Aufgabenbeispiele von Wiederholung aus 9/10

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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 6€ betragen
  • Der minimale Auszahlungsbetrag soll 1€ sein
  • Der maximale Auszahlungsbetrag soll soll 24€ 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) 1 24
Y Gewinn (Ausz. - Einsatz) -5 18
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) 1 24
Y Gewinn (Ausz. - Einsatz) -5 18
P(X) = P(Y) 1 5 1 18
Y ⋅ P(Y) -1 1

Die bisherigen Optionen vereinen eine Wahrscheinlichkeit von 1 5 + 1 18 = 23 90
Als Restwahrscheinlichkeit für die verbleibenden Beträge bleibt nun also 1- 23 90 = 67 90 .
Diese wird auf die beiden verbleibenden Optionen verteilt:

  Feld1 Feld2 Feld3 Feld4
X (z.B. Auszahlung) 1 24
Y Gewinn (Ausz. - Einsatz) -5 18
P(X) = P(Y) 1 5 67 180 67 180 1 18
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 5 2 ) setzt.

  Feld1 Feld2 Feld3 Feld4
X (z.B. Auszahlung) 1 3.5 8.5 24
Y Gewinn (Ausz. - Einsatz) -5 -2.5 2.5 18
P(X) = P(Y) 1 5 67 180 67 180 1 18
Winkel 72° 134° 134° 20°
Y ⋅ P(Y) -1 - 67 72 67 72 1

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

E(Y)= -5⋅ 1 5 + -2.5⋅ 67 180 + 2.5⋅ 67 180 + 18⋅ 1 18

= -1 - 67 72 + 67 72 + 1
= - 72 72 - 67 72 + 67 72 + 72 72
= 0 72
= 0

Einsatz für faires Spiel bestimmen

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 9€. Bei rot erhält er 20€ und bei grün erhält er 30€. Welchen Betrag muss er bei weiß erhalten damit das Spiel fair ist, wenn der Einsatz 28€ 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 9 20 30 x
Zufallsgröße yi (Gewinn) -19 -8 2 x-28
P(X=xi) 10 30 6 30 7 30 7 30
xi ⋅ P(X=xi) 3 4 7 7 30 ⋅ x
yi ⋅ P(Y=yi) - 19 3 - 8 5 7 15 7 30 ⋅(x-28)

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) = 28

10 30 · 9 + 6 30 · 20 + 7 30 · 30 + 7 30 x = 28

3 +4 +7 + 7 30 x = 28

3 +4 +7 + 7 30 x = 28
7 30 x +14 = 28 |⋅ 30
30( 7 30 x +14 ) = 840
7x +420 = 840 | -420
7x = 420 |:7
x = 60

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

E(Y) = 0

10 30 · ( -19 ) + 6 30 · ( -8 ) + 7 30 · 2 + 7 30 ( x -28 ) = 0

- 19 3 - 8 5 + 7 15 + 7 30 · x + 7 30 · ( -28 ) = 0

- 19 3 - 8 5 + 7 15 + 7 30 · x + 7 30 · ( -28 ) = 0
- 19 3 - 8 5 + 7 15 + 7 30 x - 98 15 = 0
7 30 x -14 = 0 |⋅ 30
30( 7 30 x -14 ) = 0
7x -420 = 0 | +420
7x = 420 |:7
x = 60

In beiden Fällen ist also der gesuchte Betrag: 60