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Zufallsgröße (ohne Wahrscheinlichkeit)

Beispiel:

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Ein Würfel mit nebenstehendem Netz wird 2 mal geworfen. Die Zufallsgröße X beschreibt dabei die Summe der Augenzahlen der beiden Würfe. Gib alle Werte an, die die Zufallsgröße X annehmen kann.

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

Zufallsgröße X689101112
zugehörige
Ereignisse
3 - 33 - 5
5 - 3
3 - 6
6 - 3
5 - 55 - 6
6 - 5
6 - 6

Zufallsgröße WS-Verteilung

Beispiel:

Du hast entweder einen veralteten Browser oder Javascript ausgeschaltet. Deswegen kannst du leider das SchaubBild nicht sehen :(
Ein Würfel mit nebenstehendem Netz wird 2 mal geworfen. Die Zufallsgröße X beschreibt dabei die Summe der Augenzahlen der beiden Würfe. Stelle eine Wahrscheinlichkeitsverteilung für die Zufallsgröße X auf.

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

Zufallsgröße XX = 2X = 3X = 4X = 5X = 6X = 8
zugehörige
Ergebnisse
1 → 11 → 2
2 → 1
2 → 21 → 4
4 → 1
2 → 4
4 → 2
4 → 4
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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 = 2X = 3X = 4X = 5X = 6X = 8
zugehörige
Wahrscheinlichkeit P(X)
1 3 1 3 1 3 1 6
+ 1 6 1 3
1 6 1 6 1 3 1 2
+ 1 2 1 3
1 6 1 2
+ 1 2 1 6
1 2 1 2
  = 1 9 1 18 + 1 18 1 36 1 6 + 1 6 1 12 + 1 12 1 4



Hiermit ergibt sich die gesuchte Wahrscheinlichkeitsverteilung für die Zufallsgröße X:

Zufallsgröße X234568
P(X=k) 1 9 1 9 1 36 1 3 1 6 1 4

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

Beispiel:

In einem Kartenstapel sind nur noch vier Karten mit dem Wert 2, zwei 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)
1 2 3 7
+ 1 4 1 7
+ 1 4 1 7
1 4 2 7
+ 1 4 2 7
1 2 2 7
+ 1 4 4 7
1 2 2 7
+ 1 4 4 7
  = 3 14 + 1 28 + 1 28 1 14 + 1 14 1 7 + 1 7 1 7 + 1 7



Hiermit ergibt sich die gesuchte Wahrscheinlichkeitsverteilung für die Zufallsgröße X:

Zufallsgröße X0156
P(X=k) 2 7 1 7 2 7 2 7

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

Beispiel:

Eine Lehrerin sammelt die Hausaufgaben von einigen Schülern ein, um zu kontrollieren, ob diese auch ordentlich gemacht wurden. Aus Zeitgründen möchte sie aber nicht alle, sondern nur ein paar wenige einsammeln, welche durch ein Losverfahren ausgewählt werden. Aus (der unbegründeten) Angst ungerecht behandelt zu werden, bestehen die 2 Jungs darauf, dass unbedingt immer eine Hausaufgabe eines der 24 Mädchen der Klasse eingesammelt wird. Deswegen wird solange gelost, bis das erste Mädchen gezogen wird.Die Zufallsgröße X beschreibt dabei die Anzahl der nach diesem Verfahren einsammelten Hausaufgaben. Stelle eine Wahrscheinlichkeitsverteilung für die Zufallsgröße X auf.
(Denk daran, die Brüche vollständig zu kürzen!)

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Da ja nur 2 Hausaufgaben vom Typ 'Jungs' vorhanden sind, muss spätestens im 3-ten Versuch (wenn dann alle Hausaufgaben vom Typ 'Jungs' bereits gezogen und damit weg sind) eine Hausaufgabe vom Typ 'Mädchen' 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) 12 13 24 325 1 325

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 das Produkt 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 X123469
P(X=k) 49 1296 ???? 49 1296

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(Alle Sektoren sind Vielfache
von Achtels-Kreisen)

Für X=1 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=1) = p1 ⋅ p1 (siehe Baumdiagramm).

Aus der Tabelle können wir aber P(X=1) = 49 1296 heraus lesen, also muss gelten:

p1 ⋅ p1 = (p1)2 = 49 1296 und somit p1 = 7 36 .

Ebenso gibt es für X=9 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=9) = p3 ⋅ p3 (siehe Baumdiagramm).

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Aus der Tabelle können wir aber P(X=9) = 49 1296 heraus lesen, also muss gelten:

p3 ⋅ p3 = (p3)2 = 49 1296 und somit p3 = 7 36 .

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

p2 = 1 - p1 - p3 = 1 - 7 36 - 7 36 = 36 36 - 7 36 - 7 36 = 22 36 = 11 18

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 36 ⋅ 360° = 70°

α2 = 11 18 ⋅ 360° = 220°

α3 = 7 36 ⋅ 360° = 70°

Erwartungswerte

Beispiel:

Ein Spieler darf einmal Würfeln. Bei einer 6 bekommt er 24€, bei einer 5 bekommt er 18€, bei einer 4 bekommt er 12€. Würfelt er eine 1, 2 oder 3 so bekommt er 4€. 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 4 12 18 24
P(X=xi) 1 2 1 6 1 6 1 6
xi ⋅ P(X=xi) 2 2 3 4

Der Erwartungswert verechnet sich aus der Summe der einzelnen Produkte:

E(X)= 4⋅ 1 2 + 12⋅ 1 6 + 18⋅ 1 6 + 24⋅ 1 6

= 2+ 2+ 3+ 4
= 11

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 13,5€ 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 4 20 ?
Zufallsgröße xi 2 4 20 x
Zufallsgröße yi (Gewinn) -11.5 -9.5 6.5 x-13.5
P(X=xi) 4 8 2 8 1 8 1 8
xi ⋅ P(X=xi) 1 1 5 2 1 8 ⋅ x
yi ⋅ P(Y=yi) - 23 4 - 19 8 6.5 8 1 8 ⋅(x-13.5)

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) = 13.5

4 8 · 2 + 2 8 · 4 + 1 8 · 20 + 1 8 x = 13.5

1 +1 + 5 2 + 1 8 x = 13.5

1 +1 + 5 2 + 1 8 x = 13,5
1 8 x + 9 2 = 13,5 |⋅ 8
8( 1 8 x + 9 2 ) = 108
x +36 = 108 | -36
x = 72

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

E(Y) = 0

4 8 · ( -11,5 ) + 2 8 · ( -9,5 ) + 1 8 · 6,5 + 1 8 ( x -13,5 ) = 0

- 11,5 2 - 9,5 4 + 6,5 8 + 1 8 · x + 1 8 · ( -13,5 ) = 0

- 11,5 2 - 9,5 4 + 6,5 8 + 1 8 · x + 1 8 · ( -13,5 ) = 0
-5,75 -2,375 +0,8125 + 1 8 x -1,6875 = 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 4€ 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) -2 6
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) -2 6
P(X) = P(Y) 1 2 1 6
Y ⋅ P(Y) -1 1

Die bisherigen Optionen vereinen eine Wahrscheinlichkeit von 1 2 + 1 6 = 2 3
Als Restwahrscheinlichkeit für die verbleibenden Beträge bleibt nun also 1- 2 3 = 1 3 .
Diese wird auf die beiden verbleibenden Optionen verteilt:

  Feld1 Feld2 Feld3 Feld4
X (z.B. Auszahlung) 2 10
Y Gewinn (Ausz. - Einsatz) -2 6
P(X) = P(Y) 1 2 1 6 1 6 1 6
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) 2 3 5 10
Y Gewinn (Ausz. - Einsatz) -2 -1 1 6
P(X) = P(Y) 1 2 1 6 1 6 1 6
Winkel 180° 60° 60° 60°
Y ⋅ P(Y) -1 - 1 6 1 6 1

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

E(Y)= -2⋅ 1 2 + -1⋅ 1 6 + 1⋅ 1 6 + 6⋅ 1 6

= -1 - 1 6 + 1 6 + 1
= - 6 6 - 1 6 + 1 6 + 6 6
= 0 6
= 0

Erwartungswerte bei 'Ziehen bis erstmals ...'

Beispiel:

In einer Urne sind 1 rote und 4 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: 1 5

Die Wahrscheinlichkeit für ein 'rot' im 2-ten Versuch st: 1 5

Die Wahrscheinlichkeit für ein 'rot' im 3-ten Versuch st: 1 5

Die Wahrscheinlichkeit für ein 'rot' im 4-ten Versuch st: 1 5

Die Wahrscheinlichkeit für ein 'rot' im 5-ten Versuch st: 1 5

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

Erwartungswert der Zufallsgröße X

Ereignis 1 2 3 4 5
Zufallsgröße xi 1 2 3 4 5
P(X=xi) 1 5 1 5 1 5 1 5 1 5
xi ⋅ P(X=xi) 1 5 2 5 3 5 4 5 1

Der Erwartungswert verechnet sich aus der Summe der einzelnen Produkte:

E(X)= 1⋅ 1 5 + 2⋅ 1 5 + 3⋅ 1 5 + 4⋅ 1 5 + 5⋅ 1 5

= 1 5 + 2 5 + 3 5 + 4 5 + 1
= 1 5 + 2 5 + 3 5 + 4 5 + 5 5
= 15 5
= 3

Erwartungswerte mit gesuchten Anzahlen im WS-Baum

Beispiel:

Auf einen Schüleraustausch bewerben sich 12 Mädchen und 9 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 22 133
Mädchen -> Mädchen -> Jungs 99 665
Mädchen -> Jungs -> Mädchen 99 665
Mädchen -> Jungs -> Jungs 72 665
Jungs -> Mädchen -> Mädchen 99 665
Jungs -> Mädchen -> Jungs 72 665
Jungs -> Jungs -> Mädchen 72 665
Jungs -> Jungs -> Jungs 6 95

Die Wahrscheinlichkeit für 0 mal 'Mädchen' ist: 6 95

Die Wahrscheinlichkeit für 1 mal 'Mädchen' ist: 72 665 + 72 665 + 72 665 = 216 665

Die Wahrscheinlichkeit für 2 mal 'Mädchen' ist: 99 665 + 99 665 + 99 665 = 297 665

Die Wahrscheinlichkeit für 3 mal 'Mädchen' ist: 22 133

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) 6 95 216 665 297 665 22 133
xi ⋅ P(X=xi) 0 216 665 594 665 66 133

Der Erwartungswert verechnet sich aus der Summe der einzelnen Produkte:

E(X)= 0⋅ 6 95 + 1⋅ 216 665 + 2⋅ 297 665 + 3⋅ 22 133

= 0+ 216 665 + 594 665 + 66 133
= 0 665 + 216 665 + 594 665 + 330 665
= 1140 665
= 12 7

1.71

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 450, 2 Damen 140 und 2 Buben 90 Punkte. Außerdem gibt es für ein Paar aus Dame und König 40 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 500 450 140 90 40
P(X=xi) 18 95 3 190 1 190 3 38 3 95
xi ⋅ P(X=xi) 1800 19 135 19 14 19 135 19 24 19

Der Erwartungswert verechnet sich aus der Summe der einzelnen Produkte:

E(X)= 500⋅ 18 95 + 450⋅ 3 190 + 140⋅ 1 190 + 90⋅ 3 38 + 40⋅ 3 95

= 1800 19 + 135 19 + 14 19 + 135 19 + 24 19
= 2108 19

110.95