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 = -5X = -4X = -1X = 0X = 1X = 4X = 5
zugehörige
Ereignisse
1 - 62 - 61 - 21 - 1
2 - 2
6 - 6
2 - 16 - 26 - 1

Zufallsgröße WS-Verteilung

Beispiel:

In einer Urne sind drei Kugeln, die mit der Zahl 1 beschriftet sind und zwei 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.

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

Zufallsgröße XX = 1X = 6X = 36
zugehörige
Ereignisse
1 - 11 - 6
6 - 1
6 - 6
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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 = 1X = 6X = 36
zugehörige
Wahrscheinlichkeit P(X)
3 5 3 5 3 5 2 5
+ 2 5 3 5
2 5 2 5
  = 9 25 6 25 + 6 25 4 25



Hiermit ergibt sich die gesuchte Wahrscheinlichkeitsverteilung für die Zufallsgröße X:

Zufallsgröße X1636
P(X=k) 9 25 12 25 4 25

Zufallsgröße (auch ohne zur.)

Beispiel:

In einer Urne sind sechs Kugeln, die mit der Zahl 4 beschriftet sind und vier 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.

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

Zufallsgröße XX = 8X = 13X = 18
zugehörige
Ereignisse
4 - 44 - 9
9 - 4
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 = 8X = 13X = 18
zugehörige
Wahrscheinlichkeit P(X)
3 5 5 9 3 5 4 9
+ 2 5 6 9
2 5 3 9
  = 1 3 4 15 + 4 15 2 15



Hiermit ergibt sich die gesuchte Wahrscheinlichkeitsverteilung für die Zufallsgröße X:

Zufallsgröße X81318
P(X=k) 1 3 8 15 2 15

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

Beispiel:

In einer Urne sind 2 rote und 2 blaue Kugeln. Es soll (ohne zurücklegen) solange gezogen werden, bis erstmals eine rote Kugel erscheint.
Die Zufallsgröße X beschreibt dabei die Anzahl der Ziehungen, bis die erste rote Kugel 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 Kugeln vom Typ 'blau' vorhanden sind, muss spätestens im 3-ten Versuch (wenn dann alle Kugeln vom Typ 'blau' bereits gezogen und damit weg sind) eine Kugel vom Typ 'rot' 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 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 1296 ??? 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 1296 heraus lesen, also muss gelten:

p1 ⋅ p1 = (p1)2 = 1 1296 und somit p1 = 1 36 .

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 36 - 5 36 = 36 36 - 1 36 - 5 36 = 30 36 = 5 6

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 36 ⋅ 360° = 10°

α2 = 5 6 ⋅ 360° = 300°

α3 = 5 36 ⋅ 360° = 50°

Erwartungswerte

Beispiel:

Bei einer Tombola steht auf jedem zehnten Los 300 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 300 30 8 1
Zufallsgröße xi 300 30 8 1
P(X=xi) 1 10 1 5 1 4 9 20
xi ⋅ P(X=xi) 30 6 2 9 20

Der Erwartungswert verechnet sich aus der Summe der einzelnen Produkte:

E(X)= 300⋅ 1 10 + 30⋅ 1 5 + 8⋅ 1 4 + 1⋅ 9 20

= 30+ 6+ 2+ 9 20
= 769 20

38.45

Einsatz für faires Spiel bestimmen

Beispiel:

In einer Urne sind 10 Kugeln, die mit 6€ beschriftet sind, 10 Kugeln, die mit 16€ und 8 Kugeln, die mit 24€ beschriftet sind. Bei dem Spiel bekommt man den Betrag, der auf der Kugel steht, ausbezahlt. Außerdem sind noch weitere 4 Kugeln in der Urne. Mit welchem Betrag müsste man diese beschriften, damit das Spiel bei einem Einsatz von 16,88€ fair wäre?

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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 6 16 24 ?
Zufallsgröße xi 6 16 24 x
Zufallsgröße yi (Gewinn) -10.88 -0.88 7.12 x-16.88
P(X=xi) 10 32 10 32 8 32 4 32
xi ⋅ P(X=xi) 15 8 5 6 4 32 ⋅ x
yi ⋅ P(Y=yi) - 108.8 32 - 8.8 32 56.96 32 4 32 ⋅(x-16.88)

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) = 16.88

10 32 · 6 + 10 32 · 16 + 8 32 · 24 + 4 32 x = 16.88

15 8 +5 +6 + 4 32 x = 16.88

15 8 +5 +6 + 1 8 x = 16,88
1 8 x + 103 8 = 16,88 |⋅ 8
8( 1 8 x + 103 8 ) = 135,04
x +103 = 135,04 | -103
x = 32,04

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

E(Y) = 0

10 32 · ( -10,88 ) + 10 32 · ( -0,88 ) + 8 32 · 7,12 + 4 32 ( x -16,88 ) = 0

- 54.4 16 - 4.4 16 + 7.12 4 + 1 8 x -2,11 = 0

-3,4 -0,275 +1,78 + 1 8 x -2,11 = 0
1 8 x -4,005 = 0 |⋅ 8
8( 1 8 x -4,005 ) = 0
x -32,04 = 0 | +32,04
x = 32,04

In beiden Fällen ist also der gesuchte Betrag: 32

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 10€ 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 10
Y Gewinn (Ausz. - Einsatz) -4 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) 1 10
Y Gewinn (Ausz. - Einsatz) -4 5
P(X) = P(Y) 1 4 1 5
Y ⋅ P(Y) -1 1

Die bisherigen Optionen vereinen eine Wahrscheinlichkeit von 1 4 + 1 5 = 9 20
Als Restwahrscheinlichkeit für die verbleibenden Beträge bleibt nun also 1- 9 20 = 11 20 .
Diese wird auf die beiden verbleibenden Optionen verteilt:

  Feld1 Feld2 Feld3 Feld4
X (z.B. Auszahlung) 1 10
Y Gewinn (Ausz. - Einsatz) -4 5
P(X) = P(Y) 1 4 11 40 11 40 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 2) setzt.

  Feld1 Feld2 Feld3 Feld4
X (z.B. Auszahlung) 1 3 7 10
Y Gewinn (Ausz. - Einsatz) -4 -2 2 5
P(X) = P(Y) 1 4 11 40 11 40 1 5
Winkel 90 99 99 72
Y ⋅ P(Y) -1 - 11 20 11 20 1

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

E(Y)= -4⋅ 1 4 + -2⋅ 11 40 + 2⋅ 11 40 + 5⋅ 1 5

= -1 - 11 20 + 11 20 + 1
= - 20 20 - 11 20 + 11 20 + 20 20
= 0 20
= 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!)

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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:

In einem Kartenstapel befinden sich 4 Asse und 14 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 1 204
As -> As -> andereKarte 7 204
As -> andereKarte -> As 7 204
As -> andereKarte -> andereKarte 91 612
andereKarte -> As -> As 7 204
andereKarte -> As -> andereKarte 91 612
andereKarte -> andereKarte -> As 91 612
andereKarte -> andereKarte -> andereKarte 91 204

Die Wahrscheinlichkeit für 0 mal 'As' ist: 91 204

Die Wahrscheinlichkeit für 1 mal 'As' ist: 91 612 + 91 612 + 91 612 = 91 204

Die Wahrscheinlichkeit für 2 mal 'As' ist: 7 204 + 7 204 + 7 204 = 7 68

Die Wahrscheinlichkeit für 3 mal 'As' ist: 1 204

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) 91 204 91 204 7 68 1 204
xi ⋅ P(X=xi) 0 455 102 35 17 5 34

Der Erwartungswert verechnet sich aus der Summe der einzelnen Produkte:

E(X)= 0⋅ 91 204 + 10⋅ 91 204 + 20⋅ 7 68 + 30⋅ 1 204

= 0+ 455 102 + 35 17 + 5 34
= 0 102 + 455 102 + 210 102 + 15 102
= 680 102
= 20 3

6.67

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 20€. 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 20
P(X=xi) 17 64 7 32 1 64
xi ⋅ P(X=xi) 17 64 35 16 5 16

Der Erwartungswert verechnet sich aus der Summe der einzelnen Produkte:

E(X)= 1⋅ 17 64 + 10⋅ 7 32 + 20⋅ 1 64

= 17 64 + 35 16 + 5 16
= 17 64 + 140 64 + 20 64
= 177 64

2.77