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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 zwischen der größeren Augenzahl und der kleineren Augenzahl (bzw. der beiden gleichgroßen Augenzahlen) der beiden Würfe. Stelle eine Wahrscheinlichkeitsverteilung für die Zufallsgröße X auf.

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

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



Hiermit ergibt sich die gesuchte Wahrscheinlichkeitsverteilung für die Zufallsgröße X:

Zufallsgröße X0235
P(X=k) 7 18 1 6 1 3 1 9

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

Beispiel:

In einer Urne sind sechs Kugeln, die mit der Zahl 2 beschriftet, sechs Kugeln, die mit der Zahl 6 sind, und sechs Kugeln, die mit der Zahl 7 beschriftet sind. Es werden zwei Kugeln ohne Zurücklegen gezogen. Die Zufallsgröße X beschreibt die Differenz zwischen der größten und der anderen Zahl 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 = 4X = 5
zugehörige
Ergebnisse
2 → 2
6 → 6
7 → 7
6 → 7
7 → 6
2 → 6
6 → 2
2 → 7
7 → 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 = 4X = 5
zugehörige
Wahrscheinlichkeit P(X)
1 3 5 17
+ 1 3 5 17
+ 1 3 5 17
1 3 6 17
+ 1 3 6 17
1 3 6 17
+ 1 3 6 17
1 3 6 17
+ 1 3 6 17
  = 5 51 + 5 51 + 5 51 2 17 + 2 17 2 17 + 2 17 2 17 + 2 17



Hiermit ergibt sich die gesuchte Wahrscheinlichkeitsverteilung für die Zufallsgröße X:

Zufallsgröße X0145
P(X=k) 5 17 4 17 4 17 4 17

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

Beispiel:

In einer Urne sind 11 rote und 4 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 4 Kugeln vom Typ 'blau' vorhanden sind, muss spätestens im 5-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 5 annehmen.

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

Zufallsgröße X12345
P(X=k) 11 15 22 105 22 455 11 1365 1 1365

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) 625 1296 ??? 1 144

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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) = 625 1296 heraus lesen, also muss gelten:

p1 ⋅ p1 = (p1)2 = 625 1296 und somit p1 = 25 36 .

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) = 1 144 heraus lesen, also muss gelten:

p3 ⋅ p3 = (p3)2 = 1 144 und somit p3 = 1 12 .

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

p2 = 1 - p1 - p3 = 1 - 25 36 - 1 12 = 36 36 - 25 36 - 3 36 = 8 36 = 2 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 = 25 36 ⋅ 360° = 250°

α2 = 2 9 ⋅ 360° = 80°

α3 = 1 12 ⋅ 360° = 30°

Erwartungswerte

Beispiel:

Ein Spieler darf aus einer Urne mit 3 blauen, 8 roten, 7 grünen und 6 weißen Kugeln eine Kugel ziehen. Erwischt er eine blaue, so erhält er 40€. Bei rot erhält er 6€, bei grün erhält er 24€ und bei weiß erhält er 12€. Wieviel bringt ein Zug durchschnittlich ein?

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Die Zufallsgröße X beschreibt den ausbezahlten €-Euro-Betrag.

Erwartungswert der Zufallsgröße X

Ereignis blau rot grün weiß
Zufallsgröße xi 40 6 24 12
P(X=xi) 3 24 8 24 7 24 6 24
xi ⋅ P(X=xi) 5 2 7 3

Der Erwartungswert verechnet sich aus der Summe der einzelnen Produkte:

E(X)= 40⋅ 3 24 + 6⋅ 8 24 + 24⋅ 7 24 + 12⋅ 6 24

= 5+ 2+ 7+ 3
= 17

Einsatz für faires Spiel bestimmen

Beispiel:

In einer Urne sind 5 Kugeln, die mit 2€ beschriftet sind, 8 Kugeln, die mit 16€ und 7 Kugeln, die mit 30€ beschriftet sind. Bei dem Spiel bekommt man den Betrag, der auf der Kugel steht, ausbezahlt. Außerdem sind noch weitere 4 Kugeln in der Urne. Mit welchem Betrag müsste man diese beschriften, damit das Spiel bei einem Einsatz von 19,83€ 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 2 16 30 ?
Zufallsgröße xi 2 16 30 x
Zufallsgröße yi (Gewinn) -17.83 -3.83 10.17 x-19.83
P(X=xi) 5 24 8 24 7 24 4 24
xi ⋅ P(X=xi) 5 12 16 3 35 4 4 24 ⋅ x
yi ⋅ P(Y=yi) - 89.15 24 - 30.64 24 71.19 24 4 24 ⋅(x-19.83)

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) = 19.83

5 24 · 2 + 8 24 · 16 + 7 24 · 30 + 4 24 x = 19.83

5 12 + 16 3 + 35 4 + 4 24 x = 19.83

5 12 + 16 3 + 35 4 + 1 6 x = 19,83
1 6 x + 29 2 = 19,83 |⋅ 6
6( 1 6 x + 29 2 ) = 118,98
x +87 = 118,98 | -87
x = 31,98

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

E(Y) = 0

5 24 · ( -17,83 ) + 8 24 · ( -3,83 ) + 7 24 · 10,17 + 4 24 ( x -19,83 ) = 0

- 89,15 24 - 3,83 3 + 71,19 24 + 1 6 · x + 1 6 · ( -19,83 ) = 0

- 89,15 24 - 3,83 3 + 71,19 24 + 1 6 · x + 1 6 · ( -19,83 ) = 0
-3,7146 -1,2767 +2,9663 + 1 6 x -3,305 = 0
1 6 x -5,33 = 0 |⋅ 6
6( 1 6 x -5,33 ) = 0
x -31,98 = 0 | +31,98
x = 31,98

In beiden Fällen ist also der gesuchte Betrag: 32

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 12€ 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 12
Y Gewinn (Ausz. - Einsatz) -5 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) 1 12
Y Gewinn (Ausz. - Einsatz) -5 6
P(X) = P(Y) 1 5 1 6
Y ⋅ P(Y) -1 1

Die bisherigen Optionen vereinen eine Wahrscheinlichkeit von 1 5 + 1 6 = 11 30
Als Restwahrscheinlichkeit für die verbleibenden Beträge bleibt nun also 1- 11 30 = 19 30 .
Diese wird auf die beiden verbleibenden Optionen verteilt:

  Feld1 Feld2 Feld3 Feld4
X (z.B. Auszahlung) 1 12
Y Gewinn (Ausz. - Einsatz) -5 6
P(X) = P(Y) 1 5 19 60 19 60 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 5 2 ) setzt.

  Feld1 Feld2 Feld3 Feld4
X (z.B. Auszahlung) 1 3.5 8.5 12
Y Gewinn (Ausz. - Einsatz) -5 -2.5 2.5 6
P(X) = P(Y) 1 5 19 60 19 60 1 6
Winkel 72° 114° 114° 60°
Y ⋅ P(Y) -1 - 19 24 19 24 1

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

E(Y)= -5⋅ 1 5 + -2.5⋅ 19 60 + 2.5⋅ 19 60 + 6⋅ 1 6

= -1 - 19 24 + 19 24 + 1
= - 24 24 - 19 24 + 19 24 + 24 24
= 0 24
= 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:

Ein Spieler darf aus einer Urne mit 10 blauen und 5 roten Kugeln 3 Kugeln ohne zurücklegen ziehen. Zieht er dabei 3 blaue Kugeln, so erhält er 36€, bei 2 blauen bekommt er noch 12€, bei einer 7€. 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 24 91
blau -> blau -> rot 15 91
blau -> rot -> blau 15 91
blau -> rot -> rot 20 273
rot -> blau -> blau 15 91
rot -> blau -> rot 20 273
rot -> rot -> blau 20 273
rot -> rot -> rot 2 91

Die Wahrscheinlichkeit für 0 mal 'blau' ist: 2 91

Die Wahrscheinlichkeit für 1 mal 'blau' ist: 20 273 + 20 273 + 20 273 = 20 91

Die Wahrscheinlichkeit für 2 mal 'blau' ist: 15 91 + 15 91 + 15 91 = 45 91

Die Wahrscheinlichkeit für 3 mal 'blau' ist: 24 91

Die Zufallsgröße X beschreibt den ausbezahlten Euro-Betrag.

Erwartungswert der Zufallsgröße X

Ereignis 0 1 2 3
Zufallsgröße xi 0 7 12 36
P(X=xi) 2 91 20 91 45 91 24 91
xi ⋅ P(X=xi) 0 20 13 540 91 864 91

Der Erwartungswert verechnet sich aus der Summe der einzelnen Produkte:

E(X)= 0⋅ 2 91 + 7⋅ 20 91 + 12⋅ 45 91 + 36⋅ 24 91

= 0+ 20 13 + 540 91 + 864 91
= 0 91 + 140 91 + 540 91 + 864 91
= 1544 91

16.97

Erwartungswerte mit best. Optionen im WS-Baum

Beispiel:

In einem Stapel Karten mit 7 Asse, 10 Könige, 6 Damen und 7 Buben werden 2 Karten gezogen. Dabei zählen 2 Asse 1000, 2 Könige 450, 2 Damen 240 und 2 Buben 50 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 7 145
As -> König 7 87
As -> Dame 7 145
As -> Bube 49 870
König -> As 7 87
König -> König 3 29
König -> Dame 2 29
König -> Bube 7 87
Dame -> As 7 145
Dame -> König 2 29
Dame -> Dame 1 29
Dame -> Bube 7 145
Bube -> As 49 870
Bube -> König 7 87
Bube -> Dame 7 145
Bube -> Bube 7 145

Die Wahrscheinlichkeit für '2 Asse' ist:

P('As'-'As')
= 7 145

Die Wahrscheinlichkeit für '2 Könige' ist:

P('König'-'König')
= 3 29

Die Wahrscheinlichkeit für '2 Damen' ist:

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

Die Wahrscheinlichkeit für '2 Buben' ist:

P('Bube'-'Bube')
= 7 145

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

P('König'-'Dame') + P('Dame'-'König')
= 2 29 + 2 29 = 4 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 1000 450 240 50 25
P(X=xi) 7 145 3 29 1 29 7 145 4 29
xi ⋅ P(X=xi) 1400 29 1350 29 240 29 70 29 100 29

Der Erwartungswert verechnet sich aus der Summe der einzelnen Produkte:

E(X)= 1000⋅ 7 145 + 450⋅ 3 29 + 240⋅ 1 29 + 50⋅ 7 145 + 25⋅ 4 29

= 1400 29 + 1350 29 + 240 29 + 70 29 + 100 29
= 3160 29

108.97