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: Zahl des ersten Glücksrads - Zahl des zweiten Glücksrads. Gib alle Werte an, die die Zufallsgröße X annehmen kann.

Lösung einblenden

Für die Zufallsgröße X: 'Differenz Glücksrad 1 - Glücksrad 2' sind folgende Werte möglich:

Zufallsgröße XX = -2X = -1X = 0X = 1X = 2
zugehörige
Ereignisse
1 - 31 - 2
2 - 3
1 - 1
2 - 2
3 - 3
2 - 1
3 - 2
3 - 1

Zufallsgröße WS-Verteilung

Beispiel:

In einer Urne sind zwei Kugeln, die mit der Zahl 5 beschriftet sind und fünf Kugeln, die mit der Zahl 6 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.

Lösung einblenden

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

Zufallsgröße XX = 25X = 30X = 36
zugehörige
Ereignisse
5 - 55 - 6
6 - 5
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 = 25X = 30X = 36
zugehörige
Wahrscheinlichkeit P(X)
2 7 2 7 2 7 5 7
+ 5 7 2 7
5 7 5 7
  = 4 49 10 49 + 10 49 25 49



Hiermit ergibt sich die gesuchte Wahrscheinlichkeitsverteilung für die Zufallsgröße X:

Zufallsgröße X253036
P(X=k) 4 49 20 49 25 49

Zufallsgröße (auch ohne zur.)

Beispiel:

In einer Urne sind vier Kugeln, die mit der Zahl 2 beschriftet sind und sechs Kugeln, die mit der Zahl 9 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 = 11X = 18
zugehörige
Ereignisse
2 - 22 - 9
9 - 2
9 - 9
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 = 11X = 18
zugehörige
Wahrscheinlichkeit P(X)
2 5 3 9 2 5 6 9
+ 3 5 4 9
3 5 5 9
  = 2 15 4 15 + 4 15 1 3



Hiermit ergibt sich die gesuchte Wahrscheinlichkeitsverteilung für die Zufallsgröße X:

Zufallsgröße X41118
P(X=k) 2 15 8 15 1 3

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

Beispiel:

Aus einem Kartenstapel mit 10 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!)

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

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) 5 6 5 33 1 66

Zufallsgröße rückwärts

Beispiel:

In einer Urne sind 20 Kugeln, die mit verschiedenen Zahlen beschriftet sind. Dabei gibt es nur die Zahlen 3, 4 und 7 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 X91216212849
P(X=k) 81 400 ???? 1 16

Lösung einblenden

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

Wenn p1 die Wahrscheinlichkeit von '3' ist, dann muss also für die Wahrscheinlichkeit, dass zwei mal hintereinander '3' kommt, gelten: P(X=9) = p1 ⋅ p1 (siehe Baumdiagramm).

Aus der Tabelle können wir aber P(X=9) = 81 400 heraus lesen, also muss gelten:

p1 ⋅ p1 = (p1)2 = 81 400 und somit p1 = 9 20 .

Ebenso gibt es für X=49 nur das Ereignis: '7'-'7', also dass zwei mal hintereinander '7' kommt.

Wenn p3 die Wahrscheinlichkeit von '7' ist, dann muss also für die Wahrscheinlichkeit, dass zwei mal hintereinander '7' kommt, gelten: P(X=49) = p3 ⋅ p3 (siehe Baumdiagramm).

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

Aus der Tabelle können wir aber P(X=49) = 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 - 9 20 - 1 4 = 20 20 - 9 20 - 5 20 = 6 20 = 3 10

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:

n3 = 9 20 ⋅ 20 = 9

n4 = 3 10 ⋅ 20 = 6

n7 = 1 4 ⋅ 20 = 5

Erwartungswerte

Beispiel:

Ein Spieler darf aus einer Urne mit 6 blauen, 9 roten, 3 grünen und 6 weißen Kugeln eine Kugel ziehen. Erwischt er eine blaue, so erhält er 16€. Bei rot erhält er 8€, bei grün erhält er 32€ und bei weiß erhält er 12€. Wieviel bringt ein Zug durchschnittlich ein?

Lösung einblenden

Die Zufallsgröße X beschreibt den ausbezahlten €-Euro-Betrag.

Erwartungswert der Zufallsgröße X

Ereignis blau rot grün weiß
Zufallsgröße xi 16 8 32 12
P(X=xi) 6 24 9 24 3 24 6 24
xi ⋅ P(X=xi) 4 3 4 3

Der Erwartungswert verechnet sich aus der Summe der einzelnen Produkte:

E(X)= 16⋅ 6 24 + 8⋅ 9 24 + 32⋅ 3 24 + 12⋅ 6 24

= 4+ 3+ 4+ 3
= 14

Einsatz für faires Spiel bestimmen

Beispiel:

Ein Spieler darf aus einer Urne mit 6 blauen, 8 roten, 9 grünen und 7 weißen Kugeln eine Kugel ziehen. Erwischt er eine blaue, so erhält er 20€. Bei rot erhält er 15€ und bei grün erhält er 10€. Welchen Betrag muss er bei weiß erhalten damit das Spiel fair ist, wenn der Einsatz 18€ beträgt ?

Lösung einblenden

Die Zufallsgröße X beschreibt die Auszahlung.

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

Erwartungswerte der Zufallsgrößen X und Y

Ereignis blau rot grün weiß
Zufallsgröße xi 20 15 10 x
Zufallsgröße yi (Gewinn) 2 -3 -8 x-18
P(X=xi) 6 30 8 30 9 30 7 30
xi ⋅ P(X=xi) 4 4 3 7 30 ⋅ x
yi ⋅ P(Y=yi) 2 5 - 4 5 - 12 5 7 30 ⋅(x-18)

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) = 18

6 30 · 20 + 8 30 · 15 + 9 30 · 10 + 7 30 x = 18

4 +4 +3 + 7 30 x = 18

4 +4 +3 + 7 30 x = 18
7 30 x +11 = 18 |⋅ 30
30( 7 30 x +11 ) = 540
7x +330 = 540 | -330
7x = 210 |:7
x = 30

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

E(Y) = 0

6 30 · 2 + 8 30 · ( -3 ) + 9 30 · ( -8 ) + 7 30 ( x -18 ) = 0

2 5 - 4 5 - 12 5 + 7 30 x - 21 5 = 0

2 5 - 4 5 - 12 5 + 7 30 x - 21 5 = 0
7 30 x -7 = 0 |⋅ 30
30( 7 30 x -7 ) = 0
7x -210 = 0 | +210
7x = 210 |:7
x = 30

In beiden Fällen ist also der gesuchte Betrag: 30

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 7€ sein
• Der maximale Auszahlungsbetrag soll soll 29€ 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) 7 29
Y Gewinn (Ausz. - Einsatz) -2 20
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) 7 29
Y Gewinn (Ausz. - Einsatz) -2 20
P(X) = P(Y) 1 2 1 20
Y ⋅ P(Y) -1 1

Die bisherigen Optionen vereinen eine Wahrscheinlichkeit von 1 2 + 1 20 = 11 20
Als Restwahrscheinlichkeit für die verbleibenden Beträge bleibt nun also 1- 11 20 = 9 20 .
Diese wird auf die beiden verbleibenden Optionen verteilt:

  Feld1 Feld2 Feld3 Feld4
X (z.B. Auszahlung) 7 29
Y Gewinn (Ausz. - Einsatz) -2 20
P(X) = P(Y) 1 2 9 40 9 40 1 20
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) 7 8 10 29
Y Gewinn (Ausz. - Einsatz) -2 -1 1 20
P(X) = P(Y) 1 2 9 40 9 40 1 20
Winkel 180 81 81 18
Y ⋅ P(Y) -1 - 9 40 9 40 1

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

E(Y)= -2⋅ 1 2 + -1⋅ 9 40 + 1⋅ 9 40 + 20⋅ 1 20

= -1 - 9 40 + 9 40 + 1
= - 40 40 - 9 40 + 9 40 + 40 40
= 0 40
= 0

Erwartungswerte bei '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 21 Mädchen der Klasse eingesammelt wird. Deswegen wird solange gelost, bis das erste Mädchen gezogen wird. Mit wie vielen Hausaufgabenüberprüfungen muss die Lehrerin im Durchschnitt rechnen?
(Denk daran, den Bruch vollständig zu kürzen!)

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

Wahrscheinlichkeiten für die verschiedenen Ausgänge

Die Wahrscheinlichkeit für ein 'Mädchen' im 1-ten Versuch st: 7 8

Die Wahrscheinlichkeit für ein 'Mädchen' im 2-ten Versuch st: 21 184

Die Wahrscheinlichkeit für ein 'Mädchen' im 3-ten Versuch st: 21 2024

Die Wahrscheinlichkeit für ein 'Mädchen' im 4-ten Versuch st: 1 2024

Die Zufallsgröße X beschreibt Anzahl der eingesammelten Hausaufgaben bis das erste Mädchen gezogen wird.

Erwartungswert der Zufallsgröße X

Ereignis 1 2 3 4
Zufallsgröße xi 1 2 3 4
P(X=xi) 7 8 21 184 21 2024 1 2024
xi ⋅ P(X=xi) 7 8 21 92 63 2024 1 506

Der Erwartungswert verechnet sich aus der Summe der einzelnen Produkte:

E(X)= 1⋅ 7 8 + 2⋅ 21 184 + 3⋅ 21 2024 + 4⋅ 1 2024

= 7 8 + 21 92 + 63 2024 + 1 506
= 1771 2024 + 462 2024 + 63 2024 + 4 2024
= 2300 2024
= 25 22

1.14

Erwartungswerte mit gesuchten Anzahlen im WS-Baum

Beispiel:

Ein Spieler darf aus einer Urne mit 9 blauen und 3 roten Kugeln 3 Kugeln ohne zurücklegen ziehen. Zieht er dabei 3 blaue Kugeln, so erhält er 156€, bei 2 blauen bekommt er noch 25€, bei einer 10€. Ist gar keine blaue Kugel dabei, erhält er 0€. Welchen Gewinn kann er erwarten?
(Denk daran, den Bruch vollständig zu kürzen!)

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

Wahrscheinlichkeiten für die verschiedenen Ausgänge

EreignisP
blau -> blau -> blau 21 55
blau -> blau -> rot 9 55
blau -> rot -> blau 9 55
blau -> rot -> rot 9 220
rot -> blau -> blau 9 55
rot -> blau -> rot 9 220
rot -> rot -> blau 9 220
rot -> rot -> rot 1 220

Die Wahrscheinlichkeit für 0 mal 'blau' ist: 1 220

Die Wahrscheinlichkeit für 1 mal 'blau' ist: 9 220 + 9 220 + 9 220 = 27 220

Die Wahrscheinlichkeit für 2 mal 'blau' ist: 9 55 + 9 55 + 9 55 = 27 55

Die Wahrscheinlichkeit für 3 mal 'blau' ist: 21 55

Die Zufallsgröße X beschreibt den ausbezahlten Euro-Betrag.

Erwartungswert der Zufallsgröße X

Ereignis 0 1 2 3
Zufallsgröße xi 0 10 25 156
P(X=xi) 1 220 27 220 27 55 21 55
xi ⋅ P(X=xi) 0 27 22 135 11 3276 55

Der Erwartungswert verechnet sich aus der Summe der einzelnen Produkte:

E(X)= 0⋅ 1 220 + 10⋅ 27 220 + 25⋅ 27 55 + 156⋅ 21 55

= 0+ 27 22 + 135 11 + 3276 55
= 0 110 + 135 110 + 1350 110 + 6552 110
= 8037 110

73.06

Erwartungswerte mit best. Optionen im WS-Baum

Beispiel:

In einem Stapel Karten mit 4 Asse, 3 Könige, 6 Damen und 7 Buben werden 2 Karten gezogen. Dabei zählen 2 Asse 1000, 2 Könige 250, 2 Damen 200 und 2 Buben 70 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!)

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

Wahrscheinlichkeiten für die verschiedenen Ausgänge

EreignisP
As -> As 3 95
As -> König 3 95
As -> Dame 6 95
As -> Bube 7 95
König -> As 3 95
König -> König 3 190
König -> Dame 9 190
König -> Bube 21 380
Dame -> As 6 95
Dame -> König 9 190
Dame -> Dame 3 38
Dame -> Bube 21 190
Bube -> As 7 95
Bube -> König 21 380
Bube -> Dame 21 190
Bube -> Bube 21 190

Die Wahrscheinlichkeit für '2 Asse' ist:

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

Die Wahrscheinlichkeit für '2 Könige' ist:

P('König'-'König')
= 3 190

Die Wahrscheinlichkeit für '2 Damen' ist:

P('Dame'-'Dame')
= 3 38

Die Wahrscheinlichkeit für '2 Buben' ist:

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

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

P('König'-'Dame') + P('Dame'-'König')
= 9 190 + 9 190 = 9 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 250 200 70 40
P(X=xi) 3 95 3 190 3 38 21 190 9 95
xi ⋅ P(X=xi) 600 19 75 19 300 19 147 19 72 19

Der Erwartungswert verechnet sich aus der Summe der einzelnen Produkte:

E(X)= 1000⋅ 3 95 + 250⋅ 3 190 + 200⋅ 3 38 + 70⋅ 21 190 + 40⋅ 9 95

= 600 19 + 75 19 + 300 19 + 147 19 + 72 19
= 1194 19

62.84