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Aufgabenbeispiele von komplexere Erwartungswerte

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Erwartungswerte bei Binomialverteilungen

Beispiel:

Ein Bürobelieferungs-Firma liefert Toner aus, bei denen dummerweise 30% defekt sind. Die defekten Toner dürfen die Empfänger in Retoure-Kartons zurückschicken, in die maximal 4 Stück reinpassen. Ein Retoure-Karton kostet die Firma 5€ Porto. Mit welchen Portogebühren muss die Firma bei einer Schule, die 20 Toner abgenommen hat, durchschnittlich rechnen?
(Das Ergebnis bitte auf 2 Stellen runden!)

Lösung einblenden

Zuerst müssen wir die Wahrscheinlichkeiten für die einzelnen 'Trefferzahlen' bestimmen:

Trefferzahl: 0

Die Zufallsvariable X gibt die Anzahl der Treffer an. X ist binomialverteilt mit n=20 und p=0.3.

P_{0.3}^{20} (X = 0)

(\begin{matrix} 20 \\ 0 \end{matrix}) \cdot {0.3}^{0} \cdot {0.7}^{20}

=0.00079792266297612≈ 0.0008
(TI-Befehl: binompdf(20,0.3,0))

Trefferzahl: 1-4

$P_{0.3}^{20} (1 \leq X \leq 4)$ = $P_{0.3}^{20} (X \leq 4)$ - $P_{0.3}^{20} (X \leq 0)$ = 0.2367

(TI-Befehl: binomcdf(20,0.3,4) - binomcdf(20,0.3,0))

Trefferzahl: 5-8

$P_{0.3}^{20} (5 \leq X \leq 8)$ = $P_{0.3}^{20} (X \leq 8)$ - $P_{0.3}^{20} (X \leq 4)$ = 0.6492

(TI-Befehl: binomcdf(20,0.3,8) - binomcdf(20,0.3,4))

Trefferzahl: 9-12

$P_{0.3}^{20} (9 \leq X \leq 12)$ = $P_{0.3}^{20} (X \leq 12)$ - $P_{0.3}^{20} (X \leq 8)$ = 0.112

(TI-Befehl: binomcdf(20,0.3,12) - binomcdf(20,0.3,8))

Trefferzahl: 13-16

$P_{0.3}^{20} (13 \leq X \leq 16)$ = $P_{0.3}^{20} (X \leq 16)$ - $P_{0.3}^{20} (X \leq 12)$ = 0.0013

(TI-Befehl: binomcdf(20,0.3,16) - binomcdf(20,0.3,12))

Trefferzahl: 17-20

$P_{0.3}^{20} (X \geq 17)$ = $P_{0.3}^{20} (X \leq 20)$ - $P_{0.3}^{20} (X \leq 16)$ = 0

(TI-Befehl: binomcdf(20,0.3,20) - binomcdf(20,0.3,16))

Erwartungswert der Zufallsgröße X

Ereignis	0	1-4	5-8	9-12	13-16	17-20
Zufallsgröße x_i	0	5	10	15	20	25
P(X=x_i)	0.0008	0.2367	0.6492	0.112	0.0013	0
x_i ⋅ P(X=x_i)	$0$	$1.1835$	$6.492$	$1.68$	$0.025999999999999$	$0$

Der Erwartungswert verechnet sich aus der Summe der einzelnen Produkte:

E(X)= 0⋅0.0008 + 5⋅0.2367 + 10⋅0.6492 + 15⋅0.112 + 20⋅0.0013 + 25⋅0

≈ 9.38

Erwartungswerte mit gesuchten Anzahlen im WS-Baum

Beispiel:

Ein Spieler darf aus einer Urne mit 10 blauen und 5 roten Kugeln 3 Kugeln ohne zurücklegen ziehen. Zieht er dabei 3 blaue Kugeln, so erhält er 85€, bei 2 blauen bekommt er noch 13€, bei einer 5€. 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

Ereignis	P
blau -> blau -> blau	$\frac{24}{91}$
blau -> blau -> rot	$\frac{15}{91}$
blau -> rot -> blau	$\frac{15}{91}$
blau -> rot -> rot	$\frac{20}{273}$
rot -> blau -> blau	$\frac{15}{91}$
rot -> blau -> rot	$\frac{20}{273}$
rot -> rot -> blau	$\frac{20}{273}$
rot -> rot -> rot	$\frac{2}{91}$

Die Wahrscheinlichkeit für 0 mal 'blau' ist: $\frac{2}{91}$

Die Wahrscheinlichkeit für 1 mal 'blau' ist: $\frac{20}{273}$ + $\frac{20}{273}$ + $\frac{20}{273}$ = $\frac{20}{91}$

Die Wahrscheinlichkeit für 2 mal 'blau' ist: $\frac{15}{91}$ + $\frac{15}{91}$ + $\frac{15}{91}$ = $\frac{45}{91}$

Die Wahrscheinlichkeit für 3 mal 'blau' ist: $\frac{24}{91}$

Die Zufallsgröße X beschreibt den ausbezahlten Euro-Betrag.

Erwartungswert der Zufallsgröße X

Ereignis	0	1	2	3
Zufallsgröße x_i	0	5	13	85
P(X=x_i)	$\frac{2}{91}$	$\frac{20}{91}$	$\frac{45}{91}$	$\frac{24}{91}$
x_i ⋅ P(X=x_i)	$0$	$\frac{100}{91}$	$\frac{45}{7}$	$\frac{2040}{91}$

Der Erwartungswert verechnet sich aus der Summe der einzelnen Produkte:

E(X)= 0⋅ $\frac{2}{91}$ + 5⋅ $\frac{20}{91}$ + 13⋅ $\frac{45}{91}$ + 85⋅ $\frac{24}{91}$

= $0$ $+$ $\frac{100}{91}$ $+$ $\frac{45}{7}$ $+$ $\frac{2040}{91}$
= $\frac{0}{91}$ $+$ $\frac{100}{91}$ $+$ $\frac{585}{91}$ $+$ $\frac{2040}{91}$
= $\frac{2725}{91}$

≈ 29.95