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

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 einem Kartenstapel sind nur noch vier Karten mit dem Wert 4, vier Karten mit dem Wert 7 und vier 10er.
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.

Lösung einblenden

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

Zufallsgröße XX = 8X = 11X = 14X = 17X = 20
zugehörige
Ereignisse
4 - 44 - 7
7 - 4
4 - 10
7 - 7
10 - 4
7 - 10
10 - 7
10 - 10
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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 = 11X = 14X = 17X = 20
zugehörige
Wahrscheinlichkeit P(X)
1 3 3 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 4 11
1 3 3 11
  = 1 11 4 33 + 4 33 4 33 + 1 11 + 4 33 4 33 + 4 33 1 11



Hiermit ergibt sich die gesuchte Wahrscheinlichkeitsverteilung für die Zufallsgröße X:

Zufallsgröße X811141720
P(X=k) 1 11 8 33 1 3 8 33 1 11

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

Beispiel:

In einer Urne sind 4 rote und 3 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!)

Lösung einblenden
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Da ja nur 3 Kugeln vom Typ 'blau' vorhanden sind, muss spätestens im 4-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 4 annehmen.

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

Zufallsgröße X1234
P(X=k) 4 7 2 7 4 35 1 35

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 ??? 4 9

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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) = 4 9 heraus lesen, also muss gelten:

p3 ⋅ p3 = (p3)2 = 4 9 und somit p3 = 2 3 .

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

p2 = 1 - p1 - p3 = 1 - 1 36 - 2 3 = 36 36 - 1 36 - 24 36 = 11 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 = 1 36 ⋅ 360° = 10°

α2 = 11 36 ⋅ 360° = 110°

α3 = 2 3 ⋅ 360° = 240°

Erwartungswerte

Beispiel:

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(Alle Sektoren sind Vielfache
von Achtels-Kreisen)

Wie viele Punkte kann man bei dem abgebildeten Glücksrad erwarten?

Lösung einblenden

Die Zufallsgröße X beschreibt die Punktezahl auf einem Sektor des Glücksrads.

Erwartungswert der Zufallsgröße X

Ereignis 2 10 16 50
Zufallsgröße xi 2 10 16 50
P(X=xi) 4 8 2 8 1 8 1 8
xi ⋅ P(X=xi) 1 5 2 2 25 4

Der Erwartungswert verechnet sich aus der Summe der einzelnen Produkte:

E(X)= 2⋅ 4 8 + 10⋅ 2 8 + 16⋅ 1 8 + 50⋅ 1 8

= 1+ 5 2 + 2+ 25 4
= 4 4 + 10 4 + 8 4 + 25 4
= 47 4

11.75

Einsatz für faires Spiel bestimmen

Beispiel:

Ein Spieler darf aus einer Urne mit 3 blauen, 5 roten, 3 grünen und 4 weißen Kugeln eine Kugel ziehen. Erwischt er eine blaue, so erhält er 30€. Bei rot erhält er 9€ und bei grün erhält er 20€. Welchen Betrag muss er bei weiß erhalten damit das Spiel fair ist, wenn der Einsatz 17€ 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 30 9 20 x
Zufallsgröße yi (Gewinn) 13 -8 3 x-17
P(X=xi) 3 15 5 15 3 15 4 15
xi ⋅ P(X=xi) 6 3 4 4 15 ⋅ x
yi ⋅ P(Y=yi) 13 5 - 8 3 3 5 4 15 ⋅(x-17)

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) = 17

3 15 · 30 + 5 15 · 9 + 3 15 · 20 + 4 15 x = 17

6 +3 +4 + 4 15 x = 17

6 +3 +4 + 4 15 x = 17
4 15 x +13 = 17 |⋅ 15
15( 4 15 x +13 ) = 255
4x +195 = 255 | -195
4x = 60 |:4
x = 15

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

E(Y) = 0

3 15 · 13 + 5 15 · ( -8 ) + 3 15 · 3 + 4 15 ( x -17 ) = 0

13 5 - 8 3 + 3 5 + 4 15 x - 68 15 = 0

13 5 - 8 3 + 3 5 + 4 15 x - 68 15 = 0
4 15 x -4 = 0 |⋅ 15
15( 4 15 x -4 ) = 0
4x -60 = 0 | +60
4x = 60 |:4
x = 15

In beiden Fällen ist also der gesuchte Betrag: 15

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 10€ betragen
• Der minimale Auszahlungsbetrag soll 8€ sein
• Der maximale Auszahlungsbetrag soll soll 49€ 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) 8 49
Y Gewinn (Ausz. - Einsatz) -2 39
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) 8 49
Y Gewinn (Ausz. - Einsatz) -2 39
P(X) = P(Y) 1 2 1 39
Y ⋅ P(Y) -1 1

Die bisherigen Optionen vereinen eine Wahrscheinlichkeit von 1 2 + 1 39 = 41 78
Als Restwahrscheinlichkeit für die verbleibenden Beträge bleibt nun also 1- 41 78 = 37 78 .
Diese wird auf die beiden verbleibenden Optionen verteilt:

  Feld1 Feld2 Feld3 Feld4
X (z.B. Auszahlung) 8 49
Y Gewinn (Ausz. - Einsatz) -2 39
P(X) = P(Y) 1 2 37 156 37 156 1 39
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) 8 9 11 49
Y Gewinn (Ausz. - Einsatz) -2 -1 1 39
P(X) = P(Y) 1 2 37 156 37 156 1 39
Winkel 180 85.38 85.38 9.23
Y ⋅ P(Y) -1 - 37 156 37 156 1

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

E(Y)= -2⋅ 1 2 + -1⋅ 37 156 + 1⋅ 37 156 + 39⋅ 1 39

= -1 - 37 156 + 37 156 + 1
= - 156 156 - 37 156 + 37 156 + 156 156
= 0 156
= 0

Erwartungswerte bei 'Ziehen bis erstmals ...'

Beispiel:

Aus einem Kartenstapel mit 11 Karten der Farbe Herz und 4 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: 11 15

Die Wahrscheinlichkeit für ein 'Herz' im 2-ten Versuch st: 22 105

Die Wahrscheinlichkeit für ein 'Herz' im 3-ten Versuch st: 22 455

Die Wahrscheinlichkeit für ein 'Herz' im 4-ten Versuch st: 11 1365

Die Wahrscheinlichkeit für ein 'Herz' im 5-ten Versuch st: 1 1365

Die Zufallsgröße X beschreibt die Anzahl der Ziehungen. bis das erste Herz gekommen ist.

Erwartungswert der Zufallsgröße X

Ereignis 1 2 3 4 5
Zufallsgröße xi 1 2 3 4 5
P(X=xi) 11 15 22 105 22 455 11 1365 1 1365
xi ⋅ P(X=xi) 11 15 44 105 66 455 44 1365 1 273

Der Erwartungswert verechnet sich aus der Summe der einzelnen Produkte:

E(X)= 1⋅ 11 15 + 2⋅ 22 105 + 3⋅ 22 455 + 4⋅ 11 1365 + 5⋅ 1 1365

= 11 15 + 44 105 + 66 455 + 44 1365 + 1 273
= 1001 1365 + 572 1365 + 198 1365 + 44 1365 + 5 1365
= 1820 1365
= 4 3

1.33

Erwartungswerte mit gesuchten Anzahlen im WS-Baum

Beispiel:

Auf einen Schüleraustausch bewerben sich 12 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 20 161
Mädchen -> Mädchen -> Jungs 22 161
Mädchen -> Jungs -> Mädchen 22 161
Mädchen -> Jungs -> Jungs 20 161
Jungs -> Mädchen -> Mädchen 22 161
Jungs -> Mädchen -> Jungs 20 161
Jungs -> Jungs -> Mädchen 20 161
Jungs -> Jungs -> Jungs 15 161

Die Wahrscheinlichkeit für 0 mal 'Mädchen' ist: 15 161

Die Wahrscheinlichkeit für 1 mal 'Mädchen' ist: 20 161 + 20 161 + 20 161 = 60 161

Die Wahrscheinlichkeit für 2 mal 'Mädchen' ist: 22 161 + 22 161 + 22 161 = 66 161

Die Wahrscheinlichkeit für 3 mal 'Mädchen' ist: 20 161

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) 15 161 60 161 66 161 20 161
xi ⋅ P(X=xi) 0 60 161 132 161 60 161

Der Erwartungswert verechnet sich aus der Summe der einzelnen Produkte:

E(X)= 0⋅ 15 161 + 1⋅ 60 161 + 2⋅ 66 161 + 3⋅ 20 161

= 0+ 60 161 + 132 161 + 60 161
= 0 161 + 60 161 + 132 161 + 60 161
= 252 161
= 36 23

1.57

Erwartungswerte mit best. Optionen im WS-Baum

Beispiel:

Ein leidenschaftlicher Mäxle-Spieler möchte eine Mäxle-Spielautomat bauen. Wie beim richtigen Mäxle sollen auch hier zwei normale Würfel gleichzeitig geworfen werden (bzw. dies eben simuliert). Bei einem Mäxle (also eine 1 und eine 2) soll dann 10€ ausbezahlt werden, bei einem Pasch (also zwei gleiche Augenzahlen) 5€ und bei 61-65 also (also ein Würfel 6 und der andere keine 6) noch 3€. Wie groß müsste der Einsatz sein, damit das Spiel fair wird?
(Denk daran, den Bruch vollständig zu kürzen!)

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Wahrscheinlichkeiten für die verschiedenen Ausgänge

EreignisP
1 -> 1 1 36
1 -> 2 1 36
1 -> 3 1 36
1 -> 4 1 36
1 -> 5 1 36
1 -> 6 1 36
2 -> 1 1 36
2 -> 2 1 36
2 -> 3 1 36
2 -> 4 1 36
2 -> 5 1 36
2 -> 6 1 36
3 -> 1 1 36
3 -> 2 1 36
3 -> 3 1 36
3 -> 4 1 36
3 -> 5 1 36
3 -> 6 1 36
4 -> 1 1 36
4 -> 2 1 36
4 -> 3 1 36
4 -> 4 1 36
4 -> 5 1 36
4 -> 6 1 36
5 -> 1 1 36
5 -> 2 1 36
5 -> 3 1 36
5 -> 4 1 36
5 -> 5 1 36
5 -> 6 1 36
6 -> 1 1 36
6 -> 2 1 36
6 -> 3 1 36
6 -> 4 1 36
6 -> 5 1 36
6 -> 6 1 36

Die Wahrscheinlichkeit für 'Mäxle' ist:

P('1'-'2') + P('2'-'1')
= 1 36 + 1 36 = 1 18

Die Wahrscheinlichkeit für 'Pasch' ist:

P('1'-'1') + P('2'-'2') + P('3'-'3') + P('4'-'4') + P('5'-'5') + P('6'-'6')
= 1 36 + 1 36 + 1 36 + 1 36 + 1 36 + 1 36 = 1 6

Die Wahrscheinlichkeit für '60er' ist:

P('1'-'6') + P('2'-'6') + P('3'-'6') + P('4'-'6') + P('5'-'6') + P('6'-'1') + P('6'-'2') + P('6'-'3') + P('6'-'4') + P('6'-'5')
= 1 36 + 1 36 + 1 36 + 1 36 + 1 36 + 1 36 + 1 36 + 1 36 + 1 36 + 1 36 = 5 18

Die Zufallsgröße X beschreibt den durch die beiden Würfel ausbezahlten Euro-Betrag.

Erwartungswert der Zufallsgröße X

Ereignis Mäxle Pasch 60er
Zufallsgröße xi 10 5 3
P(X=xi) 1 18 1 6 5 18
xi ⋅ P(X=xi) 5 9 5 6 5 6

Der Erwartungswert verechnet sich aus der Summe der einzelnen Produkte:

E(X)= 10⋅ 1 18 + 5⋅ 1 6 + 3⋅ 5 18

= 5 9 + 5 6 + 5 6
= 10 18 + 15 18 + 15 18
= 40 18
= 20 9

2.22