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Aufgabenbeispiele von komplexere Erwartungswerte

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Erwartungswerte bei Binomialverteilungen

Beispiel:

Auf einem Jahrmarkt wird Torwandschießen angeboten. Dabei darf man für 12€ Einsatz 6 Schüsse abgeben. Trifft man alle 6, so erhält man 5000€. Bei 5 Treffern bekommt man 400€, und bei 4 Treffern 10€. Trifft man weniger als 4 mal, so erhält man nichts. Mit welchem durchschnittlichen Gewinn pro Spiel kann ein Spieler rechnen, wenn man von einer Trefferwahrscheinlichkeit von p=0,23 ausgehen kann?
(Das Ergebnis bitte auf 2 Stellen runden!)

Lösung einblenden

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

Trefferzahl: 0-3

Die Zufallsgröße X gibt die Anzahl der Treffer an. X ist binomialverteilt mit n=6 und p=0.23.

P_{0.23}^{6} (X \leq 3)

P_{0.23}^{6} (X = 0)

P_{0.23}^{6} (X = 1)

P_{0.23}^{6} (X = 2)

P_{0.23}^{6} (X = 3)

= 0.97199071431 ≈ 0.972
(TI-Befehl: binomcdf(6,0.23,3))

Trefferzahl: 4

Die Zufallsgröße X gibt die Anzahl der Treffer an. X ist binomialverteilt mit n=6 und p=0.23.

P_{0.23}^{6} (X = 4)

(\begin{matrix} 6 \\ 4 \end{matrix}) \cdot {0.23}^{4} \cdot {0.77}^{2}

=0.024887659335≈ 0.0249
(TI-Befehl: binompdf(6,0.23,4))

Trefferzahl: 5

Die Zufallsgröße X gibt die Anzahl der Treffer an. X ist binomialverteilt mit n=6 und p=0.23.

P_{0.23}^{6} (X = 5)

(\begin{matrix} 6 \\ 5 \end{matrix}) \cdot {0.23}^{5} \cdot {0.77}^{1}

=0.002973590466≈ 0.003
(TI-Befehl: binompdf(6,0.23,5))

Trefferzahl: 6

Die Zufallsgröße X gibt die Anzahl der Treffer an. X ist binomialverteilt mit n=6 und p=0.23.

P_{0.23}^{6} (X = 6)

(\begin{matrix} 6 \\ 6 \end{matrix}) \cdot {0.23}^{6} \cdot {0.77}^{0}

=0.000148035889≈ 0.0001
(TI-Befehl: binompdf(6,0.23,6))

Erwartungswerte der Zufallsgrößen X und Y

Ereignis	0-3	4	5	6
Zufallsgröße x_i	0	10	400	5000
Zufallsgröße y_i (Gewinn)	-12	-2	388	4988
P(X=x_i)	0.972	0.0249	0.003	0.0001
x_i ⋅ P(X=x_i)	$0$	$0,249$	$1,2$	$0,5$
y_i ⋅ P(Y=y_i)	$- 11,664$	$- 0,0498$	$1,164$	$0,4988$

Der Erwartungswert verechnet sich aus der Summe der einzelnen Produkte:

E(X)= 0⋅0.972 + 10⋅0.0249 + 400⋅0.003 + 5000⋅0.0001

≈ 1.95

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)=1.95 - 12 = -10.05 ergibt.

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

E(Y)= -12⋅0.972 + -2⋅0.0249 + 388⋅0.003 + 4988⋅0.0001

≈ -10.05

Erwartungswerte mit gesuchten Anzahlen im WS-Baum

Beispiel:

In einem Kartenstapel befinden sich 4 Asse und 14 weitere Karten. Nachdem diese gut gemischt wurden, darf ein Spieler 3 Karten ziehen. Für jedes As, das unter den drei Karten ist, erhält er dabei 10€. Mit welchem Gewinn kann er rechnen?
(Denk daran, den Bruch vollständig zu kürzen!)

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Wahrscheinlichkeiten für die verschiedenen Ausgänge

Ereignis	P
As -> As -> As	$\frac{1}{204}$
As -> As -> andereKarte	$\frac{7}{204}$
As -> andereKarte -> As	$\frac{7}{204}$
As -> andereKarte -> andereKarte	$\frac{91}{612}$
andereKarte -> As -> As	$\frac{7}{204}$
andereKarte -> As -> andereKarte	$\frac{91}{612}$
andereKarte -> andereKarte -> As	$\frac{91}{612}$
andereKarte -> andereKarte -> andereKarte	$\frac{91}{204}$

Die Wahrscheinlichkeit für 0 mal 'As' ist: $\frac{91}{204}$

Die Wahrscheinlichkeit für 1 mal 'As' ist: $\frac{91}{612}$ + $\frac{91}{612}$ + $\frac{91}{612}$ = $\frac{91}{204}$

Die Wahrscheinlichkeit für 2 mal 'As' ist: $\frac{7}{204}$ + $\frac{7}{204}$ + $\frac{7}{204}$ = $\frac{7}{68}$

Die Wahrscheinlichkeit für 3 mal 'As' ist: $\frac{1}{204}$

Die Zufallsgröße X beschreibt den Gewinn für die 3 gezogenen Karten.

Erwartungswert der Zufallsgröße X

Ereignis	0	1	2	3
Zufallsgröße x_i	0	10	20	30
P(X=x_i)	$\frac{91}{204}$	$\frac{91}{204}$	$\frac{7}{68}$	$\frac{1}{204}$
x_i ⋅ P(X=x_i)	$0$	$\frac{455}{102}$	$\frac{35}{17}$	$\frac{5}{34}$

Der Erwartungswert verechnet sich aus der Summe der einzelnen Produkte:

E(X)= 0⋅ $\frac{91}{204}$ + 10⋅ $\frac{91}{204}$ + 20⋅ $\frac{7}{68}$ + 30⋅ $\frac{1}{204}$

= $0$ $+$ $\frac{455}{102}$ $+$ $\frac{35}{17}$ $+$ $\frac{5}{34}$
= $\frac{0}{102}$ $+$ $\frac{455}{102}$ $+$ $\frac{210}{102}$ $+$ $\frac{15}{102}$
= $\frac{680}{102}$
= $\frac{20}{3}$

≈ 6.67