Aufgabenbeispiele von Erwartungswert

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Zufallsgröße (ohne Wahrscheinlichkeit)

Beispiel:

Drei normale Würfel werden gleichzeitig geworfen. Die Zufallsgröße X beschreibt die Anzahl der gewürfelten 6er. Gib alle Werte an, die die Zufallsgröße X annehmen kann.

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Für die Zufallsgröße X: 'Anzahl der 6er' 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

Zufallsgröße WS-Verteilung

Beispiel:

In einer Urne sind zwei Kugeln, die mit der Zahl 3 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 = 9X = 18X = 36
zugehörige
Ereignisse
3 - 33 - 6
6 - 3
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 = 9X = 18X = 36
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 X91836
P(X=k) 1 4 1 2 1 4

Zufallsgröße (auch ohne zur.)

Beispiel:

In einer Urne sind zwei Kugeln, die mit der Zahl 5 beschriftet sind und vier Kugeln, die mit der Zahl 6 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 = 10X = 11X = 12
zugehörige
Ereignisse
5 - 55 - 6
6 - 5
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 = 10X = 11X = 12
zugehörige
Wahrscheinlichkeit P(X)
1 3 1 5 1 3 4 5
+ 2 3 2 5
2 3 3 5
  = 1 15 4 15 + 4 15 2 5



Hiermit ergibt sich die gesuchte Wahrscheinlichkeitsverteilung für die Zufallsgröße X:

Zufallsgröße X101112
P(X=k) 1 15 8 15 2 5

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

Beispiel:

In einer Urne sind 11 rote und 4 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 4 Kugeln vom Typ 'blau' vorhanden sind, muss spätestens im 5-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 5 annehmen.

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

Zufallsgröße X12345
P(X=k) 11 15 22 105 22 455 11 1365 1 1365

Zufallsgröße rückwärts

Beispiel:

In einer Urne sind 12 Kugeln, die mit verschiedenen Zahlen beschriftet sind. Dabei gibt es nur die Zahlen 2, 6 und 8 als Beschriftung. Es werden zwei Kugeln mit Zurücklegen gezogen. Die Zufallsgröße X beschreibt die Summe 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 X4810121416
P(X=k) 1 16 ???? 1 9

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Für X=4 gibt es nur das Ereignis: '2'-'2', also dass zwei mal hintereinander '2' kommt.

Wenn p1 die Wahrscheinlichkeit von '2' ist, dann muss also für die Wahrscheinlichkeit, dass zwei mal hintereinander '2' kommt, gelten: P(X=4) = p1 ⋅ p1 (siehe Baumdiagramm).

Aus der Tabelle können wir aber P(X=4) = 1 16 heraus lesen, also muss gelten:

p1 ⋅ p1 = (p1)2 = 1 16 und somit p1 = 1 4 .

Ebenso gibt es für X=16 nur das Ereignis: '8'-'8', also dass zwei mal hintereinander '8' kommt.

Wenn p3 die Wahrscheinlichkeit von '8' ist, dann muss also für die Wahrscheinlichkeit, dass zwei mal hintereinander '8' kommt, gelten: P(X=16) = p3 ⋅ p3 (siehe Baumdiagramm).

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Aus der Tabelle können wir aber P(X=16) = 1 9 heraus lesen, also muss gelten:

p3 ⋅ p3 = (p3)2 = 1 9 und somit p3 = 1 3 .

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

p2 = 1 - p1 - p3 = 1 - 1 4 - 1 3 = 12 12 - 3 12 - 4 12 = 5 12

Um nun noch die jeweilige Anzahl der Kugeln mit gleicher Zahl zu ermittlen, müssen wir einfach die Wahrscheinlichkeit mit 12 multiplizieren, weil ja für die Wahrscheinlichkeit für eine der n Kugeln mit einer bestimmten Zahl gilt: p = n 12

Somit erhalten wir:

n2 = 1 4 ⋅ 12 = 3

n6 = 5 12 ⋅ 12 = 5

n8 = 1 3 ⋅ 12 = 4

Erwartungswerte

Beispiel:

Bei einer Tombola steht auf jedem zehnten Los 300 Punkte, auf jedem fünften Los 50 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 50 8 1
Zufallsgröße xi 300 50 8 1
P(X=xi) 1 10 1 5 1 4 9 20
xi ⋅ P(X=xi) 30 10 2 9 20

Der Erwartungswert verechnet sich aus der Summe der einzelnen Produkte:

E(X)= 300⋅ 1 10 + 50⋅ 1 5 + 8⋅ 1 4 + 1⋅ 9 20

= 30+ 10+ 2+ 9 20
= 849 20

42.45

Einsatz für faires Spiel bestimmen

Beispiel:

Ein Spieler darf aus einer Urne mit 6 blauen, 5 roten, 4 grünen und 5 weißen Kugeln eine Kugel ziehen. Erwischt er eine blaue, so erhält er 10€. Bei rot erhält er 8€ und bei grün erhält er 15€. Welchen Betrag muss er bei weiß erhalten damit das Spiel fair ist, wenn der Einsatz 12€ 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 8 15 x
Zufallsgröße yi (Gewinn) -2 -4 3 x-12
P(X=xi) 6 20 5 20 4 20 5 20
xi ⋅ P(X=xi) 3 2 3 5 20 ⋅ x
yi ⋅ P(Y=yi) - 3 5 -1 3 5 5 20 ⋅(x-12)

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) = 12

6 20 · 10 + 5 20 · 8 + 4 20 · 15 + 5 20 x = 12

3 +2 +3 + 5 20 x = 12

3 +2 +3 + 1 4 x = 12
1 4 x +8 = 12 |⋅ 4
4( 1 4 x +8 ) = 48
x +32 = 48 | -32
x = 16

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

E(Y) = 0

6 20 · ( -2 ) + 5 20 · ( -4 ) + 4 20 · 3 + 5 20 ( x -12 ) = 0

- 3 5 -1 + 3 5 + 1 4 x -3 = 0

- 3 5 -1 + 3 5 + 1 4 x -3 = 0
1 4 x -4 = 0 |⋅ 4
4( 1 4 x -4 ) = 0
x -16 = 0 | +16
x = 16

In beiden Fällen ist also der gesuchte Betrag: 16

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 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) -8 4
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) -8 4
P(X) = P(Y) 1 8 1 4
Y ⋅ P(Y) -1 1

Die bisherigen Optionen vereinen eine Wahrscheinlichkeit von 1 8 + 1 4 = 3 8
Als Restwahrscheinlichkeit für die verbleibenden Beträge bleibt nun also 1- 3 8 = 5 8 .
Diese wird auf die beiden verbleibenden Optionen verteilt:

  Feld1 Feld2 Feld3 Feld4
X (z.B. Auszahlung) 2 14
Y Gewinn (Ausz. - Einsatz) -8 4
P(X) = P(Y) 1 8 5 16 5 16 1 4
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 4) setzt.

  Feld1 Feld2 Feld3 Feld4
X (z.B. Auszahlung) 2 6 14 14
Y Gewinn (Ausz. - Einsatz) -8 -4 4 4
P(X) = P(Y) 1 8 5 16 5 16 1 4
Winkel 45 112.5 112.5 90
Y ⋅ P(Y) -1 - 5 4 5 4 1

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

E(Y)= -8⋅ 1 8 + -4⋅ 5 16 + 4⋅ 5 16 + 4⋅ 1 4

= -1 - 5 4 + 5 4 + 1
= - 4 4 - 5 4 + 5 4 + 4 4
= 0 4
= 0

Erwartungswerte bei 'Ziehen bis erstmals ...'

Beispiel:

In einer Urne sind 6 rote und 2 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: 3 4

Die Wahrscheinlichkeit für ein 'rot' im 2-ten Versuch st: 3 14

Die Wahrscheinlichkeit für ein 'rot' im 3-ten Versuch st: 1 28

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

Erwartungswert der Zufallsgröße X

Ereignis 1 2 3
Zufallsgröße xi 1 2 3
P(X=xi) 3 4 3 14 1 28
xi ⋅ P(X=xi) 3 4 3 7 3 28

Der Erwartungswert verechnet sich aus der Summe der einzelnen Produkte:

E(X)= 1⋅ 3 4 + 2⋅ 3 14 + 3⋅ 1 28

= 3 4 + 3 7 + 3 28
= 21 28 + 12 28 + 3 28
= 36 28
= 9 7

1.29

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 36€, bei 2 blauen bekommt er noch 12€, bei einer 7€. Ist gar keine blaue Kugel dabei, erhält er 0€. Welchen Gewinn kann er erwarten?
(Denk daran, den Bruch vollständig zu kürzen!)

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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 7 12 36
P(X=xi) 1 220 27 220 27 55 21 55
xi ⋅ P(X=xi) 0 189 220 324 55 756 55

Der Erwartungswert verechnet sich aus der Summe der einzelnen Produkte:

E(X)= 0⋅ 1 220 + 7⋅ 27 220 + 12⋅ 27 55 + 36⋅ 21 55

= 0+ 189 220 + 324 55 + 756 55
= 0 220 + 189 220 + 1296 220 + 3024 220
= 4509 220

20.5

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 12€ ausbezahlt werden, bei einem Pasch (also zwei gleiche Augenzahlen) 9€ und bei 61-65 also (also ein Würfel 6 und der andere keine 6) noch 1€. 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 12 9 1
P(X=xi) 1 18 1 6 5 18
xi ⋅ P(X=xi) 2 3 3 2 5 18

Der Erwartungswert verechnet sich aus der Summe der einzelnen Produkte:

E(X)= 12⋅ 1 18 + 9⋅ 1 6 + 1⋅ 5 18

= 2 3 + 3 2 + 5 18
= 12 18 + 27 18 + 5 18
= 44 18
= 22 9

2.44