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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
blau - rot
blau - blau
blau - gelb
gelb - rot
gelb - blau
gelb - gelb

Zufallsgröße WS-Verteilung

Beispiel:

Eine (faire) Münze wird 3 mal geworfen. Die Zufallsgröße X beschreibt die Anzahl, der Würfe bei denen "Zahl" erscheint. Stelle eine Wahrscheinlichkeitsverteilung für die Zufallsgröße X auf.

Lösung einblenden

Für die Zufallsgröße X: 'Anzahl von Zahl-Würfen' sind folgende Werte möglich:

Zufallsgröße XX = 0X = 1X = 2X = 3
zugehörige
Ereignisse
0 - 0 - 00 - 0 - 1
0 - 1 - 0
1 - 0 - 0
0 - 1 - 1
1 - 0 - 1
1 - 1 - 0
1 - 1 - 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 = 2X = 3
zugehörige
Wahrscheinlichkeit P(X)
1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2
+ 1 2 1 2 1 2
+ 1 2 1 2 1 2
1 2 1 2 1 2
+ 1 2 1 2 1 2
+ 1 2 1 2 1 2
1 2 1 2 1 2
  = 1 8 1 8 + 1 8 + 1 8 1 8 + 1 8 + 1 8 1 8



Hiermit ergibt sich die gesuchte Wahrscheinlichkeitsverteilung für die Zufallsgröße X:

Zufallsgröße X0123
P(X=k) 1 8 3 8 3 8 1 8

Zufallsgröße (auch ohne zur.)

Beispiel:

In einer Urne sind vier Kugeln, die mit der Zahl 3 beschriftet, vier Kugeln, die mit der Zahl 4 sind, und vier Kugeln, die mit der Zahl 7 beschriftet sind. Es werden zwei Kugeln ohne Zurücklegen gezogen. Die Zufallsgröße X beschreibt die Differenz zwischen der größeren 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 = 1X = 3X = 4
zugehörige
Ereignisse
3 - 3
4 - 4
7 - 7
3 - 4
4 - 3
4 - 7
7 - 4
3 - 7
7 - 3
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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 = 1X = 3X = 4
zugehörige
Wahrscheinlichkeit P(X)
1 3 3 11
+ 1 3 3 11
+ 1 3 3 11
1 3 4 11
+ 1 3 4 11
1 3 4 11
+ 1 3 4 11
1 3 4 11
+ 1 3 4 11
  = 1 11 + 1 11 + 1 11 4 33 + 4 33 4 33 + 4 33 4 33 + 4 33



Hiermit ergibt sich die gesuchte Wahrscheinlichkeitsverteilung für die Zufallsgröße X:

Zufallsgröße X0134
P(X=k) 3 11 8 33 8 33 8 33

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 3 Jungs darauf, dass unbedingt immer eine Hausaufgabe eines der 24 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!)

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Da ja nur 3 Hausaufgaben vom Typ 'Jungs' vorhanden sind, muss spätestens im 4-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 4 annehmen.

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

Zufallsgröße X1234
P(X=k) 8 9 4 39 8 975 1 2925

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 die Summe 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 X23456
P(X=k) 1 144 ??? 25 1296

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(Alle Sektoren sind Vielfache
von Achtels-Kreisen)

Für X=2 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=2) = p1 ⋅ p1 (siehe Baumdiagramm).

Aus der Tabelle können wir aber P(X=2) = 1 144 heraus lesen, also muss gelten:

p1 ⋅ p1 = (p1)2 = 1 144 und somit p1 = 1 12 .

Ebenso gibt es für X=6 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=6) = p3 ⋅ p3 (siehe Baumdiagramm).

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Aus der Tabelle können wir aber P(X=6) = 25 1296 heraus lesen, also muss gelten:

p3 ⋅ p3 = (p3)2 = 25 1296 und somit p3 = 5 36 .

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

p2 = 1 - p1 - p3 = 1 - 1 12 - 5 36 = 36 36 - 3 36 - 5 36 = 28 36 = 7 9

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 = 1 12 ⋅ 360° = 30°

α2 = 7 9 ⋅ 360° = 280°

α3 = 5 36 ⋅ 360° = 50°

Erwartungswerte

Beispiel:

Bei einer Tombola steht auf jedem zehnten Los 100 Punkte, auf jedem fünften Los 45 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 45 8 1
Zufallsgröße xi 100 45 8 1
P(X=xi) 1 10 1 5 1 4 9 20
xi ⋅ P(X=xi) 10 9 2 9 20

Der Erwartungswert verechnet sich aus der Summe der einzelnen Produkte:

E(X)= 100⋅ 1 10 + 45⋅ 1 5 + 8⋅ 1 4 + 1⋅ 9 20

= 10+ 9+ 2+ 9 20
= 429 20

21.45

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 11,75€ 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 12 ?
Zufallsgröße xi 2 4 12 x
Zufallsgröße yi (Gewinn) -9.75 -7.75 0.25 x-11.75
P(X=xi) 3 8 2 8 2 8 1 8
xi ⋅ P(X=xi) 3 4 1 3 1 8 ⋅ x
yi ⋅ P(Y=yi) - 29.25 8 - 15.5 8 0.5 8 1 8 ⋅(x-11.75)

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) = 11.75

3 8 · 2 + 2 8 · 4 + 2 8 · 12 + 1 8 x = 11.75

3 4 +1 +3 + 1 8 x = 11.75

3 4 +1 +3 + 1 8 x = 11,75
1 8 x + 19 4 = 11,75 |⋅ 8
8( 1 8 x + 19 4 ) = 94
x +38 = 94 | -38
x = 56

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

E(Y) = 0

3 8 · ( -9,75 ) + 2 8 · ( -7,75 ) + 2 8 · 0,25 + 1 8 ( x -11,75 ) = 0

- 29.25 8 - 7.75 4 + 0.25 4 + 1 8 x -1,46875 = 0

-3,65625 -1,9375 +0,0625 + 1 8 x -1,46875 = 0
1 8 x -7 = 0 |⋅ 8
8( 1 8 x -7 ) = 0
x -56 = 0 | +56
x = 56

In beiden Fällen ist also der gesuchte Betrag: 56

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 9€ betragen
• Der minimale Auszahlungsbetrag soll 4€ sein
• Der maximale Auszahlungsbetrag soll soll 44€ 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) 4 44
Y Gewinn (Ausz. - Einsatz) -5 35
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) 4 44
Y Gewinn (Ausz. - Einsatz) -5 35
P(X) = P(Y) 1 5 1 35
Y ⋅ P(Y) -1 1

Die bisherigen Optionen vereinen eine Wahrscheinlichkeit von 1 5 + 1 35 = 8 35
Als Restwahrscheinlichkeit für die verbleibenden Beträge bleibt nun also 1- 8 35 = 27 35 .
Diese wird auf die beiden verbleibenden Optionen verteilt:

  Feld1 Feld2 Feld3 Feld4
X (z.B. Auszahlung) 4 44
Y Gewinn (Ausz. - Einsatz) -5 35
P(X) = P(Y) 1 5 27 70 27 70 1 35
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 5 2 ) setzt.

  Feld1 Feld2 Feld3 Feld4
X (z.B. Auszahlung) 4 6.5 11.5 44
Y Gewinn (Ausz. - Einsatz) -5 -2.5 2.5 35
P(X) = P(Y) 1 5 27 70 27 70 1 35
Winkel 72 138.86 138.86 10.29
Y ⋅ P(Y) -1 - 27 28 27 28 1

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

E(Y)= -5⋅ 1 5 + -2.5⋅ 27 70 + 2.5⋅ 27 70 + 35⋅ 1 35

= -1 - 27 28 + 27 28 + 1
= - 28 28 - 27 28 + 27 28 + 28 28
= 0 28
= 0

Erwartungswerte bei 'Ziehen bis erstmals ...'

Beispiel:

In einer Urne sind 6 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: 3 4

Die Wahrscheinlichkeit für ein 'rot' im 2-ten Versuch st: 3 14

Die Wahrscheinlichkeit für ein 'rot' im 3-ten Versuch st: 1 28

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) 3 4 3 14 1 28
xi ⋅ P(X=xi) 3 4 3 7 3 28

Der Erwartungswert verechnet sich aus der Summe der einzelnen Produkte:

E(X)= 1⋅ 3 4 + 2⋅ 3 14 + 3⋅ 1 28

= 3 4 + 3 7 + 3 28
= 21 28 + 12 28 + 3 28
= 36 28
= 9 7

1.29

Erwartungswerte mit gesuchten Anzahlen im WS-Baum

Beispiel:

Auf einen Schüleraustausch bewerben sich 18 Mädchen und 8 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 102 325
Mädchen -> Mädchen -> Jungs 51 325
Mädchen -> Jungs -> Mädchen 51 325
Mädchen -> Jungs -> Jungs 21 325
Jungs -> Mädchen -> Mädchen 51 325
Jungs -> Mädchen -> Jungs 21 325
Jungs -> Jungs -> Mädchen 21 325
Jungs -> Jungs -> Jungs 7 325

Die Wahrscheinlichkeit für 0 mal 'Mädchen' ist: 7 325

Die Wahrscheinlichkeit für 1 mal 'Mädchen' ist: 21 325 + 21 325 + 21 325 = 63 325

Die Wahrscheinlichkeit für 2 mal 'Mädchen' ist: 51 325 + 51 325 + 51 325 = 153 325

Die Wahrscheinlichkeit für 3 mal 'Mädchen' ist: 102 325

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) 7 325 63 325 153 325 102 325
xi ⋅ P(X=xi) 0 63 325 306 325 306 325

Der Erwartungswert verechnet sich aus der Summe der einzelnen Produkte:

E(X)= 0⋅ 7 325 + 1⋅ 63 325 + 2⋅ 153 325 + 3⋅ 102 325

= 0+ 63 325 + 306 325 + 306 325
= 0 325 + 63 325 + 306 325 + 306 325
= 675 325
= 27 13

2.08

Erwartungswerte mit best. Optionen im WS-Baum

Beispiel:

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(Alle Sektoren sind Vielfache
von Achtels-Kreisen)

Zwei Glücksräder wie rechts in der Abbildung werden gleichzeitig gedreht. Erscheinen zwei Kronen, so erhält man 40€. Bei einer Krone erhält man immer hin noch 10€. Erscheinen zwei gleiche Dinge (außer Kronen), so erhält man 1€. In allen anderen Fällen geht man leer aus. Mit wie viel Euro kann man bei einem Spiel durchschnittlich rechnen?
(Denk daran, den Bruch vollständig zu kürzen!)

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Wahrscheinlichkeiten für die verschiedenen Ausgänge

EreignisP
Blume -> Blume 9 64
Blume -> Raute 3 32
Blume -> Stein 3 32
Blume -> Krone 3 64
Raute -> Blume 3 32
Raute -> Raute 1 16
Raute -> Stein 1 16
Raute -> Krone 1 32
Stein -> Blume 3 32
Stein -> Raute 1 16
Stein -> Stein 1 16
Stein -> Krone 1 32
Krone -> Blume 3 64
Krone -> Raute 1 32
Krone -> Stein 1 32
Krone -> Krone 1 64

Die Wahrscheinlichkeit für '2 gleiche' ist:

P('Blume'-'Blume') + P('Raute'-'Raute') + P('Stein'-'Stein')
= 9 64 + 1 16 + 1 16 = 17 64

Die Wahrscheinlichkeit für '1 Krone' ist:

P('Blume'-'Krone') + P('Raute'-'Krone') + P('Stein'-'Krone') + P('Krone'-'Blume') + P('Krone'-'Raute') + P('Krone'-'Stein')
= 3 64 + 1 32 + 1 32 + 3 64 + 1 32 + 1 32 = 7 32

Die Wahrscheinlichkeit für '2 Kronen' ist:

P('Krone'-'Krone')
= 1 64

Die Zufallsgröße X beschreibt den ausbezahlten Gewinn bei einem Spiel.

Erwartungswert der Zufallsgröße X

Ereignis 2 gleiche 1 Krone 2 Kronen
Zufallsgröße xi 1 10 40
P(X=xi) 17 64 7 32 1 64
xi ⋅ P(X=xi) 17 64 35 16 5 8

Der Erwartungswert verechnet sich aus der Summe der einzelnen Produkte:

E(X)= 1⋅ 17 64 + 10⋅ 7 32 + 40⋅ 1 64

= 17 64 + 35 16 + 5 8
= 17 64 + 140 64 + 40 64
= 197 64

3.08