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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 Summe der Zahlen die bei den beiden Glücksräder erscheinen. Gib alle Werte an, die die Zufallsgröße X annehmen kann.

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

Zufallsgröße X23456
zugehörige
Ereignisse
1 - 11 - 2
2 - 1
1 - 3
2 - 2
3 - 1
2 - 3
3 - 2
3 - 3

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 die Differenz: Augenzahl beim ersten Wurf - Augenzahl beim zweiten Wurf. Stelle eine Wahrscheinlichkeitsverteilung für die Zufallsgröße X auf.

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Für die Zufallsgröße X: 'Differenz Würfel1 - Würfel2' sind folgende Werte möglich:

Zufallsgröße XX = -5X = -4X = -1X = 0X = 1X = 4X = 5
zugehörige
Ergebnisse
1 → 61 → 55 → 61 → 1
5 → 5
6 → 6
6 → 55 → 16 → 1
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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 = -5X = -4X = -1X = 0X = 1X = 4X = 5
zugehörige
Wahrscheinlichkeit P(X)
1 6 ⋅ 1 2 1 6 ⋅ 1 3 1 3 ⋅ 1 2 1 6 ⋅ 1 6
+ 1 3 ⋅ 1 3
+ 1 2 ⋅ 1 2
1 2 ⋅ 1 3 1 3 ⋅ 1 6 1 2 ⋅ 1 6
  = 1 12 1 18 1 6 1 36 + 1 9 + 1 4 1 6 1 18 1 12



Hiermit ergibt sich die gesuchte Wahrscheinlichkeitsverteilung für die Zufallsgröße X:

Zufallsgröße X-5-4-10145
P(X=k) 1 12 1 18 1 6 7 18 1 6 1 18 1 12

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

Beispiel:

In einer Urne sind sechs Kugeln, die mit der Zahl 1 beschriftet sind und sechs Kugeln, die mit der Zahl 9 beschriftet sind. Es werden zwei Kugeln ohne Zurücklegen gezogen.Die Zufallsgröße X beschreibt das Produkt der Zahlen der beiden gezogenen Kugeln. Stelle eine Wahrscheinlichkeitsverteilung für die Zufallsgröße X auf.

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

Zufallsgröße XX = 1X = 9X = 81
zugehörige
Ergebnisse
1 → 11 → 9
9 → 1
9 → 9
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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 = 1X = 9X = 81
zugehörige
Wahrscheinlichkeit P(X)
1 2 ⋅ 5 11 1 2 ⋅ 6 11
+ 1 2 ⋅ 6 11
1 2 ⋅ 5 11
  = 5 22 3 11 + 3 11 5 22



Hiermit ergibt sich die gesuchte Wahrscheinlichkeitsverteilung für die Zufallsgröße X:

Zufallsgröße X1981
P(X=k) 5 22 6 11 5 22

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

Beispiel:

Aus einem Kartenstapel mit 5 Karten der Farbe Herz und 3 weiteren Karten soll solange eine Karte gezogen werden, bis eine Herz-Karte erscheint. Die Zufallsgröße X beschreibt dabei die Anzahl der Ziehungen, bis die erste Herz-Karte 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 Karten vom Typ 'kein Herz' vorhanden sind, muss spätestens im 4-ten Versuch (wenn dann alle Karten vom Typ 'kein Herz' bereits gezogen und damit weg sind) eine Karte vom Typ 'Herz' 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) 5 8 15 56 5 56 1 56

Zufallsgröße rückwärts

Beispiel:

In einer Urne sind 15 Kugeln, die mit verschiedenen Zahlen beschriftet sind. Dabei gibt es nur die Zahlen 3, 6 und 7 als Beschriftung. Es werden zwei Kugeln mit Zurücklegen gezogen. Die Zufallsgröße X beschreibt das Produkt der Zahlen der beiden gezogenen Kugeln. Bei der Wahrscheinlichkeitsverteilung von X sind nur der erste und der letzte Wert bekannt (siehe Tabelle). Wie viele Kugeln mit den oben genannten Zahlen als Beschriftung müssen jeweils in der Urne sein?

Zufallsgröße X91821364249
P(X=k) 4 25 ???? 16 225

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Für X=9 gibt es nur das Ereignis: '3'-'3', also dass zwei mal hintereinander '3' kommt.

Wenn p1 die Wahrscheinlichkeit von '3' ist, dann muss also für die Wahrscheinlichkeit, dass zwei mal hintereinander '3' kommt, gelten: P(X=9) = p1 ⋅ p1 (siehe Baumdiagramm).

Aus der Tabelle können wir aber P(X=9) = 4 25 heraus lesen, also muss gelten:

p1 ⋅ p1 = (p1)2 = 4 25 und somit p1 = 2 5 .

Ebenso gibt es für X=49 nur das Ereignis: '7'-'7', also dass zwei mal hintereinander '7' kommt.

Wenn p3 die Wahrscheinlichkeit von '7' ist, dann muss also für die Wahrscheinlichkeit, dass zwei mal hintereinander '7' kommt, gelten: P(X=49) = p3 ⋅ p3 (siehe Baumdiagramm).

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Aus der Tabelle können wir aber P(X=49) = 16 225 heraus lesen, also muss gelten:

p3 ⋅ p3 = (p3)2 = 16 225 und somit p3 = 4 15 .

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

p2 = 1 - p1 - p3 = 1 - 2 5 - 4 15 = 15 15 - 6 15 - 4 15 = 5 15 = 1 3

Um nun noch die jeweilige Anzahl der Kugeln mit gleicher Zahl zu ermittlen, müssen wir einfach die Wahrscheinlichkeit mit 15 multiplizieren, weil ja für die Wahrscheinlichkeit für eine der n Kugeln mit einer bestimmten Zahl gilt: p = n 15

Somit erhalten wir:

n3 = 2 5 ⋅ 15 = 6

n6 = 1 3 ⋅ 15 = 5

n7 = 4 15 ⋅ 15 = 4

Erwartungswerte

Beispiel:

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(Alle Sektoren sind Vielfache
von Achtels-Kreisen)

Wie viele Punkte kann man bei dem abgebildeten Glücksrad erwarten?

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Die Zufallsgröße X beschreibt die Punktezahl auf einem Sektor des Glücksrads.

Erwartungswert der Zufallsgröße X

Ereignis 1 6 16 25
Zufallsgröße xi 1 6 16 25
P(X=xi) 3 8 3 8 1 8 1 8
xi ⋅ P(X=xi) 3 8 9 4 2 25 8

Der Erwartungswert verechnet sich aus der Summe der einzelnen Produkte:

E(X)= 1⋅ 3 8 + 6⋅ 3 8 + 16⋅ 1 8 + 25⋅ 1 8

= 3 8 + 9 4 + 2+ 25 8
= 3 8 + 18 8 + 16 8 + 25 8
= 62 8
= 31 4

≈ 7.75

Einsatz für faires Spiel bestimmen

Beispiel:

Ein Spieler darf aus einer Urne mit 6 blauen, 10 roten, 8 grünen und 6 weißen Kugeln eine Kugel ziehen. Erwischt er eine blaue, so erhält er 10€. Bei rot erhält er 6€ und bei grün erhält er 15€. Welchen Betrag muss er bei weiß erhalten damit das Spiel fair ist, wenn der Einsatz 12€ 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 10 6 15 x
Zufallsgröße yi (Gewinn) -2 -6 3 x-12
P(X=xi) 6 30 10 30 8 30 6 30
xi ⋅ P(X=xi) 2 2 4 6 30 ⋅ x
yi ⋅ P(Y=yi) - 2 5 -2 4 5 6 30 ⋅(x-12)

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) = 12

6 30 · 10 + 10 30 · 6 + 8 30 · 15 + 6 30 x = 12

2 +2 +4 + 6 30 x = 12

2 +2 +4 + 1 5 x = 12
1 5 x +8 = 12 |⋅ 5
5( 1 5 x +8 ) = 60
x +40 = 60 | -40
x = 20

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

E(Y) = 0

6 30 · ( -2 ) + 10 30 · ( -6 ) + 8 30 · 3 + 6 30 ( x -12 ) = 0

- 2 5 -2 + 4 5 + 1 5 · x + 1 5 · ( -12 ) = 0

- 2 5 -2 + 4 5 + 1 5 · x + 1 5 · ( -12 ) = 0
- 2 5 -2 + 4 5 + 1 5 x - 12 5 = 0
1 5 x -4 = 0 |⋅ 5
5( 1 5 x -4 ) = 0
x -20 = 0 | +20
x = 20

In beiden Fällen ist also der gesuchte Betrag: 20€

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 2€ betragen• Der minimale Auszahlungsbetrag soll 1€ 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) 1 9
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) 1 9
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) 1 9
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) 1 1.5 2.5 9
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:

Aus einem Kartenstapel mit 6 Karten der Farbe Herz und 4 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: 3 5

Die Wahrscheinlichkeit für ein 'Herz' im 2-ten Versuch st: 4 15

Die Wahrscheinlichkeit für ein 'Herz' im 3-ten Versuch st: 1 10

Die Wahrscheinlichkeit für ein 'Herz' im 4-ten Versuch st: 1 35

Die Wahrscheinlichkeit für ein 'Herz' im 5-ten Versuch st: 1 210

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

Erwartungswert der Zufallsgröße X

Ereignis 1 2 3 4 5
Zufallsgröße xi 1 2 3 4 5
P(X=xi) 3 5 4 15 1 10 1 35 1 210
xi ⋅ P(X=xi) 3 5 8 15 3 10 4 35 1 42

Der Erwartungswert verechnet sich aus der Summe der einzelnen Produkte:

E(X)= 1⋅ 3 5 + 2⋅ 4 15 + 3⋅ 1 10 + 4⋅ 1 35 + 5⋅ 1 210

= 3 5 + 8 15 + 3 10 + 4 35 + 1 42
= 126 210 + 112 210 + 63 210 + 24 210 + 5 210
= 330 210
= 11 7

≈ 1.57

Erwartungswerte mit gesuchten Anzahlen im WS-Baum

Beispiel:

Auf einen Schüleraustausch bewerben sich 21 Mädchen und 5 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 133 260
Mädchen -> Mädchen -> Jungs 7 52
Mädchen -> Jungs -> Mädchen 7 52
Mädchen -> Jungs -> Jungs 7 260
Jungs -> Mädchen -> Mädchen 7 52
Jungs -> Mädchen -> Jungs 7 260
Jungs -> Jungs -> Mädchen 7 260
Jungs -> Jungs -> Jungs 1 260

Die Wahrscheinlichkeit für 0 mal 'Mädchen' ist: 1 260

Die Wahrscheinlichkeit für 1 mal 'Mädchen' ist: 7 260 + 7 260 + 7 260 = 21 260

Die Wahrscheinlichkeit für 2 mal 'Mädchen' ist: 7 52 + 7 52 + 7 52 = 21 52

Die Wahrscheinlichkeit für 3 mal 'Mädchen' ist: 133 260

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) 1 260 21 260 21 52 133 260
xi ⋅ P(X=xi) 0 21 260 21 26 399 260

Der Erwartungswert verechnet sich aus der Summe der einzelnen Produkte:

E(X)= 0⋅ 1 260 + 1⋅ 21 260 + 2⋅ 21 52 + 3⋅ 133 260

= 0+ 21 260 + 21 26 + 399 260
= 0 260 + 21 260 + 210 260 + 399 260
= 630 260
= 63 26

≈ 2.42

Erwartungswerte mit best. Optionen im WS-Baum

Beispiel:

In einem Stapel Karten mit 6 Asse, 5 Könige, 3 Damen und 6 Buben werden 2 Karten gezogen. Dabei zählen 2 Asse 1000, 2 Könige 400, 2 Damen 180 und 2 Buben 80 Punkte. Außerdem gibt es für ein Paar aus Dame und König 25 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 38
As -> König 3 38
As -> Dame 9 190
As -> Bube 9 95
König -> As 3 38
König -> König 1 19
König -> Dame 3 76
König -> Bube 3 38
Dame -> As 9 190
Dame -> König 3 76
Dame -> Dame 3 190
Dame -> Bube 9 190
Bube -> As 9 95
Bube -> König 3 38
Bube -> Dame 9 190
Bube -> Bube 3 38

Die Wahrscheinlichkeit für '2 Asse' ist:

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

Die Wahrscheinlichkeit für '2 Könige' ist:

P('König'-'König')
= 1 19

Die Wahrscheinlichkeit für '2 Damen' ist:

P('Dame'-'Dame')
= 3 190

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 76 + 3 76 = 3 38

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 1000 400 180 80 25
P(X=xi) 3 38 1 19 3 190 3 38 3 38
xi ⋅ P(X=xi) 1500 19 400 19 54 19 120 19 75 38

Der Erwartungswert verechnet sich aus der Summe der einzelnen Produkte:

E(X)= 1000⋅ 3 38 + 400⋅ 1 19 + 180⋅ 3 190 + 80⋅ 3 38 + 25⋅ 3 38

= 1500 19 + 400 19 + 54 19 + 120 19 + 75 38
= 4223 38

≈ 111.13