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Zufallsgröße (ohne Wahrscheinlichkeit)

Beispiel:

In einer Urne sind zwei Kugeln, die mit der Zahl 1 beschriftet sind, fünf Kugeln, die mit der Zahl 6 beschriftet sind und zwei Kugeln, die mit der Zahl 7 beschriftet sind. Es werden zwei Kugeln mit Zurücklegen gezogen.Die Zufallsgröße X beschreibt die Differenz zwischen der größeren Zahl und der kleineren Zahl der beiden gezogenen Kugeln. Gib alle Werte an, die die Zufallsgröße X annehmen kann.

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

Zufallsgröße X0156
zugehörige
Ereignisse
1 - 1
6 - 6
7 - 7
6 - 7
7 - 6
1 - 6
6 - 1
1 - 7
7 - 1

Zufallsgröße WS-Verteilung

Beispiel:

In einer Urne sind drei Kugeln, die mit der Zahl 3 beschriftet sind, fünf Kugeln, die mit der Zahl 6 beschriftet sind und vier Kugeln, die mit der Zahl 7 beschriftet sind. Es werden zwei Kugeln mit Zurücklegen gezogen.Die Zufallsgröße X beschreibt die Differenz zwischen der größeren Zahl und der kleineren Zahl (bzw. der beiden gleichgroßen Zahlen) 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 = 1X = 3X = 4
zugehörige
Ergebnisse
3 → 3
6 → 6
7 → 7
6 → 7
7 → 6
3 → 6
6 → 3
3 → 7
7 → 3
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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 = 1X = 3X = 4
zugehörige
Wahrscheinlichkeit P(X)
1 4 1 4
+ 5 12 5 12
+ 1 3 1 3
5 12 1 3
+ 1 3 5 12
1 4 5 12
+ 5 12 1 4
1 4 1 3
+ 1 3 1 4
  = 1 16 + 25 144 + 1 9 5 36 + 5 36 5 48 + 5 48 1 12 + 1 12



Hiermit ergibt sich die gesuchte Wahrscheinlichkeitsverteilung für die Zufallsgröße X:

Zufallsgröße X0134
P(X=k) 25 72 5 18 5 24 1 6

Zufallsgr. WS-Vert. (auch ohne zur.)

Beispiel:

In einem Kartenstapel sind nur noch vier Karten mit dem Wert 2, vier Karten mit dem Wert 7 und zwei 8er.Es werden zwei Karten ohne Zurücklegen gezogen. Die Zufallsgröße X beschreibt die Differenz zwischen dem größeren und dem kleineren Wert der beiden gezogenen Karten. Stelle eine Wahrscheinlichkeitsverteilung für die Zufallsgröße X auf.

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

Zufallsgröße XX = 0X = 1X = 5X = 6
zugehörige
Ergebnisse
2 → 2
7 → 7
8 → 8
7 → 8
8 → 7
2 → 7
7 → 2
2 → 8
8 → 2
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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 = 1X = 5X = 6
zugehörige
Wahrscheinlichkeit P(X)
2 5 3 9
+ 2 5 3 9
+ 1 5 1 9
2 5 2 9
+ 1 5 4 9
2 5 4 9
+ 2 5 4 9
2 5 2 9
+ 1 5 4 9
  = 2 15 + 2 15 + 1 45 4 45 + 4 45 8 45 + 8 45 4 45 + 4 45



Hiermit ergibt sich die gesuchte Wahrscheinlichkeitsverteilung für die Zufallsgröße X:

Zufallsgröße X0156
P(X=k) 13 45 8 45 16 45 8 45

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

Beispiel:

In einer Urne sind 2 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) 1 2 1 3 1 6

Zufallsgröße rückwärts

Beispiel:

Ein Glücksrad hat drei Sektoren, die mit den Zahlen 1, 2 und 3 beschriftet sind. Es wird zwei mal gedreht. Die Zufallsgröße X beschreibt dabei die Summe der Zahlen die bei den beiden Glücksraddrehungen erscheinen. Bei der Wahrscheinlichkeitsverteilung von X sind nur der erste und der letzte Wert bekannt (siehe Tabelle). Wie groß müssen jeweils die Winkel der Sektoren sein?

Zufallsgröße X23456
P(X=k) 49 324 ??? 1 4

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(Alle Sektoren sind Vielfache
von Achtels-Kreisen)

Für X=2 gibt es nur das Ereignis: '1'-'1', also dass zwei mal hintereinander '1' kommt.

Wenn p1 die Wahrscheinlichkeit von '1' ist, dann muss also für die Wahrscheinlichkeit, dass zwei mal hintereinander '1' kommt, gelten: P(X=2) = p1 ⋅ p1 (siehe Baumdiagramm).

Aus der Tabelle können wir aber P(X=2) = 49 324 heraus lesen, also muss gelten:

p1 ⋅ p1 = (p1)2 = 49 324 und somit p1 = 7 18 .

Ebenso gibt es für X=6 nur das Ereignis: '3'-'3', also dass zwei mal hintereinander '3' kommt.

Wenn p3 die Wahrscheinlichkeit von '3' ist, dann muss also für die Wahrscheinlichkeit, dass zwei mal hintereinander '3' kommt, gelten: P(X=6) = p3 ⋅ p3 (siehe Baumdiagramm).

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Aus der Tabelle können wir aber P(X=6) = 1 4 heraus lesen, also muss gelten:

p3 ⋅ p3 = (p3)2 = 1 4 und somit p3 = 1 2 .

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

p2 = 1 - p1 - p3 = 1 - 7 18 - 1 2 = 18 18 - 7 18 - 9 18 = 2 18 = 1 9

Um nun noch die Mittelpunktswinkel der drei Sektoren zu ermittlen, müssen wir einfach die Wahrscheinlichkeit mit 360° multiplizieren, weil ja für die Wahrscheinlichkeit eines Sektors mit Mittelpunktswinkel α gilt: p = α 360°

Somit erhalten wir:

α1 = 7 18 ⋅ 360° = 140°

α2 = 1 9 ⋅ 360° = 40°

α3 = 1 2 ⋅ 360° = 180°

Erwartungswerte

Beispiel:

Ein Spieler darf einmal Würfeln. Bei einer 6 bekommt er 48€, bei einer 5 bekommt er 24€, bei einer 4 bekommt er 12€. Würfelt er eine 1, 2 oder 3 so bekommt er 6€. Wie hoch müsste der Einsatz sein, damit das Spiel fair ist?

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Die Zufallsgröße X beschreibt den Auszahlungsbetrag.

Erwartungswert der Zufallsgröße X

Ereignis 1-3 4 5 6
Zufallsgröße xi 6 12 24 48
P(X=xi) 1 2 1 6 1 6 1 6
xi ⋅ P(X=xi) 3 2 4 8

Der Erwartungswert verechnet sich aus der Summe der einzelnen Produkte:

E(X)= 6⋅ 1 2 + 12⋅ 1 6 + 24⋅ 1 6 + 48⋅ 1 6

= 3+ 2+ 4+ 8
= 17

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 16,75€ 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) -14.75 -8.75 3.25 x-16.75
P(X=xi) 3 8 2 8 2 8 1 8
xi ⋅ P(X=xi) 3 4 2 5 1 8 ⋅ x
yi ⋅ P(Y=yi) - 44.25 8 - 17.5 8 6.5 8 1 8 ⋅(x-16.75)

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) = 16.75

3 8 · 2 + 2 8 · 8 + 2 8 · 20 + 1 8 x = 16.75

3 4 +2 +5 + 1 8 x = 16.75

3 4 +2 +5 + 1 8 x = 16,75
1 8 x + 31 4 = 16,75 |⋅ 8
8( 1 8 x + 31 4 ) = 134
x +62 = 134 | -62
x = 72

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

E(Y) = 0

3 8 · ( -14,75 ) + 2 8 · ( -8,75 ) + 2 8 · 3,25 + 1 8 ( x -16,75 ) = 0

- 44,25 8 - 8,75 4 + 3,25 4 + 1 8 · x + 1 8 · ( -16,75 ) = 0

- 44,25 8 - 8,75 4 + 3,25 4 + 1 8 · x + 1 8 · ( -16,75 ) = 0
-5,53125 -2,1875 +0,8125 + 1 8 x -2,09375 = 0
1 8 x -9 = 0 |⋅ 8
8( 1 8 x -9 ) = 0
x -72 = 0 | +72
x = 72

In beiden Fällen ist also der gesuchte Betrag: 72

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 5€ betragen• Der minimale Auszahlungsbetrag soll 3€ sein• Der maximale Auszahlungsbetrag soll soll 9€ sein• Es sollen genau 4 Sektoren mit verschiedenen Auszahlungsbeträgen auf dem Glücksrad seinFinde 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 9
Y Gewinn (Ausz. - Einsatz) -2 4
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 9
Y Gewinn (Ausz. - Einsatz) -2 4
P(X) = P(Y) 1 2 1 4
Y ⋅ P(Y) -1 1

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

  Feld1 Feld2 Feld3 Feld4
X (z.B. Auszahlung) 3 9
Y Gewinn (Ausz. - Einsatz) -2 4
P(X) = P(Y) 1 2 1 8 1 8 1 4
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 1) setzt.

  Feld1 Feld2 Feld3 Feld4
X (z.B. Auszahlung) 3 4 6 9
Y Gewinn (Ausz. - Einsatz) -2 -1 1 4
P(X) = P(Y) 1 2 1 8 1 8 1 4
Winkel 180° 45° 45° 90°
Y ⋅ P(Y) -1 - 1 8 1 8 1

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

E(Y)= -2⋅ 1 2 + -1⋅ 1 8 + 1⋅ 1 8 + 4⋅ 1 4

= -1 - 1 8 + 1 8 + 1
= - 8 8 - 1 8 + 1 8 + 8 8
= 0 8
= 0

Erwartungswerte bei 'Ziehen bis erstmals ...'

Beispiel:

Aus einem Kartenstapel mit 10 Karten der Farbe Herz und 2 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: 5 6

Die Wahrscheinlichkeit für ein 'Herz' im 2-ten Versuch st: 5 33

Die Wahrscheinlichkeit für ein 'Herz' im 3-ten Versuch st: 1 66

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

Erwartungswert der Zufallsgröße X

Ereignis 1 2 3
Zufallsgröße xi 1 2 3
P(X=xi) 5 6 5 33 1 66
xi ⋅ P(X=xi) 5 6 10 33 1 22

Der Erwartungswert verechnet sich aus der Summe der einzelnen Produkte:

E(X)= 1⋅ 5 6 + 2⋅ 5 33 + 3⋅ 1 66

= 5 6 + 10 33 + 1 22
= 55 66 + 20 66 + 3 66
= 78 66
= 13 11

1.18

Erwartungswerte mit gesuchten Anzahlen im WS-Baum

Beispiel:

In einem Kartenstapel befinden sich 4 Asse und 4 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

EreignisP
As -> As -> As 1 14
As -> As -> andereKarte 1 7
As -> andereKarte -> As 1 7
As -> andereKarte -> andereKarte 1 7
andereKarte -> As -> As 1 7
andereKarte -> As -> andereKarte 1 7
andereKarte -> andereKarte -> As 1 7
andereKarte -> andereKarte -> andereKarte 1 14

Die Wahrscheinlichkeit für 0 mal 'As' ist: 1 14

Die Wahrscheinlichkeit für 1 mal 'As' ist: 1 7 + 1 7 + 1 7 = 3 7

Die Wahrscheinlichkeit für 2 mal 'As' ist: 1 7 + 1 7 + 1 7 = 3 7

Die Wahrscheinlichkeit für 3 mal 'As' ist: 1 14

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

Erwartungswert der Zufallsgröße X

Ereignis 0 1 2 3
Zufallsgröße xi 0 10 20 30
P(X=xi) 1 14 3 7 3 7 1 14
xi ⋅ P(X=xi) 0 30 7 60 7 15 7

Der Erwartungswert verechnet sich aus der Summe der einzelnen Produkte:

E(X)= 0⋅ 1 14 + 10⋅ 3 7 + 20⋅ 3 7 + 30⋅ 1 14

= 0+ 30 7 + 60 7 + 15 7
= 0 7 + 30 7 + 60 7 + 15 7
= 105 7
= 15

Erwartungswerte mit best. Optionen im WS-Baum

Beispiel:

In einem Stapel Karten mit 10 Asse, 5 Könige, 9 Damen und 6 Buben werden 2 Karten gezogen. Dabei zählen 2 Asse 500, 2 Könige 450, 2 Damen 140 und 2 Buben 80 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 29
As -> König 5 87
As -> Dame 3 29
As -> Bube 2 29
König -> As 5 87
König -> König 2 87
König -> Dame 3 58
König -> Bube 1 29
Dame -> As 3 29
Dame -> König 3 58
Dame -> Dame 12 145
Dame -> Bube 9 145
Bube -> As 2 29
Bube -> König 1 29
Bube -> Dame 9 145
Bube -> Bube 1 29

Die Wahrscheinlichkeit für '2 Asse' ist:

P('As'-'As')
= 3 29

Die Wahrscheinlichkeit für '2 Könige' ist:

P('König'-'König')
= 2 87

Die Wahrscheinlichkeit für '2 Damen' ist:

P('Dame'-'Dame')
= 12 145

Die Wahrscheinlichkeit für '2 Buben' ist:

P('Bube'-'Bube')
= 1 29

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

P('König'-'Dame') + P('Dame'-'König')
= 3 58 + 3 58 = 3 29

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 500 450 140 80 20
P(X=xi) 3 29 2 87 12 145 1 29 3 29
xi ⋅ P(X=xi) 1500 29 300 29 336 29 80 29 60 29

Der Erwartungswert verechnet sich aus der Summe der einzelnen Produkte:

E(X)= 500⋅ 3 29 + 450⋅ 2 87 + 140⋅ 12 145 + 80⋅ 1 29 + 20⋅ 3 29

= 1500 29 + 300 29 + 336 29 + 80 29 + 60 29
= 2276 29

78.48