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 dabei die Summe der Augenzahlen der beiden Würfe. Gib alle Werte an, die die Zufallsgröße X annehmen kann.

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

Zufallsgröße XX = 4X = 5X = 6X = 7X = 8
zugehörige
Ereignisse
2 - 22 - 3
3 - 2
2 - 4
3 - 3
4 - 2
3 - 4
4 - 3
4 - 4

Zufallsgröße WS-Verteilung

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 Summe der Zahlen die bei den beiden Glücksräder erscheinen.
Stelle eine Wahrscheinlichkeitsverteilung für die Zufallsgröße X auf.

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

Zufallsgröße XX = 2X = 3X = 4X = 5X = 6
zugehörige
Ereignisse
1 - 11 - 2
2 - 1
1 - 3
2 - 2
3 - 1
2 - 3
3 - 2
3 - 3
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 = 2X = 3X = 4X = 5X = 6
zugehörige
Wahrscheinlichkeit P(X)
3 8 3 8 3 8 3 8
+ 3 8 3 8
3 8 1 4
+ 3 8 3 8
+ 1 4 3 8
3 8 1 4
+ 1 4 3 8
1 4 1 4
  = 9 64 9 64 + 9 64 3 32 + 9 64 + 3 32 3 32 + 3 32 1 16



Hiermit ergibt sich die gesuchte Wahrscheinlichkeitsverteilung für die Zufallsgröße X:

Zufallsgröße X23456
P(X=k) 9 64 9 32 21 64 3 16 1 16

Zufallsgröße (auch ohne zur.)

Beispiel:

In einer Urne sind sechs Kugeln, die mit der Zahl 2 beschriftet sind und vier Kugeln, die mit der Zahl 9 beschriftet sind. Es werden zwei Kugeln ohne 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)
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 X41881
P(X=k) 1 3 8 15 2 15

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

Beispiel:

Aus einem Kartenstapel mit 10 Karten der Farbe Herz und 4 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 4 Karten vom Typ 'kein Herz' vorhanden sind, muss spätestens im 5-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 5 annehmen.

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

Zufallsgröße X12345
P(X=k) 5 7 20 91 5 91 10 1001 1 1001

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 das Produkt 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 X123469
P(X=k) 25 144 ???? 25 144

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(Alle Sektoren sind Vielfache
von Achtels-Kreisen)

Für X=1 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=1) = p1 ⋅ p1 (siehe Baumdiagramm).

Aus der Tabelle können wir aber P(X=1) = 25 144 heraus lesen, also muss gelten:

p1 ⋅ p1 = (p1)2 = 25 144 und somit p1 = 5 12 .

Ebenso gibt es für X=9 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=9) = p3 ⋅ p3 (siehe Baumdiagramm).

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Aus der Tabelle können wir aber P(X=9) = 25 144 heraus lesen, also muss gelten:

p3 ⋅ p3 = (p3)2 = 25 144 und somit p3 = 5 12 .

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

p2 = 1 - p1 - p3 = 1 - 5 12 - 5 12 = 12 12 - 5 12 - 5 12 = 2 12 = 1 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 = 5 12 ⋅ 360° = 150°

α2 = 1 6 ⋅ 360° = 60°

α3 = 5 12 ⋅ 360° = 150°

Erwartungswerte

Beispiel:

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(Alle Sektoren sind Vielfache
von Achtels-Kreisen)

Wie viele Punkte kann man bei dem abgebildeten Glücksrad erwarten?

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

Erwartungswert der Zufallsgröße X

Ereignis 1 4 12 25
Zufallsgröße xi 1 4 12 25
P(X=xi) 3 8 2 8 2 8 1 8
xi ⋅ P(X=xi) 3 8 1 3 25 8

Der Erwartungswert verechnet sich aus der Summe der einzelnen Produkte:

E(X)= 1⋅ 3 8 + 4⋅ 2 8 + 12⋅ 2 8 + 25⋅ 1 8

= 3 8 + 1+ 3+ 25 8
= 3 8 + 8 8 + 24 8 + 25 8
= 60 8
= 15 2

7.5

Einsatz für faires Spiel bestimmen

Beispiel:

Ein Spieler darf aus einer Urne mit 6 blauen, 7 roten, 10 grünen und 7 weißen Kugeln eine Kugel ziehen. Erwischt er eine blaue, so erhält er 10€. Bei rot erhält er 30€ und bei grün erhält er 12€. Welchen Betrag muss er bei weiß erhalten damit das Spiel fair ist, wenn der Einsatz 27€ beträgt ?

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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 blau rot grün weiß
Zufallsgröße xi 10 30 12 x
Zufallsgröße yi (Gewinn) -17 3 -15 x-27
P(X=xi) 6 30 7 30 10 30 7 30
xi ⋅ P(X=xi) 2 7 4 7 30 ⋅ x
yi ⋅ P(Y=yi) - 17 5 7 10 -5 7 30 ⋅(x-27)

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) = 27

6 30 · 10 + 7 30 · 30 + 10 30 · 12 + 7 30 x = 27

2 +7 +4 + 7 30 x = 27

2 +7 +4 + 7 30 x = 27
7 30 x +13 = 27 |⋅ 30
30( 7 30 x +13 ) = 810
7x +390 = 810 | -390
7x = 420 |:7
x = 60

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

E(Y) = 0

6 30 · ( -17 ) + 7 30 · 3 + 10 30 · ( -15 ) + 7 30 ( x -27 ) = 0

- 17 5 + 7 10 -5 + 7 30 x - 63 10 = 0

- 17 5 + 7 10 -5 + 7 30 x - 63 10 = 0
7 30 x -14 = 0 |⋅ 30
30( 7 30 x -14 ) = 0
7x -420 = 0 | +420
7x = 420 |:7
x = 60

In beiden Fällen ist also der gesuchte Betrag: 60

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 7€ betragen
• Der minimale Auszahlungsbetrag soll 2€ sein
• Der maximale Auszahlungsbetrag soll soll 14€ 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) 2 14
Y Gewinn (Ausz. - Einsatz) -5 7
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) 2 14
Y Gewinn (Ausz. - Einsatz) -5 7
P(X) = P(Y) 1 5 1 7
Y ⋅ P(Y) -1 1

Die bisherigen Optionen vereinen eine Wahrscheinlichkeit von 1 5 + 1 7 = 12 35
Als Restwahrscheinlichkeit für die verbleibenden Beträge bleibt nun also 1- 12 35 = 23 35 .
Diese wird auf die beiden verbleibenden Optionen verteilt:

  Feld1 Feld2 Feld3 Feld4
X (z.B. Auszahlung) 2 14
Y Gewinn (Ausz. - Einsatz) -5 7
P(X) = P(Y) 1 5 23 70 23 70 1 7
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) 2 4.5 9.5 14
Y Gewinn (Ausz. - Einsatz) -5 -2.5 2.5 7
P(X) = P(Y) 1 5 23 70 23 70 1 7
Winkel 72 118.29 118.29 51.43
Y ⋅ P(Y) -1 - 23 28 23 28 1

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

E(Y)= -5⋅ 1 5 + -2.5⋅ 23 70 + 2.5⋅ 23 70 + 7⋅ 1 7

= -1 - 23 28 + 23 28 + 1
= - 28 28 - 23 28 + 23 28 + 28 28
= 0 28
= 0

Erwartungswerte bei 'Ziehen bis erstmals ...'

Beispiel:

In einer Urne sind 4 rote und 4 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: 1 2

Die Wahrscheinlichkeit für ein 'rot' im 2-ten Versuch st: 2 7

Die Wahrscheinlichkeit für ein 'rot' im 3-ten Versuch st: 1 7

Die Wahrscheinlichkeit für ein 'rot' im 4-ten Versuch st: 2 35

Die Wahrscheinlichkeit für ein 'rot' im 5-ten Versuch st: 1 70

Die Zufallsgröße X beschreibt die Anzahl der Ziehungen. bis die erste rote Kugel gezogen ist.

Erwartungswert der Zufallsgröße X

Ereignis 1 2 3 4 5
Zufallsgröße xi 1 2 3 4 5
P(X=xi) 1 2 2 7 1 7 2 35 1 70
xi ⋅ P(X=xi) 1 2 4 7 3 7 8 35 1 14

Der Erwartungswert verechnet sich aus der Summe der einzelnen Produkte:

E(X)= 1⋅ 1 2 + 2⋅ 2 7 + 3⋅ 1 7 + 4⋅ 2 35 + 5⋅ 1 70

= 1 2 + 4 7 + 3 7 + 8 35 + 1 14
= 35 70 + 40 70 + 30 70 + 16 70 + 5 70
= 126 70
= 9 5

1.8

Erwartungswerte mit gesuchten Anzahlen im WS-Baum

Beispiel:

Auf einen Schüleraustausch bewerben sich 21 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 95 261
Mädchen -> Mädchen -> Jungs 40 261
Mädchen -> Jungs -> Mädchen 40 261
Mädchen -> Jungs -> Jungs 14 261
Jungs -> Mädchen -> Mädchen 40 261
Jungs -> Mädchen -> Jungs 14 261
Jungs -> Jungs -> Mädchen 14 261
Jungs -> Jungs -> Jungs 4 261

Die Wahrscheinlichkeit für 0 mal 'Mädchen' ist: 4 261

Die Wahrscheinlichkeit für 1 mal 'Mädchen' ist: 14 261 + 14 261 + 14 261 = 14 87

Die Wahrscheinlichkeit für 2 mal 'Mädchen' ist: 40 261 + 40 261 + 40 261 = 40 87

Die Wahrscheinlichkeit für 3 mal 'Mädchen' ist: 95 261

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) 4 261 14 87 40 87 95 261
xi ⋅ P(X=xi) 0 14 87 80 87 95 87

Der Erwartungswert verechnet sich aus der Summe der einzelnen Produkte:

E(X)= 0⋅ 4 261 + 1⋅ 14 87 + 2⋅ 40 87 + 3⋅ 95 261

= 0+ 14 87 + 80 87 + 95 87
= 0 87 + 14 87 + 80 87 + 95 87
= 189 87
= 63 29

2.17

Erwartungswerte mit best. Optionen im WS-Baum

Beispiel:

In einem Stapel Karten mit 2 Asse, 5 Könige, 10 Damen und 3 Buben werden 2 Karten gezogen. Dabei zählen 2 Asse 500, 2 Könige 400, 2 Damen 100 und 2 Buben 50 Punkte. Außerdem gibt es für ein Paar aus Dame und König 15 Punkte. Wie viele Punkte kann man bei diesem Spiel erwarten?
(Denk daran, den Bruch vollständig zu kürzen!)

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Wahrscheinlichkeiten für die verschiedenen Ausgänge

EreignisP
As -> As 1 190
As -> König 1 38
As -> Dame 1 19
As -> Bube 3 190
König -> As 1 38
König -> König 1 19
König -> Dame 5 38
König -> Bube 3 76
Dame -> As 1 19
Dame -> König 5 38
Dame -> Dame 9 38
Dame -> Bube 3 38
Bube -> As 3 190
Bube -> König 3 76
Bube -> Dame 3 38
Bube -> Bube 3 190

Die Wahrscheinlichkeit für '2 Asse' ist:

P('As'-'As')
= 1 190

Die Wahrscheinlichkeit für '2 Könige' ist:

P('König'-'König')
= 1 19

Die Wahrscheinlichkeit für '2 Damen' ist:

P('Dame'-'Dame')
= 9 38

Die Wahrscheinlichkeit für '2 Buben' ist:

P('Bube'-'Bube')
= 3 190

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

P('König'-'Dame') + P('Dame'-'König')
= 5 38 + 5 38 = 5 19

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 500 400 100 50 15
P(X=xi) 1 190 1 19 9 38 3 190 5 19
xi ⋅ P(X=xi) 50 19 400 19 450 19 15 19 75 19

Der Erwartungswert verechnet sich aus der Summe der einzelnen Produkte:

E(X)= 500⋅ 1 190 + 400⋅ 1 19 + 100⋅ 9 38 + 50⋅ 3 190 + 15⋅ 5 19

= 50 19 + 400 19 + 450 19 + 15 19 + 75 19
= 990 19

52.11