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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:

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 Summe der Zahlen die bei den beiden Glücksräder erscheinen. Stelle eine Wahrscheinlichkeitsverteilung für die Zufallsgröße X auf.

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

Zufallsgröße XX = 2X = 3X = 4X = 5X = 6
zugehörige
Ergebnisse
1 → 11 → 2
2 → 1
1 → 3
2 → 2
3 → 1
2 → 3
3 → 2
3 → 3
Du hast entweder einen veralteten Browser oder Javascript ausgeschaltet. Deswegen kannst du leider das SchaubBild nicht sehen :(


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 = 2X = 3X = 4X = 5X = 6
zugehörige
Wahrscheinlichkeit P(X)
3 8 3 8 3 8 3 8
+ 3 8 3 8
3 8 1 4
+ 3 8 3 8
+ 1 4 3 8
3 8 1 4
+ 1 4 3 8
1 4 1 4
  = 9 64 9 64 + 9 64 3 32 + 9 64 + 3 32 3 32 + 3 32 1 16



Hiermit ergibt sich die gesuchte Wahrscheinlichkeitsverteilung für die Zufallsgröße X:

Zufallsgröße X23456
P(X=k) 9 64 9 32 21 64 3 16 1 16

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

Beispiel:

In einem Kartenstapel sind nur noch vier Karten mit dem Wert 4, vier Karten mit dem Wert 6 und vier 10er.Es werden zwei Karten ohne Zurücklegen gezogen. Die Zufallsgröße X beschreibt die Summe der Werte der beiden gezogenen Karten. Stelle eine Wahrscheinlichkeitsverteilung für die Zufallsgröße X auf.

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

Zufallsgröße XX = 8X = 10X = 12X = 14X = 16X = 20
zugehörige
Ergebnisse
4 → 44 → 6
6 → 4
6 → 64 → 10
10 → 4
6 → 10
10 → 6
10 → 10
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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 = 8X = 10X = 12X = 14X = 16X = 20
zugehörige
Wahrscheinlichkeit P(X)
1 3 3 11 1 3 4 11
+ 1 3 4 11
1 3 3 11 1 3 4 11
+ 1 3 4 11
1 3 4 11
+ 1 3 4 11
1 3 3 11
  = 1 11 4 33 + 4 33 1 11 4 33 + 4 33 4 33 + 4 33 1 11



Hiermit ergibt sich die gesuchte Wahrscheinlichkeitsverteilung für die Zufallsgröße X:

Zufallsgröße X81012141620
P(X=k) 1 11 8 33 1 11 8 33 8 33 1 11

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

Beispiel:

In einer Urne sind 1 rote und 3 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 3 Kugeln vom Typ 'blau' vorhanden sind, muss spätestens im 4-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 4 annehmen.

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

Zufallsgröße X1234
P(X=k) 1 4 1 4 1 4 1 4

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) 1 9 ??? 4 81

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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) = 1 9 heraus lesen, also muss gelten:

p1 ⋅ p1 = (p1)2 = 1 9 und somit p1 = 1 3 .

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) = 4 81 heraus lesen, also muss gelten:

p3 ⋅ p3 = (p3)2 = 4 81 und somit p3 = 2 9 .

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

p2 = 1 - p1 - p3 = 1 - 1 3 - 2 9 = 9 9 - 3 9 - 2 9 = 4 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 = 1 3 ⋅ 360° = 120°

α2 = 4 9 ⋅ 360° = 160°

α3 = 2 9 ⋅ 360° = 80°

Erwartungswerte

Beispiel:

Ein Spieler darf einmal Würfeln. Bei einer 6 bekommt er 72€, bei einer 5 bekommt er 36€, bei einer 4 bekommt er 18€. 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 18 36 72
P(X=xi) 1 2 1 6 1 6 1 6
xi ⋅ P(X=xi) 3 3 6 12

Der Erwartungswert verechnet sich aus der Summe der einzelnen Produkte:

E(X)= 6⋅ 1 2 + 18⋅ 1 6 + 36⋅ 1 6 + 72⋅ 1 6

= 3+ 3+ 6+ 12
= 24

Einsatz für faires Spiel bestimmen

Beispiel:

In einer Urne sind 6 Kugeln, die mit 6€ beschriftet sind, 9 Kugeln, die mit 16€ und 9 Kugeln, die mit 28€ beschriftet sind. Bei dem Spiel bekommt man den Betrag, der auf der Kugel steht, ausbezahlt. Außerdem sind noch weitere 6 Kugeln in der Urne. Mit welchem Betrag müsste man diese beschriften, damit das Spiel bei einem Einsatz von 22,4€ fair wäre?

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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 6 16 28 ?
Zufallsgröße xi 6 16 28 x
Zufallsgröße yi (Gewinn) -16.4 -6.4 5.6 x-22.4
P(X=xi) 6 30 9 30 9 30 6 30
xi ⋅ P(X=xi) 6 5 24 5 42 5 6 30 ⋅ x
yi ⋅ P(Y=yi) - 98.4 30 - 57.6 30 50.4 30 6 30 ⋅(x-22.4)

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) = 22.4

6 30 · 6 + 9 30 · 16 + 9 30 · 28 + 6 30 x = 22.4

6 5 + 24 5 + 42 5 + 6 30 x = 22.4

6 5 + 24 5 + 42 5 + 1 5 x = 22,4
1 5 x + 72 5 = 22,4 |⋅ 5
5( 1 5 x + 72 5 ) = 112
x +72 = 112 | -72
x = 40

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

E(Y) = 0

6 30 · ( -16,4 ) + 9 30 · ( -6,4 ) + 9 30 · 5,6 + 6 30 ( x -22,4 ) = 0

- 16,4 5 - 19,2 10 + 16,8 10 + 1 5 · x + 1 5 · ( -22,4 ) = 0

- 16,4 5 - 19,2 10 + 16,8 10 + 1 5 · x + 1 5 · ( -22,4 ) = 0
-3,28 -1,92 +1,68 + 1 5 x -4,48 = 0
1 5 x -8 = 0 |⋅ 5
5( 1 5 x -8 ) = 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 3€ betragen• Der minimale Auszahlungsbetrag soll 2€ sein• Der maximale Auszahlungsbetrag soll soll 10€ 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) 2 10
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) 2 10
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) 2 10
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) 2 2.5 3.5 10
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:

In einer Urne sind 11 rote und 2 blaue Kugeln. Es soll (ohne zurücklegen) solange gezogen werden, bis erstmals eine rote Kugel erscheint. Bestimme den Erwartungswert für die Anzahl der Ziehungen, bis die erste rote Kugel gezogen ist.
(Denk daran, den Bruch vollständig zu kürzen!)

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Wahrscheinlichkeiten für die verschiedenen Ausgänge

Die Wahrscheinlichkeit für ein 'rot' im 1-ten Versuch st: 11 13

Die Wahrscheinlichkeit für ein 'rot' im 2-ten Versuch st: 11 78

Die Wahrscheinlichkeit für ein 'rot' im 3-ten Versuch st: 1 78

Die Zufallsgröße X beschreibt die Anzahl der Ziehungen. bis die erste rote Kugel gezogen ist.

Erwartungswert der Zufallsgröße X

Ereignis 1 2 3
Zufallsgröße xi 1 2 3
P(X=xi) 11 13 11 78 1 78
xi ⋅ P(X=xi) 11 13 11 39 1 26

Der Erwartungswert verechnet sich aus der Summe der einzelnen Produkte:

E(X)= 1⋅ 11 13 + 2⋅ 11 78 + 3⋅ 1 78

= 11 13 + 11 39 + 1 26
= 66 78 + 22 78 + 3 78
= 91 78
= 7 6

1.17

Erwartungswerte mit gesuchten Anzahlen im WS-Baum

Beispiel:

Ein Spieler darf aus einer Urne mit 6 blauen und 4 roten Kugeln 3 Kugeln ohne zurücklegen ziehen. Zieht er dabei 3 blaue Kugeln, so erhält er 4096€, bei 2 blauen bekommt er noch 64€, bei einer 8€. Ist gar keine blaue Kugel dabei, erhält er 0€. Welchen Gewinn kann er erwarten?
(Denk daran, den Bruch vollständig zu kürzen!)

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Wahrscheinlichkeiten für die verschiedenen Ausgänge

EreignisP
blau -> blau -> blau 1 6
blau -> blau -> rot 1 6
blau -> rot -> blau 1 6
blau -> rot -> rot 1 10
rot -> blau -> blau 1 6
rot -> blau -> rot 1 10
rot -> rot -> blau 1 10
rot -> rot -> rot 1 30

Die Wahrscheinlichkeit für 0 mal 'blau' ist: 1 30

Die Wahrscheinlichkeit für 1 mal 'blau' ist: 1 10 + 1 10 + 1 10 = 3 10

Die Wahrscheinlichkeit für 2 mal 'blau' ist: 1 6 + 1 6 + 1 6 = 1 2

Die Wahrscheinlichkeit für 3 mal 'blau' ist: 1 6

Die Zufallsgröße X beschreibt den ausbezahlten Euro-Betrag.

Erwartungswert der Zufallsgröße X

Ereignis 0 1 2 3
Zufallsgröße xi 0 8 64 4096
P(X=xi) 1 30 3 10 1 2 1 6
xi ⋅ P(X=xi) 0 12 5 32 2048 3

Der Erwartungswert verechnet sich aus der Summe der einzelnen Produkte:

E(X)= 0⋅ 1 30 + 8⋅ 3 10 + 64⋅ 1 2 + 4096⋅ 1 6

= 0+ 12 5 + 32+ 2048 3
= 0 15 + 36 15 + 480 15 + 10240 15
= 10756 15

717.07

Erwartungswerte mit best. Optionen im WS-Baum

Beispiel:

In einem Stapel Karten mit 9 Asse, 3 Könige, 2 Damen und 6 Buben werden 2 Karten gezogen. Dabei zählen 2 Asse 500, 2 Könige 300, 2 Damen 140 und 2 Buben 50 Punkte. Außerdem gibt es für ein Paar aus Dame und König 30 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 18 95
As -> König 27 380
As -> Dame 9 190
As -> Bube 27 190
König -> As 27 380
König -> König 3 190
König -> Dame 3 190
König -> Bube 9 190
Dame -> As 9 190
Dame -> König 3 190
Dame -> Dame 1 190
Dame -> Bube 3 95
Bube -> As 27 190
Bube -> König 9 190
Bube -> Dame 3 95
Bube -> Bube 3 38

Die Wahrscheinlichkeit für '2 Asse' ist:

P('As'-'As')
= 18 95

Die Wahrscheinlichkeit für '2 Könige' ist:

P('König'-'König')
= 3 190

Die Wahrscheinlichkeit für '2 Damen' ist:

P('Dame'-'Dame')
= 1 190

Die Wahrscheinlichkeit für '2 Buben' ist:

P('Bube'-'Bube')
= 3 38

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

P('König'-'Dame') + P('Dame'-'König')
= 3 190 + 3 190 = 3 95

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 500 300 140 50 30
P(X=xi) 18 95 3 190 1 190 3 38 3 95
xi ⋅ P(X=xi) 1800 19 90 19 14 19 75 19 18 19

Der Erwartungswert verechnet sich aus der Summe der einzelnen Produkte:

E(X)= 500⋅ 18 95 + 300⋅ 3 190 + 140⋅ 1 190 + 50⋅ 3 38 + 30⋅ 3 95

= 1800 19 + 90 19 + 14 19 + 75 19 + 18 19
= 1997 19

105.11