Aufgabenbeispiele von Erwartungswert

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Zufallsgröße (ohne Wahrscheinlichkeit)

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 Differenz der größeren Zahl minus der kleineren Zahl der beiden Glücksräder. Gib alle Werte an, die die Zufallsgröße X annehmen kann.

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

Zufallsgröße X012
zugehörige
Ereignisse
1 - 1
2 - 2
3 - 3
1 - 2
2 - 1
2 - 3
3 - 2
1 - 3
3 - 1

Zufallsgröße WS-Verteilung

Beispiel:

In einer Urne sind vier 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
Ergebnisse
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)
2 3 2 3 2 3 1 3
+ 1 3 2 3
1 3 1 3
  = 4 9 2 9 + 2 9 1 9



Hiermit ergibt sich die gesuchte Wahrscheinlichkeitsverteilung für die Zufallsgröße X:

Zufallsgröße X91836
P(X=k) 4 9 4 9 1 9

Zufallsgröße (auch ohne zur.)

Beispiel:

In einer Urne sind sechs Kugeln, die mit der Zahl 1 beschriftet, sechs Kugeln, die mit der Zahl 4 sind, und zwei Kugeln, die mit der Zahl 7 beschriftet sind. Es werden zwei Kugeln ohne Zurücklegen gezogen. Die Zufallsgröße X beschreibt die Differenz zwischen der größeren und der kleineren Zahl der beiden gezogenen Kugeln. Stelle eine Wahrscheinlichkeitsverteilung für die Zufallsgröße X auf.

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Für die Zufallsgröße X: 'Differenz der beiden Kugeln' sind folgende Werte möglich:

Zufallsgröße XX = 0X = 3X = 6
zugehörige
Ergebnisse
1 - 1
4 - 4
7 - 7
1 - 4
4 - 1
4 - 7
7 - 4
1 - 7
7 - 1
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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 = 0X = 3X = 6
zugehörige
Wahrscheinlichkeit P(X)
3 7 5 13
+ 3 7 5 13
+ 1 7 1 13
3 7 6 13
+ 3 7 6 13
+ 3 7 2 13
+ 1 7 6 13
3 7 2 13
+ 1 7 6 13
  = 15 91 + 15 91 + 1 91 18 91 + 18 91 + 6 91 + 6 91 6 91 + 6 91



Hiermit ergibt sich die gesuchte Wahrscheinlichkeitsverteilung für die Zufallsgröße X:

Zufallsgröße X036
P(X=k) 31 91 48 91 12 91

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

Beispiel:

In einer Urne sind 12 rote und 2 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 2 Kugeln vom Typ 'blau' vorhanden sind, muss spätestens im 3-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 3 annehmen.

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

Zufallsgröße X123
P(X=k) 6 7 12 91 1 91

Zufallsgröße rückwärts

Beispiel:

In einer Urne sind 20 Kugeln, die mit verschiedenen Zahlen beschriftet sind. Dabei gibt es nur die Zahlen 2, 4 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 X468101216
P(X=k) 1 4 ???? 9 400

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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 4 heraus lesen, also muss gelten:

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

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) = 9 400 heraus lesen, also muss gelten:

p3 ⋅ p3 = (p3)2 = 9 400 und somit p3 = 3 20 .

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

p2 = 1 - p1 - p3 = 1 - 1 2 - 3 20 = 20 20 - 10 20 - 3 20 = 7 20

Um nun noch die jeweilige Anzahl der Kugeln mit gleicher Zahl zu ermittlen, müssen wir einfach die Wahrscheinlichkeit mit 20 multiplizieren, weil ja für die Wahrscheinlichkeit für eine der n Kugeln mit einer bestimmten Zahl gilt: p = n 20

Somit erhalten wir:

n2 = 1 2 ⋅ 20 = 10

n4 = 7 20 ⋅ 20 = 7

n8 = 3 20 ⋅ 20 = 3

Erwartungswerte

Beispiel:

Ein Spieler darf aus einer Urne mit 10 blauen, 6 roten, 7 grünen und 7 weißen Kugeln eine Kugel ziehen. Erwischt er eine blaue, so erhält er 18€. Bei rot erhält er 10€, bei grün erhält er 30€ und bei weiß erhält er 60€. Wieviel bringt ein Zug durchschnittlich ein?

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Die Zufallsgröße X beschreibt den ausbezahlten €-Euro-Betrag.

Erwartungswert der Zufallsgröße X

Ereignis blau rot grün weiß
Zufallsgröße xi 18 10 30 60
P(X=xi) 10 30 6 30 7 30 7 30
xi ⋅ P(X=xi) 6 2 7 14

Der Erwartungswert verechnet sich aus der Summe der einzelnen Produkte:

E(X)= 18⋅ 10 30 + 10⋅ 6 30 + 30⋅ 7 30 + 60⋅ 7 30

= 6+ 2+ 7+ 14
= 29

Einsatz für faires Spiel bestimmen

Beispiel:

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(Alle Sektoren sind Vielfache
von Achtels-Kreisen)

Bei einem Glücksrad wie rechts abgebildet soll das noch fehlende Feld mit einem Betrag so bestückt werden, dass das Spiel bei einem Einsatz von 10,5€ fair ist.

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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 2 8 20 ?
Zufallsgröße xi 2 8 20 x
Zufallsgröße yi (Gewinn) -8.5 -2.5 9.5 x-10.5
P(X=xi) 4 8 2 8 1 8 1 8
xi ⋅ P(X=xi) 1 2 5 2 1 8 ⋅ x
yi ⋅ P(Y=yi) - 17 4 - 5 8 9.5 8 1 8 ⋅(x-10.5)

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) = 10.5

4 8 · 2 + 2 8 · 8 + 1 8 · 20 + 1 8 x = 10.5

1 +2 + 5 2 + 1 8 x = 10.5

1 +2 + 5 2 + 1 8 x = 10,5
1 8 x + 11 2 = 10,5 |⋅ 8
8( 1 8 x + 11 2 ) = 84
x +44 = 84 | -44
x = 40

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

E(Y) = 0

4 8 · ( -8,5 ) + 2 8 · ( -2,5 ) + 1 8 · 9,5 + 1 8 ( x -10,5 ) = 0

- 8,5 2 - 2,5 4 + 9,5 8 + 1 8 · x + 1 8 · ( -10,5 ) = 0

- 8,5 2 - 2,5 4 + 9,5 8 + 1 8 · x + 1 8 · ( -10,5 ) = 0
-4,25 -0,625 +1,1875 + 1 8 x -1,3125 = 0
1 8 x -5 = 0 |⋅ 8
8( 1 8 x -5 ) = 0
x -40 = 0 | +40
x = 40

In beiden Fällen ist also der gesuchte Betrag: 40

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 4€ betragen
  • Der minimale Auszahlungsbetrag soll 3€ sein
  • Der maximale Auszahlungsbetrag soll soll 11€ 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) 3 11
Y Gewinn (Ausz. - Einsatz) -1 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) 3 11
Y Gewinn (Ausz. - Einsatz) -1 7
P(X) = P(Y) 1 2 1 14
Y ⋅ P(Y) - 1 2 1 2

Die bisherigen Optionen vereinen eine Wahrscheinlichkeit von 1 2 + 1 14 = 4 7
Als Restwahrscheinlichkeit für die verbleibenden Beträge bleibt nun also 1- 4 7 = 3 7 .
Diese wird auf die beiden verbleibenden Optionen verteilt:

  Feld1 Feld2 Feld3 Feld4
X (z.B. Auszahlung) 3 11
Y Gewinn (Ausz. - Einsatz) -1 7
P(X) = P(Y) 1 2 3 14 3 14 1 14
Y ⋅ P(Y) - 1 2 1 2

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 2 ) setzt.

  Feld1 Feld2 Feld3 Feld4
X (z.B. Auszahlung) 3 3.5 4.5 11
Y Gewinn (Ausz. - Einsatz) -1 -0.5 0.5 7
P(X) = P(Y) 1 2 3 14 3 14 1 14
Winkel 180° 77.14° 77.14° 25.71°
Y ⋅ P(Y) - 1 2 - 3 28 3 28 1 2

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

E(Y)= -1⋅ 1 2 + -0.5⋅ 3 14 + 0.5⋅ 3 14 + 7⋅ 1 14

= - 1 2 - 3 28 + 3 28 + 1 2
= - 14 28 - 3 28 + 3 28 + 14 28
= 0 28
= 0

Erwartungswerte bei 'Ziehen bis erstmals ...'

Beispiel:

Aus einem Kartenstapel mit 10 Karten der Farbe Herz und 3 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: 10 13

Die Wahrscheinlichkeit für ein 'Herz' im 2-ten Versuch st: 5 26

Die Wahrscheinlichkeit für ein 'Herz' im 3-ten Versuch st: 5 143

Die Wahrscheinlichkeit für ein 'Herz' im 4-ten Versuch st: 1 286

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

Erwartungswert der Zufallsgröße X

Ereignis 1 2 3 4
Zufallsgröße xi 1 2 3 4
P(X=xi) 10 13 5 26 5 143 1 286
xi ⋅ P(X=xi) 10 13 5 13 15 143 2 143

Der Erwartungswert verechnet sich aus der Summe der einzelnen Produkte:

E(X)= 1⋅ 10 13 + 2⋅ 5 26 + 3⋅ 5 143 + 4⋅ 1 286

= 10 13 + 5 13 + 15 143 + 2 143
= 182 143
= 14 11

1.27

Erwartungswerte mit gesuchten Anzahlen im WS-Baum

Beispiel:

Auf einen Schüleraustausch bewerben sich 15 Mädchen und 7 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 13 44
Mädchen -> Mädchen -> Jungs 7 44
Mädchen -> Jungs -> Mädchen 7 44
Mädchen -> Jungs -> Jungs 3 44
Jungs -> Mädchen -> Mädchen 7 44
Jungs -> Mädchen -> Jungs 3 44
Jungs -> Jungs -> Mädchen 3 44
Jungs -> Jungs -> Jungs 1 44

Die Wahrscheinlichkeit für 0 mal 'Mädchen' ist: 1 44

Die Wahrscheinlichkeit für 1 mal 'Mädchen' ist: 3 44 + 3 44 + 3 44 = 9 44

Die Wahrscheinlichkeit für 2 mal 'Mädchen' ist: 7 44 + 7 44 + 7 44 = 21 44

Die Wahrscheinlichkeit für 3 mal 'Mädchen' ist: 13 44

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) 1 44 9 44 21 44 13 44
xi ⋅ P(X=xi) 0 9 44 21 22 39 44

Der Erwartungswert verechnet sich aus der Summe der einzelnen Produkte:

E(X)= 0⋅ 1 44 + 1⋅ 9 44 + 2⋅ 21 44 + 3⋅ 13 44

= 0+ 9 44 + 21 22 + 39 44
= 0 44 + 9 44 + 42 44 + 39 44
= 90 44
= 45 22

2.05

Erwartungswerte mit best. Optionen im WS-Baum

Beispiel:

In einem Stapel Karten mit 9 Asse, 5 Könige, 6 Damen und 4 Buben werden 2 Karten gezogen. Dabei zählen 2 Asse 1000, 2 Könige 300, 2 Damen 220 und 2 Buben 90 Punkte. Außerdem gibt es für ein Paar aus Dame und König 20 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 3 23
As -> König 15 184
As -> Dame 9 92
As -> Bube 3 46
König -> As 15 184
König -> König 5 138
König -> Dame 5 92
König -> Bube 5 138
Dame -> As 9 92
Dame -> König 5 92
Dame -> Dame 5 92
Dame -> Bube 1 23
Bube -> As 3 46
Bube -> König 5 138
Bube -> Dame 1 23
Bube -> Bube 1 46

Die Wahrscheinlichkeit für '2 Asse' ist:

P('As'-'As')
= 3 23

Die Wahrscheinlichkeit für '2 Könige' ist:

P('König'-'König')
= 5 138

Die Wahrscheinlichkeit für '2 Damen' ist:

P('Dame'-'Dame')
= 5 92

Die Wahrscheinlichkeit für '2 Buben' ist:

P('Bube'-'Bube')
= 1 46

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

P('König'-'Dame') + P('Dame'-'König')
= 5 92 + 5 92 = 5 46

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 1000 300 220 90 20
P(X=xi) 3 23 5 138 5 92 1 46 5 46
xi ⋅ P(X=xi) 3000 23 250 23 275 23 45 23 50 23

Der Erwartungswert verechnet sich aus der Summe der einzelnen Produkte:

E(X)= 1000⋅ 3 23 + 300⋅ 5 138 + 220⋅ 5 92 + 90⋅ 1 46 + 20⋅ 5 46

= 3000 23 + 250 23 + 275 23 + 45 23 + 50 23
= 3620 23

157.39