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Zufallsgröße (ohne Wahrscheinlichkeit)

Beispiel:

In einer Urne sind fünf Kugeln, die mit der Zahl 2 beschriftet sind und drei Kugeln, die mit der Zahl 9 beschriftet sind. Es werden zwei Kugeln mit Zurücklegen gezogen.Die Zufallsgröße X beschreibt das Produkt der Zahlen der beiden gezogenen Kugeln. Gib alle Werte an, die die Zufallsgröße X annehmen kann.

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

Zufallsgröße X41881
zugehörige
Ereignisse
2 - 22 - 9
9 - 2
9 - 9

Zufallsgröße WS-Verteilung

Beispiel:

Drei normale Würfel werden gleichzeitig geworfen. Die Zufallsgröße X beschreibt die Anzahl der gewürfelten 6er. Stelle eine Wahrscheinlichkeitsverteilung für die Zufallsgröße X auf.

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Für die Zufallsgröße X: 'Anzahl der 6er' sind folgende Werte möglich:

Zufallsgröße XX = 0X = 1X = 2X = 3
zugehörige
Ergebnisse
0 → 0 → 00 → 0 → 1
0 → 1 → 0
1 → 0 → 0
0 → 1 → 1
1 → 0 → 1
1 → 1 → 0
1 → 1 → 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 = 1X = 2X = 3
zugehörige
Wahrscheinlichkeit P(X)
5 6 5 6 5 6 5 6 5 6 1 6
+ 5 6 1 6 5 6
+ 1 6 5 6 5 6
5 6 1 6 1 6
+ 1 6 5 6 1 6
+ 1 6 1 6 5 6
1 6 1 6 1 6
  = 125 216 25 216 + 25 216 + 25 216 5 216 + 5 216 + 5 216 1 216



Hiermit ergibt sich die gesuchte Wahrscheinlichkeitsverteilung für die Zufallsgröße X:

Zufallsgröße X0123
P(X=k) 125 216 25 72 5 72 1 216

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

Beispiel:

In einer Urne sind sechs Kugeln, die mit der Zahl 4 beschriftet sind und zwei Kugeln, die mit der Zahl 6 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 = 16X = 24X = 36
zugehörige
Ergebnisse
4 → 44 → 6
6 → 4
6 → 6
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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 = 16X = 24X = 36
zugehörige
Wahrscheinlichkeit P(X)
3 4 5 7 3 4 2 7
+ 1 4 6 7
1 4 1 7
  = 15 28 3 14 + 3 14 1 28



Hiermit ergibt sich die gesuchte Wahrscheinlichkeitsverteilung für die Zufallsgröße X:

Zufallsgröße X162436
P(X=k) 15 28 3 7 1 28

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 3 Jungs darauf, dass unbedingt immer eine Hausaufgabe eines der 18 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 3 Hausaufgaben vom Typ 'Jungs' vorhanden sind, muss spätestens im 4-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 4 annehmen.

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

Zufallsgröße X1234
P(X=k) 6 7 9 70 9 665 1 1330

Zufallsgröße rückwärts

Beispiel:

In einer Urne sind 20 Kugeln, die mit verschiedenen Zahlen beschriftet sind. Dabei gibt es nur die Zahlen 2, 4 und 9 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 X4816183681
P(X=k) 81 400 ???? 9 400

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Für X=4 gibt es nur das Ereignis: '2'-'2', also dass zwei mal hintereinander '2' kommt.

Wenn p1 die Wahrscheinlichkeit von '2' ist, dann muss also für die Wahrscheinlichkeit, dass zwei mal hintereinander '2' kommt, gelten: P(X=4) = p1 ⋅ p1 (siehe Baumdiagramm).

Aus der Tabelle können wir aber P(X=4) = 81 400 heraus lesen, also muss gelten:

p1 ⋅ p1 = (p1)2 = 81 400 und somit p1 = 9 20 .

Ebenso gibt es für X=81 nur das Ereignis: '9'-'9', also dass zwei mal hintereinander '9' kommt.

Wenn p3 die Wahrscheinlichkeit von '9' ist, dann muss also für die Wahrscheinlichkeit, dass zwei mal hintereinander '9' kommt, gelten: P(X=81) = p3 ⋅ p3 (siehe Baumdiagramm).

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Aus der Tabelle können wir aber P(X=81) = 9 400 heraus lesen, also muss gelten:

p3 ⋅ p3 = (p3)2 = 9 400 und somit p3 = 3 20 .

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

p2 = 1 - p1 - p3 = 1 - 9 20 - 3 20 = 20 20 - 9 20 - 3 20 = 8 20 = 2 5

Um nun noch die jeweilige Anzahl der Kugeln mit gleicher Zahl zu ermittlen, müssen wir einfach die Wahrscheinlichkeit mit 20 multiplizieren, weil ja für die Wahrscheinlichkeit für eine der n Kugeln mit einer bestimmten Zahl gilt: p = n 20

Somit erhalten wir:

n2 = 9 20 ⋅ 20 = 9

n4 = 2 5 ⋅ 20 = 8

n9 = 3 20 ⋅ 20 = 3

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 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 18 24
P(X=xi) 1 2 1 6 1 6 1 6
xi ⋅ P(X=xi) 3 2 3 4

Der Erwartungswert verechnet sich aus der Summe der einzelnen Produkte:

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

= 3+ 2+ 3+ 4
= 12

Einsatz für faires Spiel bestimmen

Beispiel:

Ein Spieler darf aus einer Urne mit 4 blauen, 4 roten, 10 grünen und 6 weißen Kugeln eine Kugel ziehen. Erwischt er eine blaue, so erhält er 30€. Bei rot erhält er 60€ und bei grün erhält er 12€. Welchen Betrag muss er bei weiß erhalten damit das Spiel fair ist, wenn der Einsatz 26€ 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 30 60 12 x
Zufallsgröße yi (Gewinn) 4 34 -14 x-26
P(X=xi) 4 24 4 24 10 24 6 24
xi ⋅ P(X=xi) 5 10 5 6 24 ⋅ x
yi ⋅ P(Y=yi) 2 3 17 3 - 35 6 6 24 ⋅(x-26)

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) = 26

4 24 · 30 + 4 24 · 60 + 10 24 · 12 + 6 24 x = 26

5 +10 +5 + 6 24 x = 26

5 +10 +5 + 1 4 x = 26
1 4 x +20 = 26 |⋅ 4
4( 1 4 x +20 ) = 104
x +80 = 104 | -80
x = 24

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

E(Y) = 0

4 24 · 4 + 4 24 · 34 + 10 24 · ( -14 ) + 6 24 ( x -26 ) = 0

2 3 + 17 3 - 35 6 + 1 4 · x + 1 4 · ( -26 ) = 0

2 3 + 17 3 - 35 6 + 1 4 · x + 1 4 · ( -26 ) = 0
2 3 + 17 3 - 35 6 + 1 4 x - 13 2 = 0
1 4 x -6 = 0 |⋅ 4
4( 1 4 x -6 ) = 0
x -24 = 0 | +24
x = 24

In beiden Fällen ist also der gesuchte Betrag: 24

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 8€ betragen• Der minimale Auszahlungsbetrag soll 6€ sein• Der maximale Auszahlungsbetrag soll soll 32€ 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) 6 32
Y Gewinn (Ausz. - Einsatz) -2 24
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) 6 32
Y Gewinn (Ausz. - Einsatz) -2 24
P(X) = P(Y) 1 2 1 24
Y ⋅ P(Y) -1 1

Die bisherigen Optionen vereinen eine Wahrscheinlichkeit von 1 2 + 1 24 = 13 24
Als Restwahrscheinlichkeit für die verbleibenden Beträge bleibt nun also 1- 13 24 = 11 24 .
Diese wird auf die beiden verbleibenden Optionen verteilt:

  Feld1 Feld2 Feld3 Feld4
X (z.B. Auszahlung) 6 32
Y Gewinn (Ausz. - Einsatz) -2 24
P(X) = P(Y) 1 2 11 48 11 48 1 24
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) 6 7 9 32
Y Gewinn (Ausz. - Einsatz) -2 -1 1 24
P(X) = P(Y) 1 2 11 48 11 48 1 24
Winkel 180° 82.5° 82.5° 15°
Y ⋅ P(Y) -1 - 11 48 11 48 1

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

E(Y)= -2⋅ 1 2 + -1⋅ 11 48 + 1⋅ 11 48 + 24⋅ 1 24

= -1 - 11 48 + 11 48 + 1
= - 48 48 - 11 48 + 11 48 + 48 48
= 0 48
= 0

Erwartungswerte bei 'Ziehen bis erstmals ...'

Beispiel:

Aus einem Kartenstapel mit 12 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: 6 7

Die Wahrscheinlichkeit für ein 'Herz' im 2-ten Versuch st: 12 91

Die Wahrscheinlichkeit für ein 'Herz' im 3-ten Versuch st: 1 91

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) 6 7 12 91 1 91
xi ⋅ P(X=xi) 6 7 24 91 3 91

Der Erwartungswert verechnet sich aus der Summe der einzelnen Produkte:

E(X)= 1⋅ 6 7 + 2⋅ 12 91 + 3⋅ 1 91

= 6 7 + 24 91 + 3 91
= 78 91 + 24 91 + 3 91
= 105 91
= 15 13

1.15

Erwartungswerte mit gesuchten Anzahlen im WS-Baum

Beispiel:

Ein Spieler darf aus einer Urne mit 3 blauen und 7 roten Kugeln 3 Kugeln ohne zurücklegen ziehen. Zieht er dabei 3 blaue Kugeln, so erhält er 147€, bei 2 blauen bekommt er noch 21€, 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 1 120
blau -> blau -> rot 7 120
blau -> rot -> blau 7 120
blau -> rot -> rot 7 40
rot -> blau -> blau 7 120
rot -> blau -> rot 7 40
rot -> rot -> blau 7 40
rot -> rot -> rot 7 24

Die Wahrscheinlichkeit für 0 mal 'blau' ist: 7 24

Die Wahrscheinlichkeit für 1 mal 'blau' ist: 7 40 + 7 40 + 7 40 = 21 40

Die Wahrscheinlichkeit für 2 mal 'blau' ist: 7 120 + 7 120 + 7 120 = 7 40

Die Wahrscheinlichkeit für 3 mal 'blau' ist: 1 120

Die Zufallsgröße X beschreibt den ausbezahlten Euro-Betrag.

Erwartungswert der Zufallsgröße X

Ereignis 0 1 2 3
Zufallsgröße xi 0 8 21 147
P(X=xi) 7 24 21 40 7 40 1 120
xi ⋅ P(X=xi) 0 21 5 147 40 49 40

Der Erwartungswert verechnet sich aus der Summe der einzelnen Produkte:

E(X)= 0⋅ 7 24 + 8⋅ 21 40 + 21⋅ 7 40 + 147⋅ 1 120

= 0+ 21 5 + 147 40 + 49 40
= 0 40 + 168 40 + 147 40 + 49 40
= 364 40
= 91 10

9.1

Erwartungswerte mit best. Optionen im WS-Baum

Beispiel:

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(Alle Sektoren sind Vielfache
von Achtels-Kreisen)

Zwei Glücksräder wie rechts in der Abbildung werden gleichzeitig gedreht. Erscheinen zwei Kronen, so erhält man 40€. Bei einer Krone erhält man immer hin noch 8€. Erscheinen zwei gleiche Dinge (außer Kronen), so erhält man 1€. In allen anderen Fällen geht man leer aus. Mit wie viel Euro kann man bei einem Spiel durchschnittlich rechnen?
(Denk daran, den Bruch vollständig zu kürzen!)

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Wahrscheinlichkeiten für die verschiedenen Ausgänge

EreignisP
Blume -> Blume 9 64
Blume -> Raute 3 32
Blume -> Stein 3 32
Blume -> Krone 3 64
Raute -> Blume 3 32
Raute -> Raute 1 16
Raute -> Stein 1 16
Raute -> Krone 1 32
Stein -> Blume 3 32
Stein -> Raute 1 16
Stein -> Stein 1 16
Stein -> Krone 1 32
Krone -> Blume 3 64
Krone -> Raute 1 32
Krone -> Stein 1 32
Krone -> Krone 1 64

Die Wahrscheinlichkeit für '2 gleiche' ist:

P('Blume'-'Blume') + P('Raute'-'Raute') + P('Stein'-'Stein')
= 9 64 + 1 16 + 1 16 = 17 64

Die Wahrscheinlichkeit für '1 Krone' ist:

P('Blume'-'Krone') + P('Raute'-'Krone') + P('Stein'-'Krone') + P('Krone'-'Blume') + P('Krone'-'Raute') + P('Krone'-'Stein')
= 3 64 + 1 32 + 1 32 + 3 64 + 1 32 + 1 32 = 7 32

Die Wahrscheinlichkeit für '2 Kronen' ist:

P('Krone'-'Krone')
= 1 64

Die Zufallsgröße X beschreibt den ausbezahlten Gewinn bei einem Spiel.

Erwartungswert der Zufallsgröße X

Ereignis 2 gleiche 1 Krone 2 Kronen
Zufallsgröße xi 1 8 40
P(X=xi) 17 64 7 32 1 64
xi ⋅ P(X=xi) 17 64 7 4 5 8

Der Erwartungswert verechnet sich aus der Summe der einzelnen Produkte:

E(X)= 1⋅ 17 64 + 8⋅ 7 32 + 40⋅ 1 64

= 17 64 + 7 4 + 5 8
= 17 64 + 112 64 + 40 64
= 169 64

2.64