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Aufgabenbeispiele von komplexere Erwartungswerte

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Erwartungswerte bei Binomialverteilungen

Beispiel:

Auf einem Jahrmarkt hat man für 5€ 5 Versuche, einen Ball in einen Eimer zu werden. Dabei springt der Ball aber mit einer Wahrscheinlichkeit von 84% wieder raus. Bleibt er aber drin, bekommt man einen Euro. Als Riskovariante kann man das Spiel auch so spielen, dass man bei einem Treffer nichts bekommt, bei zwei jedoch gleich 4€, bei drei Treffern sogar 9€, bei 4 Treffern 16 € und bei 5 Treffern volle 25€. Berechne den Erwartungswert des Gewinns der Risikovariante um diesen mit dem des normalen Spiels zu vergleichen.
(Das Ergebnis bitte auf 2 Stellen runden!)

Lösung einblenden

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

Trefferzahl: 0-1

Die Zufallsvariable X gibt die Anzahl der Treffer an. X ist binomialverteilt mit n=5 und p=0.16.

P_{0.16}^{5} (X \leq 1)

=

P_{0.16}^{5} (X = 0)

+

P_{0.16}^{5} (X = 1)

= 0.8165090304 ≈ 0.8165
(TI-Befehl: binomcdf(5,0.16,1))

Trefferzahl: 2

Die Zufallsvariable X gibt die Anzahl der Treffer an. X ist binomialverteilt mit n=5 und p=0.16.

P_{0.16}^{5} (X = 2)

=

(\begin{matrix} 5 \\ 2 \end{matrix}) \cdot {0.16}^{2} \cdot {0.84}^{3}

=0.151732224≈ 0.1517
(TI-Befehl: binompdf(5,0.16,2))

Trefferzahl: 3

Die Zufallsvariable X gibt die Anzahl der Treffer an. X ist binomialverteilt mit n=5 und p=0.16.

P_{0.16}^{5} (X = 3)

=

(\begin{matrix} 5 \\ 3 \end{matrix}) \cdot {0.16}^{3} \cdot {0.84}^{2}

=0.028901376≈ 0.0289
(TI-Befehl: binompdf(5,0.16,3))

Trefferzahl: 4

Die Zufallsvariable X gibt die Anzahl der Treffer an. X ist binomialverteilt mit n=5 und p=0.16.

P_{0.16}^{5} (X = 4)

=

(\begin{matrix} 5 \\ 4 \end{matrix}) \cdot {0.16}^{4} \cdot {0.84}^{1}

=0.002752512≈ 0.0028
(TI-Befehl: binompdf(5,0.16,4))

Trefferzahl: 5

Die Zufallsvariable X gibt die Anzahl der Treffer an. X ist binomialverteilt mit n=5 und p=0.16.

P_{0.16}^{5} (X = 5)

=

(\begin{matrix} 5 \\ 5 \end{matrix}) \cdot {0.16}^{5} \cdot {0.84}^{0}

=0.0001048576≈ 0.0001
(TI-Befehl: binompdf(5,0.16,5))

Erwartungswerte der Zufallsgrößen X und Y

Ereignis	0-1	2	3	4	5
Zufallsgröße x_i	0	4	9	16	25
Zufallsgröße y_i (Gewinn)	-5	-1	4	11	20
P(X=x_i)	0.8165	0.1517	0.0289	0.0028	0.0001
x_i ⋅ P(X=x_i)	$0$	$0.6068$	$0.2601$	$0.0448$	$0.0025$
y_i ⋅ P(Y=y_i)	$- 4.0825$	$- 0.1517$	$0.1156$	$0.0308$	$0.002$

Der Erwartungswert verechnet sich aus der Summe der einzelnen Produkte:

E(X)= 0⋅0.8165 + 4⋅0.1517 + 9⋅0.0289 + 16⋅0.0028 + 25⋅0.0001

≈ 0.91

Das ist jetzt allerdings der Erwartungswert der Auszahlung, von dem man noch den Einsatz abziehen muss, so dass sich als Erwartungswert des Gewinns E(x)=0.91 - 5 = -4.09 ergibt.

Oder man rechnet gleich den Erwartungswert der einzelnen Gewinne (X₂) aus:

E(Y)= -5⋅0.8165 + -1⋅0.1517 + 4⋅0.0289 + 11⋅0.0028 + 20⋅0.0001

≈ -4.09

Erwartungswerte mit best. Optionen im WS-Baum

Beispiel:

In einem Stapel Karten mit 9 Asse, 7 Könige, 10 Damen und 4 Buben werden 2 Karten gezogen. Dabei zählen 2 Asse 1000, 2 Könige 450, 2 Damen 180 und 2 Buben 90 Punkte. Außerdem gibt es für ein Paar aus Dame und König 35 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

Ereignis	P
As -> As	$\frac{12}{145}$
As -> König	$\frac{21}{290}$
As -> Dame	$\frac{3}{29}$
As -> Bube	$\frac{6}{145}$
König -> As	$\frac{21}{290}$
König -> König	$\frac{7}{145}$
König -> Dame	$\frac{7}{87}$
König -> Bube	$\frac{14}{435}$
Dame -> As	$\frac{3}{29}$
Dame -> König	$\frac{7}{87}$
Dame -> Dame	$\frac{3}{29}$
Dame -> Bube	$\frac{4}{87}$
Bube -> As	$\frac{6}{145}$
Bube -> König	$\frac{14}{435}$
Bube -> Dame	$\frac{4}{87}$
Bube -> Bube	$\frac{2}{145}$

Die Wahrscheinlichkeit für '2 Asse' ist:

P('As'-'As')
= $\frac{12}{145}$

Die Wahrscheinlichkeit für '2 Könige' ist:

P('König'-'König')
= $\frac{7}{145}$

Die Wahrscheinlichkeit für '2 Damen' ist:

P('Dame'-'Dame')
= $\frac{3}{29}$

Die Wahrscheinlichkeit für '2 Buben' ist:

P('Bube'-'Bube')
= $\frac{2}{145}$

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

P('König'-'Dame') + P('Dame'-'König')
= $\frac{7}{87}$ + $\frac{7}{87}$ = $\frac{14}{87}$

Die Zufallsgröße X beschreibt die gewonnenen Punkte.

Erwartungswert der Zufallsgröße X

Ereignis	2 Asse	2 Könige	2 Damen	2 Buben	Paar (D&K)
Zufallsgröße x_i	1000	450	180	90	35
P(X=x_i)	$\frac{12}{145}$	$\frac{7}{145}$	$\frac{3}{29}$	$\frac{2}{145}$	$\frac{14}{87}$
x_i ⋅ P(X=x_i)	$\frac{2400}{29}$	$\frac{630}{29}$	$\frac{540}{29}$	$\frac{36}{29}$	$\frac{490}{87}$

Der Erwartungswert verechnet sich aus der Summe der einzelnen Produkte:

E(X)= 1000⋅ $\frac{12}{145}$ + 450⋅ $\frac{7}{145}$ + 180⋅ $\frac{3}{29}$ + 90⋅ $\frac{2}{145}$ + 35⋅ $\frac{14}{87}$

= $\frac{2400}{29}$ $+$ $\frac{630}{29}$ $+$ $\frac{540}{29}$ $+$ $\frac{36}{29}$ $+$ $\frac{490}{87}$
= $\frac{11308}{87}$

≈ 129.98