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 :(

(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. Gib alle Werte an, die die Zufallsgröße X annehmen kann.

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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

Zufallsgröße WS-Verteilung

Beispiel:

In einer Urne sind vier Kugeln, die mit der Zahl 2 beschriftet sind und vier 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. Stelle eine Wahrscheinlichkeitsverteilung für die Zufallsgröße X auf.

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

Zufallsgröße XX = 4X = 18X = 81
zugehörige
Ereignisse
2 - 22 - 9
9 - 2
9 - 9
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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 = 4X = 18X = 81
zugehörige
Wahrscheinlichkeit P(X)
1 2 1 2 1 2 1 2
+ 1 2 1 2
1 2 1 2
  = 1 4 1 4 + 1 4 1 4



Hiermit ergibt sich die gesuchte Wahrscheinlichkeitsverteilung für die Zufallsgröße X:

Zufallsgröße X41881
P(X=k) 1 4 1 2 1 4

Zufallsgröße (auch ohne zur.)

Beispiel:

In einem Kartenstapel sind nur noch vier Karten mit dem Wert 2, vier Karten mit dem Wert 6 und vier 8er.
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 = 4X = 8X = 10X = 12X = 14X = 16
zugehörige
Ereignisse
2 - 22 - 6
6 - 2
2 - 8
8 - 2
6 - 66 - 8
8 - 6
8 - 8
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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 = 4X = 8X = 10X = 12X = 14X = 16
zugehörige
Wahrscheinlichkeit P(X)
1 3 3 11 1 3 4 11
+ 1 3 4 11
1 3 4 11
+ 1 3 4 11
1 3 3 11 1 3 4 11
+ 1 3 4 11
1 3 3 11
  = 1 11 4 33 + 4 33 4 33 + 4 33 1 11 4 33 + 4 33 1 11



Hiermit ergibt sich die gesuchte Wahrscheinlichkeitsverteilung für die Zufallsgröße X:

Zufallsgröße X4810121416
P(X=k) 1 11 8 33 8 33 1 11 8 33 1 11

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

Beispiel:

Aus einem Kartenstapel mit 7 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) 7 9 7 36 1 36

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) 49 324 ??? 1 16

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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) = 49 324 heraus lesen, also muss gelten:

p1 ⋅ p1 = (p1)2 = 49 324 und somit p1 = 7 18 .

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) = 1 16 heraus lesen, also muss gelten:

p3 ⋅ p3 = (p3)2 = 1 16 und somit p3 = 1 4 .

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

p2 = 1 - p1 - p3 = 1 - 7 18 - 1 4 = 36 36 - 14 36 - 9 36 = 13 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 = 7 18 ⋅ 360° = 140°

α2 = 13 36 ⋅ 360° = 130°

α3 = 1 4 ⋅ 360° = 90°

Erwartungswerte

Beispiel:

Ein Spieler darf einmal Würfeln. Bei einer 6 bekommt er 72€, bei einer 5 bekommt er 36€, bei einer 4 bekommt er 18€. Würfelt er eine 1, 2 oder 3 so bekommt er 6€. Wie hoch müsste der Einsatz sein, damit das Spiel fair ist?

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Die Zufallsgröße X beschreibt den Auszahlungsbetrag.

Erwartungswert der Zufallsgröße X

Ereignis 1-3 4 5 6
Zufallsgröße xi 6 18 36 72
P(X=xi) 1 2 1 6 1 6 1 6
xi ⋅ P(X=xi) 3 3 6 12

Der Erwartungswert verechnet sich aus der Summe der einzelnen Produkte:

E(X)= 6⋅ 1 2 + 18⋅ 1 6 + 36⋅ 1 6 + 72⋅ 1 6

= 3+ 3+ 6+ 12
= 24

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 11,5€ 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 12 ?
Zufallsgröße xi 2 8 12 x
Zufallsgröße yi (Gewinn) -9.5 -3.5 0.5 x-11.5
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) - 19 4 - 7 8 0.5 8 1 8 ⋅(x-11.5)

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) = 11.5

4 8 · 2 + 2 8 · 8 + 1 8 · 12 + 1 8 x = 11.5

1 +2 + 3 2 + 1 8 x = 11.5

1 +2 + 3 2 + 1 8 x = 11,5
1 8 x + 9 2 = 11,5 |⋅ 8
8( 1 8 x + 9 2 ) = 92
x +36 = 92 | -36
x = 56

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

E(Y) = 0

4 8 · ( -9,5 ) + 2 8 · ( -3,5 ) + 1 8 · 0,5 + 1 8 ( x -11,5 ) = 0

- 9.5 2 - 3.5 4 + 0.5 8 + 1 8 x -1,4375 = 0

-4,75 -0,875 +0,0625 + 1 8 x -1,4375 = 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 5€ betragen
• Der minimale Auszahlungsbetrag soll 1€ sein
• Der maximale Auszahlungsbetrag soll soll 15€ 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) 1 15
Y Gewinn (Ausz. - Einsatz) -4 10
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) 1 15
Y Gewinn (Ausz. - Einsatz) -4 10
P(X) = P(Y) 1 4 1 10
Y ⋅ P(Y) -1 1

Die bisherigen Optionen vereinen eine Wahrscheinlichkeit von 1 4 + 1 10 = 7 20
Als Restwahrscheinlichkeit für die verbleibenden Beträge bleibt nun also 1- 7 20 = 13 20 .
Diese wird auf die beiden verbleibenden Optionen verteilt:

  Feld1 Feld2 Feld3 Feld4
X (z.B. Auszahlung) 1 15
Y Gewinn (Ausz. - Einsatz) -4 10
P(X) = P(Y) 1 4 13 40 13 40 1 10
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) 1 3 7 15
Y Gewinn (Ausz. - Einsatz) -4 -2 2 10
P(X) = P(Y) 1 4 13 40 13 40 1 10
Winkel 90 117 117 36
Y ⋅ P(Y) -1 - 13 20 13 20 1

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

E(Y)= -4⋅ 1 4 + -2⋅ 13 40 + 2⋅ 13 40 + 10⋅ 1 10

= -1 - 13 20 + 13 20 + 1
= - 20 20 - 13 20 + 13 20 + 20 20
= 0 20
= 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:

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 Glücksräder wie rechts in der Abbildung werden gleichzeitig gedreht. Erscheinen zwei Kronen, so erhält man 40€. Bei einer Krone erhält man immer hin noch 6€. Erscheinen zwei gleiche Dinge (außer Kronen), so erhält man 4€. 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 1 4
Blume -> Raute 1 8
Blume -> Stein 1 16
Blume -> Krone 1 16
Raute -> Blume 1 8
Raute -> Raute 1 16
Raute -> Stein 1 32
Raute -> Krone 1 32
Stein -> Blume 1 16
Stein -> Raute 1 32
Stein -> Stein 1 64
Stein -> Krone 1 64
Krone -> Blume 1 16
Krone -> Raute 1 32
Krone -> Stein 1 64
Krone -> Krone 1 64

Die Wahrscheinlichkeit für '2 gleiche' ist:

P('Blume'-'Blume') + P('Raute'-'Raute') + P('Stein'-'Stein')
= 1 4 + 1 16 + 1 64 = 21 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')
= 1 16 + 1 32 + 1 64 + 1 16 + 1 32 + 1 64 = 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 4 6 40
P(X=xi) 21 64 7 32 1 64
xi ⋅ P(X=xi) 21 16 21 16 5 8

Der Erwartungswert verechnet sich aus der Summe der einzelnen Produkte:

E(X)= 4⋅ 21 64 + 6⋅ 7 32 + 40⋅ 1 64

= 21 16 + 21 16 + 5 8
= 21 16 + 21 16 + 10 16
= 52 16
= 13 4

3.25