 10 = 10 10 - 3 10 - 3 10 = 4 10 = 2 5

Um nun noch die jeweilige Anzahl der Kugeln mit gleicher Zahl zu ermittlen, müssen wir einfach die Wahrscheinlichkeit mit 20 multiplizieren, weil ja für die Wahrscheinlichkeit für eine der n Kugeln mit einer bestimmten Zahl gilt: p = n 20

Somit erhalten wir:

n2 = 3 10 ⋅ 20 = 6

n6 = 2 5 ⋅ 20 = 8

n9 = 3 10 ⋅ 20 = 6

Erwartungswerte

Beispiel:

Bei einer Tombola steht auf jedem zehnten Los 100 Punkte, auf jedem fünften Los 50 Punkte, auf jedem vierten Los 12 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 50 12 1
Zufallsgröße xi 100 50 12 1
P(X=xi) 1 10 1 5 1 4 9 20
xi ⋅ P(X=xi) 10 10 3 9 20

Der Erwartungswert verechnet sich aus der Summe der einzelnen Produkte:

E(X)= 100⋅ 1 10 + 50⋅ 1 5 + 12⋅ 1 4 + 1⋅ 9 20

= 10+ 10+ 3+ 9 20
= 469 20

23.45

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 10,5€ 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 8 20 ?
Zufallsgröße xi 2 8 20 x
Zufallsgröße yi (Gewinn) -8.5 -2.5 9.5 x-10.5
P(X=xi) 4 8 2 8 1 8 1 8
xi ⋅ P(X=xi) 1 2 5 2 1 8 ⋅ x
yi ⋅ P(Y=yi) - 17 4 - 5 8 9.5 8 1 8 ⋅(x-10.5)

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) = 10.5

4 8 · 2 + 2 8 · 8 + 1 8 · 20 + 1 8 x = 10.5

1 +2 + 5 2 + 1 8 x = 10.5

1 +2 + 5 2 + 1 8 x = 10,5
1 8 x + 11 2 = 10,5 |⋅ 8
8( 1 8 x + 11 2 ) = 84
x +44 = 84 | -44
x = 40

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

E(Y) = 0

4 8 · ( -8,5 ) + 2 8 · ( -2,5 ) + 1 8 · 9,5 + 1 8 ( x -10,5 ) = 0

- 8.5 2 - 2.5 4 + 9.5 8 + 1 8 x -1,3125 = 0

-4,25 -0,625 +1,1875 + 1 8 x -1,3125 = 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 4€ betragen
• Der minimale Auszahlungsbetrag soll 2€ sein
• Der maximale Auszahlungsbetrag soll soll 9€ 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 9
Y Gewinn (Ausz. - Einsatz) -2 5
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 9
Y Gewinn (Ausz. - Einsatz) -2 5
P(X) = P(Y) 1 2 1 5
Y ⋅ P(Y) -1 1

Die bisherigen Optionen vereinen eine Wahrscheinlichkeit von 1 2 + 1 5 = 7 10
Als Restwahrscheinlichkeit für die verbleibenden Beträge bleibt nun also 1- 7 10 = 3 10 .
Diese wird auf die beiden verbleibenden Optionen verteilt:

  Feld1 Feld2 Feld3 Feld4
X (z.B. Auszahlung) 2 9
Y Gewinn (Ausz. - Einsatz) -2 5
P(X) = P(Y) 1 2 3 20 3 20 1 5
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 1) setzt.

  Feld1 Feld2 Feld3 Feld4
X (z.B. Auszahlung) 2 3 5 9
Y Gewinn (Ausz. - Einsatz) -2 -1 1 5
P(X) = P(Y) 1 2 3 20 3 20 1 5
Winkel 180 54 54 72
Y ⋅ P(Y) -1 - 3 20 3 20 1

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

E(Y)= -2⋅ 1 2 + -1⋅ 3 20 + 1⋅ 3 20 + 5⋅ 1 5

= -1 - 3 20 + 3 20 + 1
= - 20 20 - 3 20 + 3 20 + 20 20
= 0 20
= 0

Erwartungswerte bei 'Ziehen bis erstmals ...'

Beispiel:

In einer Urne sind 12 rote und 2 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: 6 7

Die Wahrscheinlichkeit für ein 'rot' im 2-ten Versuch st: 12 91

Die Wahrscheinlichkeit für ein 'rot' im 3-ten Versuch st: 1 91

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

Erwartungswert der Zufallsgröße X

Ereignis 1 2 3
Zufallsgröße xi 1 2 3
P(X=xi) 6 7 12 91 1 91
xi ⋅ P(X=xi) 6 7 24 91 3 91

Der Erwartungswert verechnet sich aus der Summe der einzelnen Produkte:

E(X)= 1⋅ 6 7 + 2⋅ 12 91 + 3⋅ 1 91

= 6 7 + 24 91 + 3 91
= 78 91 + 24 91 + 3 91
= 105 91
= 15 13

1.15

Erwartungswerte mit gesuchten Anzahlen im WS-Baum

Beispiel:

Auf einen Schüleraustausch bewerben sich 21 Mädchen und 7 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 95 234
Mädchen -> Mädchen -> Jungs 35 234
Mädchen -> Jungs -> Mädchen 35 234
Mädchen -> Jungs -> Jungs 7 156
Jungs -> Mädchen -> Mädchen 35 234
Jungs -> Mädchen -> Jungs 7 156
Jungs -> Jungs -> Mädchen 7 156
Jungs -> Jungs -> Jungs 5 468

Die Wahrscheinlichkeit für 0 mal 'Mädchen' ist: 5 468

Die Wahrscheinlichkeit für 1 mal 'Mädchen' ist: 7 156 + 7 156 + 7 156 = 7 52

Die Wahrscheinlichkeit für 2 mal 'Mädchen' ist: 35 234 + 35 234 + 35 234 = 35 78

Die Wahrscheinlichkeit für 3 mal 'Mädchen' ist: 95 234

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) 5 468 7 52 35 78 95 234
xi ⋅ P(X=xi) 0 7 52 35 39 95 78

Der Erwartungswert verechnet sich aus der Summe der einzelnen Produkte:

E(X)= 0⋅ 5 468 + 1⋅ 7 52 + 2⋅ 35 78 + 3⋅ 95 234

= 0+ 7 52 + 35 39 + 95 78
= 0 156 + 21 156 + 140 156 + 190 156
= 351 156
= 9 4

2.25

Erwartungswerte mit best. Optionen im WS-Baum

Beispiel:

In einem Stapel Karten mit 4 Asse, 2 Könige, 7 Damen und 7 Buben werden 2 Karten gezogen. Dabei zählen 2 Asse 500, 2 Könige 350, 2 Damen 200 und 2 Buben 90 Punkte. Außerdem gibt es für ein Paar aus Dame und König 15 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 3 95
As -> König 2 95
As -> Dame 7 95
As -> Bube 7 95
König -> As 2 95
König -> König 1 190
König -> Dame 7 190
König -> Bube 7 190
Dame -> As 7 95
Dame -> König 7 190
Dame -> Dame 21 190
Dame -> Bube 49 380
Bube -> As 7 95
Bube -> König 7 190
Bube -> Dame 49 380
Bube -> Bube 21 190

Die Wahrscheinlichkeit für '2 Asse' ist:

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

Die Wahrscheinlichkeit für '2 Könige' ist:

P('König'-'König')
= 1 190

Die Wahrscheinlichkeit für '2 Damen' ist:

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

Die Wahrscheinlichkeit für '2 Buben' ist:

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

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

P('König'-'Dame') + P('Dame'-'König')
= 7 190 + 7 190 = 7 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 500 350 200 90 15
P(X=xi) 3 95 1 190 21 190 21 190 7 95
xi ⋅ P(X=xi) 300 19 35 19 420 19 189 19 21 19

Der Erwartungswert verechnet sich aus der Summe der einzelnen Produkte:

E(X)= 500⋅ 3 95 + 350⋅ 1 190 + 200⋅ 21 190 + 90⋅ 21 190 + 15⋅ 7 95

= 300 19 + 35 19 + 420 19 + 189 19 + 21 19
= 965 19

50.79