Aufgabenbeispiele von Erwartungswert

Durch Aktualisieren des Browsers (z.B. mit Taste F5) kann man neue Beispielaufgaben sehen


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 Differenz: Zahl des ersten Glücksrads - Zahl des zweiten Glücksrads. Gib alle Werte an, die die Zufallsgröße X annehmen kann.

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Für die Zufallsgröße X: 'Differenz Glücksrad 1 - Glücksrad 2' sind folgende Werte möglich:

Zufallsgröße X-2-1012
zugehörige
Ereignisse
1 - 31 - 2
2 - 3
1 - 1
2 - 2
3 - 3
2 - 1
3 - 2
3 - 1

Zufallsgröße WS-Verteilung

Beispiel:

In einer Urne sind drei Kugeln, die mit der Zahl 1 beschriftet sind und drei 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 = 1X = 6X = 36
zugehörige
Ergebnisse
1 → 11 → 6
6 → 1
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 = 1X = 6X = 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 X1636
P(X=k) 1 4 1 2 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 6 und zwei 8er.Es werden zwei Karten ohne Zurücklegen gezogen. Die Zufallsgröße X beschreibt die Summe der Werte der beiden gezogenen Karten. Stelle eine Wahrscheinlichkeitsverteilung für die Zufallsgröße X auf.

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

Zufallsgröße XX = 4X = 8X = 10X = 12X = 14X = 16
zugehörige
Ergebnisse
2 → 22 → 6
6 → 2
2 → 8
8 → 2
6 → 66 → 8
8 → 6
8 → 8
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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 = 4X = 8X = 10X = 12X = 14X = 16
zugehörige
Wahrscheinlichkeit P(X)
1 2 3 7 1 2 2 7
+ 1 4 4 7
1 2 2 7
+ 1 4 4 7
1 4 1 7 1 4 2 7
+ 1 4 2 7
1 4 1 7
  = 3 14 1 7 + 1 7 1 7 + 1 7 1 28 1 14 + 1 14 1 28



Hiermit ergibt sich die gesuchte Wahrscheinlichkeitsverteilung für die Zufallsgröße X:

Zufallsgröße X4810121416
P(X=k) 3 14 2 7 2 7 1 28 1 7 1 28

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

Beispiel:

Aus einem Kartenstapel mit 8 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) 8 11 12 55 8 165 1 165

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) 529 1296 ??? 1 9

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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) = 529 1296 heraus lesen, also muss gelten:

p1 ⋅ p1 = (p1)2 = 529 1296 und somit p1 = 23 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 9 heraus lesen, also muss gelten:

p3 ⋅ p3 = (p3)2 = 1 9 und somit p3 = 1 3 .

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

p2 = 1 - p1 - p3 = 1 - 23 36 - 1 3 = 36 36 - 23 36 - 12 36 = 1 36

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 = 23 36 ⋅ 360° = 230°

α2 = 1 36 ⋅ 360° = 10°

α3 = 1 3 ⋅ 360° = 120°

Erwartungswerte

Beispiel:

Ein Spieler darf einmal Würfeln. Bei einer 6 bekommt er 36€, 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 (also so, dass der Einsatz gleich dem Erwartungswert der Auszahlung 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 36
P(X=xi) 1 2 1 6 1 6 1 6
xi ⋅ P(X=xi) 2 2 3 6

Der Erwartungswert verechnet sich aus der Summe der einzelnen Produkte:

E(X)= 4⋅ 1 2 + 12⋅ 1 6 + 18⋅ 1 6 + 36⋅ 1 6

= 2+ 2+ 3+ 6
= 13

Wenn der Erwartungswert für die Auszahlung 13€ ist, muss somit auch der Einsatz 13 betragen, damit das Spiel fair ist.

Faires Spiel - fehlende Auszahlung best.

Beispiel:

Ein Spieler darf aus einer Urne mit 6 blauen, 9 roten, 7 grünen und 3 weißen Kugeln eine Kugel ziehen. Erwischt er eine blaue, so erhält er 100€. Bei rot erhält er 25€ und bei grün erhält er 50€. Welchen Betrag muss er bei weiß erhalten damit das Spiel fair ist, wenn der Einsatz 71€ 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 100 25 50 x
Zufallsgröße yi (Gewinn) 29 -46 -21 x-71
P(X=xi) 6 25 9 25 7 25 3 25
xi ⋅ P(X=xi) 24 9 14 3 25 ⋅ x
yi ⋅ P(Y=yi) 174 25 - 414 25 - 147 25 3 25 ⋅(x-71)

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) = 71

6 25 · 100 + 9 25 · 25 + 7 25 · 50 + 3 25 x = 71

24 +9 +14 + 3 25 x = 71

24 +9 +14 + 3 25 x = 71
3 25 x +47 = 71 |⋅ 25
25( 3 25 x +47 ) = 1775
3x +1175 = 1775 | -1175
3x = 600 |:3
x = 200

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

E(Y) = 0

6 25 · 29 + 9 25 · ( -46 ) + 7 25 · ( -21 ) + 3 25 ( x -71 ) = 0

174 25 - 414 25 - 147 25 + 3 25 · x + 3 25 · ( -71 ) = 0

174 25 - 414 25 - 147 25 + 3 25 · x + 3 25 · ( -71 ) = 0
174 25 - 414 25 - 147 25 + 3 25 x - 213 25 = 0
3 25 x -24 = 0 |⋅ 25
25( 3 25 x -24 ) = 0
3x -600 = 0 | +600
3x = 600 |:3
x = 200

In beiden Fällen ist also der gesuchte Betrag: 200

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 10€ betragen
  • Der minimale Auszahlungsbetrag soll 2€ sein
  • Der maximale Auszahlungsbetrag soll soll 35€ sein
  • Es sollen genau 4 Sektoren mit verschiedenen Auszahlungsbeträgen auf dem Glücksrad sein
Finde 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 35
Y Gewinn (Ausz. - Einsatz) -8 25
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 35
Y Gewinn (Ausz. - Einsatz) -8 25
P(X) = P(Y) 1 8 1 25
Y ⋅ P(Y) -1 1

Die bisherigen Optionen vereinen eine Wahrscheinlichkeit von 1 8 + 1 25 = 33 200
Als Restwahrscheinlichkeit für die verbleibenden Beträge bleibt nun also 1- 33 200 = 167 200 .
Diese wird auf die beiden verbleibenden Optionen verteilt:

  Feld1 Feld2 Feld3 Feld4
X (z.B. Auszahlung) 2 35
Y Gewinn (Ausz. - Einsatz) -8 25
P(X) = P(Y) 1 8 167 400 167 400 1 25
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 4) setzt.

  Feld1 Feld2 Feld3 Feld4
X (z.B. Auszahlung) 2 6 14 35
Y Gewinn (Ausz. - Einsatz) -8 -4 4 25
P(X) = P(Y) 1 8 167 400 167 400 1 25
Winkel 45° 150.3° 150.3° 14.4°
Y ⋅ P(Y) -1 - 167 100 167 100 1

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

E(Y)= -8⋅ 1 8 + -4⋅ 167 400 + 4⋅ 167 400 + 25⋅ 1 25

= -1 - 167 100 + 167 100 + 1
= - 100 100 - 167 100 + 167 100 + 100 100
= 0 100
= 0

Erwartungswerte bei 'Ziehen bis erstmals ...'

Beispiel:

In einer Urne sind 2 rote und 3 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: 2 5

Die Wahrscheinlichkeit für ein 'rot' im 2-ten Versuch st: 3 10

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

Die Wahrscheinlichkeit für ein 'rot' im 4-ten Versuch st: 1 10

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

Erwartungswert der Zufallsgröße X

Ereignis 1 2 3 4
Zufallsgröße xi 1 2 3 4
P(X=xi) 2 5 3 10 1 5 1 10
xi ⋅ P(X=xi) 2 5 3 5 3 5 2 5

Der Erwartungswert verechnet sich aus der Summe der einzelnen Produkte:

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

= 2 5 + 3 5 + 3 5 + 2 5
= 10 5
= 2

Erwartungswerte mit gesuchten Anzahlen im WS-Baum

Beispiel:

Auf einen Schüleraustausch bewerben sich 18 Mädchen und 6 Jungs. Weil aber leider weniger Plätze zur Verfügung stehen, muss gelost werden. Bestimme den Erwartungswert (als Bruch oder Dezimalzahl) für die Anzahl an Mädchen bei den ersten 3 verlosten Plätzen.
(Denk daran, den Bruch vollständig zu kürzen!)

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Wahrscheinlichkeiten für die verschiedenen Ausgänge

EreignisP
Mädchen -> Mädchen -> Mädchen 102 253
Mädchen -> Mädchen -> Jungs 153 1012
Mädchen -> Jungs -> Mädchen 153 1012
Mädchen -> Jungs -> Jungs 45 1012
Jungs -> Mädchen -> Mädchen 153 1012
Jungs -> Mädchen -> Jungs 45 1012
Jungs -> Jungs -> Mädchen 45 1012
Jungs -> Jungs -> Jungs 5 506

Die Wahrscheinlichkeit für 0 mal 'Mädchen' ist: 5 506

Die Wahrscheinlichkeit für 1 mal 'Mädchen' ist: 45 1012 + 45 1012 + 45 1012 = 135 1012

Die Wahrscheinlichkeit für 2 mal 'Mädchen' ist: 153 1012 + 153 1012 + 153 1012 = 459 1012

Die Wahrscheinlichkeit für 3 mal 'Mädchen' ist: 102 253

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) 5 506 135 1012 459 1012 102 253
xi ⋅ P(X=xi) 0 135 1012 459 506 306 253

Der Erwartungswert verechnet sich aus der Summe der einzelnen Produkte:

E(X)= 0⋅ 5 506 + 1⋅ 135 1012 + 2⋅ 459 1012 + 3⋅ 102 253

= 0+ 135 1012 + 459 506 + 306 253
= 0 1012 + 135 1012 + 918 1012 + 1224 1012
= 2277 1012
= 9 4

2.25

Erwartungswerte mit best. Optionen im WS-Baum

Beispiel:

In einem Stapel Karten mit 7 Asse, 7 Könige, 10 Damen und 6 Buben werden 2 Karten gezogen. Dabei zählen 2 Asse 1000, 2 Könige 450, 2 Damen 120 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 7 145
As -> König 49 870
As -> Dame 7 87
As -> Bube 7 145
König -> As 49 870
König -> König 7 145
König -> Dame 7 87
König -> Bube 7 145
Dame -> As 7 87
Dame -> König 7 87
Dame -> Dame 3 29
Dame -> Bube 2 29
Bube -> As 7 145
Bube -> König 7 145
Bube -> Dame 2 29
Bube -> Bube 1 29

Die Wahrscheinlichkeit für '2 Asse' ist:

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

Die Wahrscheinlichkeit für '2 Könige' ist:

P('König'-'König')
= 7 145

Die Wahrscheinlichkeit für '2 Damen' ist:

P('Dame'-'Dame')
= 3 29

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 1000 450 120 80 25
P(X=xi) 7 145 7 145 3 29 1 29 14 87
xi ⋅ P(X=xi) 1400 29 630 29 360 29 80 29 350 87

Der Erwartungswert verechnet sich aus der Summe der einzelnen Produkte:

E(X)= 1000⋅ 7 145 + 450⋅ 7 145 + 120⋅ 3 29 + 80⋅ 1 29 + 25⋅ 14 87

= 1400 29 + 630 29 + 360 29 + 80 29 + 350 87
= 7760 87

89.2