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Zufallsgröße (ohne Wahrscheinlichkeit)

Beispiel:

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(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:

In einer Urne sind fünf Kugeln, die mit der Zahl 5 beschriftet sind und fünf Kugeln, die mit der Zahl 6 beschriftet sind. Es werden zwei Kugeln mit 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 = 25X = 30X = 36
zugehörige
Ergebnisse
5 → 55 → 6
6 → 5
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 = 25X = 30X = 36
zugehörige
Wahrscheinlichkeit P(X)
1 2 1 2 1 2 1 2
+ 1 2 1 2
1 2 1 2
  = 1 4 1 4 + 1 4 1 4



Hiermit ergibt sich die gesuchte Wahrscheinlichkeitsverteilung für die Zufallsgröße X:

Zufallsgröße X253036
P(X=k) 1 4 1 2 1 4

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

Beispiel:

In einer Urne sind zwei Kugeln, die mit der Zahl 5 beschriftet sind und vier 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 = 25X = 45X = 81
zugehörige
Ergebnisse
5 → 55 → 9
9 → 5
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 = 25X = 45X = 81
zugehörige
Wahrscheinlichkeit P(X)
1 3 1 5 1 3 4 5
+ 2 3 2 5
2 3 3 5
  = 1 15 4 15 + 4 15 2 5



Hiermit ergibt sich die gesuchte Wahrscheinlichkeitsverteilung für die Zufallsgröße X:

Zufallsgröße X254581
P(X=k) 1 15 8 15 2 5

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

Beispiel:

In einer Urne sind 4 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) 1 2 2 7 1 7 2 35 1 70

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) 16 81 ???? 4 81

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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) = 16 81 heraus lesen, also muss gelten:

p1 ⋅ p1 = (p1)2 = 16 81 und somit p1 = 4 9 .

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) = 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 - 4 9 - 2 9 = 9 9 - 4 9 - 2 9 = 3 9 = 1 3

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 = 4 9 ⋅ 360° = 160°

α2 = 1 3 ⋅ 360° = 120°

α3 = 2 9 ⋅ 360° = 80°

Erwartungswerte

Beispiel:

Ein Spieler darf aus einer Urne mit 7 blauen, 9 roten, 10 grünen und 4 weißen Kugeln eine Kugel ziehen. Erwischt er eine blaue, so erhält er 30€. Bei rot erhält er 10€, bei grün erhält er 12€ und bei weiß erhält er 15€. 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 30 10 12 15
P(X=xi) 7 30 9 30 10 30 4 30
xi ⋅ P(X=xi) 7 3 4 2

Der Erwartungswert verechnet sich aus der Summe der einzelnen Produkte:

E(X)= 30⋅ 7 30 + 10⋅ 9 30 + 12⋅ 10 30 + 15⋅ 4 30

= 7+ 3+ 4+ 2
= 16

Einsatz für faires Spiel bestimmen

Beispiel:

Ein Spieler darf aus einer Urne mit 9 blauen, 8 roten, 5 grünen und 3 weißen Kugeln eine Kugel ziehen. Erwischt er eine blaue, so erhält er 25€. Bei rot erhält er 50€ und bei grün erhält er 30€. Welchen Betrag muss er bei weiß erhalten damit das Spiel fair ist, wenn der Einsatz 43€ 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 25 50 30 x
Zufallsgröße yi (Gewinn) -18 7 -13 x-43
P(X=xi) 9 25 8 25 5 25 3 25
xi ⋅ P(X=xi) 9 16 6 3 25 ⋅ x
yi ⋅ P(Y=yi) - 162 25 56 25 - 13 5 3 25 ⋅(x-43)

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) = 43

9 25 · 25 + 8 25 · 50 + 5 25 · 30 + 3 25 x = 43

9 +16 +6 + 3 25 x = 43

9 +16 +6 + 3 25 x = 43
3 25 x +31 = 43 |⋅ 25
25( 3 25 x +31 ) = 1075
3x +775 = 1075 | -775
3x = 300 |:3
x = 100

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

E(Y) = 0

9 25 · ( -18 ) + 8 25 · 7 + 5 25 · ( -13 ) + 3 25 ( x -43 ) = 0

- 162 25 + 56 25 - 13 5 + 3 25 · x + 3 25 · ( -43 ) = 0

- 162 25 + 56 25 - 13 5 + 3 25 · x + 3 25 · ( -43 ) = 0
- 162 25 + 56 25 - 13 5 + 3 25 x - 129 25 = 0
3 25 x -12 = 0 |⋅ 25
25( 3 25 x -12 ) = 0
3x -300 = 0 | +300
3x = 300 |:3
x = 100

In beiden Fällen ist also der gesuchte Betrag: 100

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 6€ 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 6
Y Gewinn (Ausz. - Einsatz) -1 3
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 6
Y Gewinn (Ausz. - Einsatz) -1 3
P(X) = P(Y) 1 2 1 6
Y ⋅ P(Y) - 1 2 1 2

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 6
Y Gewinn (Ausz. - Einsatz) -1 3
P(X) = P(Y) 1 2 1 6 1 6 1 6
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 6
Y Gewinn (Ausz. - Einsatz) -1 -0.5 0.5 3
P(X) = P(Y) 1 2 1 6 1 6 1 6
Winkel 180° 60° 60° 60°
Y ⋅ P(Y) - 1 2 - 1 12 1 12 1 2

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

E(Y)= -1⋅ 1 2 + -0.5⋅ 1 6 + 0.5⋅ 1 6 + 3⋅ 1 6

= - 1 2 - 1 12 + 1 12 + 1 2
= - 6 12 - 1 12 + 1 12 + 6 12
= 0 12
= 0

Erwartungswerte bei '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. 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 8

Die Wahrscheinlichkeit für ein 'Herz' im 2-ten Versuch st: 15 56

Die Wahrscheinlichkeit für ein 'Herz' im 3-ten Versuch st: 5 56

Die Wahrscheinlichkeit für ein 'Herz' im 4-ten Versuch st: 1 56

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

Erwartungswert der Zufallsgröße X

Ereignis 1 2 3 4
Zufallsgröße xi 1 2 3 4
P(X=xi) 5 8 15 56 5 56 1 56
xi ⋅ P(X=xi) 5 8 15 28 15 56 1 14

Der Erwartungswert verechnet sich aus der Summe der einzelnen Produkte:

E(X)= 1⋅ 5 8 + 2⋅ 15 56 + 3⋅ 5 56 + 4⋅ 1 56

= 5 8 + 15 28 + 15 56 + 1 14
= 35 56 + 30 56 + 15 56 + 4 56
= 84 56
= 3 2

1.5

Erwartungswerte mit gesuchten Anzahlen im WS-Baum

Beispiel:

In einem Kartenstapel befinden sich 4 Asse und 10 weitere Karten. Nachdem diese gut gemischt wurden, darf ein Spieler 3 Karten ziehen. Für jedes As, das unter den drei Karten ist, erhält er dabei 10€. Mit welchem Gewinn kann er rechnen?
(Denk daran, den Bruch vollständig zu kürzen!)

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Wahrscheinlichkeiten für die verschiedenen Ausgänge

EreignisP
As -> As -> As 1 91
As -> As -> andereKarte 5 91
As -> andereKarte -> As 5 91
As -> andereKarte -> andereKarte 15 91
andereKarte -> As -> As 5 91
andereKarte -> As -> andereKarte 15 91
andereKarte -> andereKarte -> As 15 91
andereKarte -> andereKarte -> andereKarte 30 91

Die Wahrscheinlichkeit für 0 mal 'As' ist: 30 91

Die Wahrscheinlichkeit für 1 mal 'As' ist: 15 91 + 15 91 + 15 91 = 45 91

Die Wahrscheinlichkeit für 2 mal 'As' ist: 5 91 + 5 91 + 5 91 = 15 91

Die Wahrscheinlichkeit für 3 mal 'As' ist: 1 91

Die Zufallsgröße X beschreibt den Gewinn für die 3 gezogenen Karten.

Erwartungswert der Zufallsgröße X

Ereignis 0 1 2 3
Zufallsgröße xi 0 10 20 30
P(X=xi) 30 91 45 91 15 91 1 91
xi ⋅ P(X=xi) 0 450 91 300 91 30 91

Der Erwartungswert verechnet sich aus der Summe der einzelnen Produkte:

E(X)= 0⋅ 30 91 + 10⋅ 45 91 + 20⋅ 15 91 + 30⋅ 1 91

= 0+ 450 91 + 300 91 + 30 91
= 0 91 + 450 91 + 300 91 + 30 91
= 780 91
= 60 7

8.57

Erwartungswerte mit best. Optionen im WS-Baum

Beispiel:

In einem Stapel Karten mit 7 Asse, 10 Könige, 7 Damen und 6 Buben werden 2 Karten gezogen. Dabei zählen 2 Asse 500, 2 Könige 450, 2 Damen 200 und 2 Buben 60 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 49 870
As -> Bube 7 145
König -> As 7 87
König -> König 3 29
König -> Dame 7 87
König -> Bube 2 29
Dame -> As 49 870
Dame -> König 7 87
Dame -> Dame 7 145
Dame -> Bube 7 145
Bube -> As 7 145
Bube -> König 2 29
Bube -> Dame 7 145
Bube -> Bube 1 29

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')
= 7 145

Die Wahrscheinlichkeit für '2 Buben' ist:

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

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

P('König'-'Dame') + P('Dame'-'König')
= 7 87 + 7 87 = 14 87

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 500 450 200 60 25
P(X=xi) 7 145 3 29 7 145 1 29 14 87
xi ⋅ P(X=xi) 700 29 1350 29 280 29 60 29 350 87

Der Erwartungswert verechnet sich aus der Summe der einzelnen Produkte:

E(X)= 500⋅ 7 145 + 450⋅ 3 29 + 200⋅ 7 145 + 60⋅ 1 29 + 25⋅ 14 87

= 700 29 + 1350 29 + 280 29 + 60 29 + 350 87
= 7520 87

86.44