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 das Produkt 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: 'Produkt der beiden Glücksräder' sind folgende Werte möglich:

Zufallsgröße X123469
zugehörige
Ereignisse
1 - 11 - 2
2 - 1
1 - 3
3 - 1
2 - 22 - 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 dabei die Summe der Augenzahlen der beiden Würfe. Stelle eine Wahrscheinlichkeitsverteilung für die Zufallsgröße X auf.

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

Zufallsgröße XX = 2X = 3X = 4X = 6X = 7X = 10
zugehörige
Ergebnisse
1 → 11 → 2
2 → 1
2 → 21 → 5
5 → 1
2 → 5
5 → 2
5 → 5
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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 = 2X = 3X = 4X = 6X = 7X = 10
zugehörige
Wahrscheinlichkeit P(X)
1 3 1 3 1 3 1 2
+ 1 2 1 3
1 2 1 2 1 3 1 6
+ 1 6 1 3
1 2 1 6
+ 1 6 1 2
1 6 1 6
  = 1 9 1 6 + 1 6 1 4 1 18 + 1 18 1 12 + 1 12 1 36



Hiermit ergibt sich die gesuchte Wahrscheinlichkeitsverteilung für die Zufallsgröße X:

Zufallsgröße X2346710
P(X=k) 1 9 1 3 1 4 1 9 1 6 1 36

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 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 = 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 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 X253036
P(X=k) 1 15 8 15 2 5

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

Beispiel:

In einer Urne sind 2 rote und 2 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 2 Kugeln vom Typ 'blau' vorhanden sind, muss spätestens im 3-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 3 annehmen.

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

Zufallsgröße X123
P(X=k) 1 2 1 3 1 6

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) 49 144 ???? 49 324

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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) = 49 144 heraus lesen, also muss gelten:

p1 ⋅ p1 = (p1)2 = 49 144 und somit p1 = 7 12 .

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) = 49 324 heraus lesen, also muss gelten:

p3 ⋅ p3 = (p3)2 = 49 324 und somit p3 = 7 18 .

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

p2 = 1 - p1 - p3 = 1 - 7 12 - 7 18 = 36 36 - 21 36 - 14 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 = 7 12 ⋅ 360° = 210°

α2 = 1 36 ⋅ 360° = 10°

α3 = 7 18 ⋅ 360° = 140°

Erwartungswerte

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 25€. Bei rot erhält er 12€, bei grün erhält er 15€ und bei weiß erhält er 30€. 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 25 12 15 30
P(X=xi) 6 30 10 30 8 30 6 30
xi ⋅ P(X=xi) 5 4 4 6

Der Erwartungswert verechnet sich aus der Summe der einzelnen Produkte:

E(X)= 25⋅ 6 30 + 12⋅ 10 30 + 15⋅ 8 30 + 30⋅ 6 30

= 5+ 4+ 4+ 6
= 19

Faires Spiel - fehlende Auszahlung best.

Beispiel:

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(Alle Sektoren sind Vielfache
von Achtels-Kreisen)

Bei einem Glücksrad wie rechts abgebildet soll das noch fehlende Feld mit einem Betrag so bestückt werden, dass das Spiel bei einem Einsatz von 11,75€ fair ist.

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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 8 16 ?
Zufallsgröße xi 2 8 16 x
Zufallsgröße yi (Gewinn) -9.75 -3.75 4.25 x-11.75
P(X=xi) 3 8 2 8 2 8 1 8
xi ⋅ P(X=xi) 3 4 2 4 1 8 ⋅ x
yi ⋅ P(Y=yi) - 29.25 8 - 7.5 8 8.5 8 1 8 ⋅(x-11.75)

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) = 11.75

3 8 · 2 + 2 8 · 8 + 2 8 · 16 + 1 8 x = 11.75

3 4 +2 +4 + 1 8 x = 11.75

3 4 +2 +4 + 1 8 x = 11,75
1 8 x + 27 4 = 11,75 |⋅ 8
8( 1 8 x + 27 4 ) = 94
x +54 = 94 | -54
x = 40

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

E(Y) = 0

3 8 · ( -9,75 ) + 2 8 · ( -3,75 ) + 2 8 · 4,25 + 1 8 ( x -11,75 ) = 0

- 29,25 8 - 3,75 4 + 4,25 4 + 1 8 · x + 1 8 · ( -11,75 ) = 0

- 29,25 8 - 3,75 4 + 4,25 4 + 1 8 · x + 1 8 · ( -11,75 ) = 0
-3,65625 -0,9375 +1,0625 + 1 8 x -1,46875 = 0
1 8 x -5 = 0 |⋅ 8
8( 1 8 x -5 ) = 0
x -40 = 0 | +40
x = 40

In beiden Fällen ist also der gesuchte Betrag: 40

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 9€ betragen
  • Der minimale Auszahlungsbetrag soll 8€ sein
  • Der maximale Auszahlungsbetrag soll soll 20€ 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) 8 20
Y Gewinn (Ausz. - Einsatz) -1 11
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) 8 20
Y Gewinn (Ausz. - Einsatz) -1 11
P(X) = P(Y) 1 2 1 22
Y ⋅ P(Y) - 1 2 1 2

Die bisherigen Optionen vereinen eine Wahrscheinlichkeit von 1 2 + 1 22 = 6 11
Als Restwahrscheinlichkeit für die verbleibenden Beträge bleibt nun also 1- 6 11 = 5 11 .
Diese wird auf die beiden verbleibenden Optionen verteilt:

  Feld1 Feld2 Feld3 Feld4
X (z.B. Auszahlung) 8 20
Y Gewinn (Ausz. - Einsatz) -1 11
P(X) = P(Y) 1 2 5 22 5 22 1 22
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) 8 8.5 9.5 20
Y Gewinn (Ausz. - Einsatz) -1 -0.5 0.5 11
P(X) = P(Y) 1 2 5 22 5 22 1 22
Winkel 180° 81.82° 81.82° 16.36°
Y ⋅ P(Y) - 1 2 - 5 44 5 44 1 2

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

E(Y)= -1⋅ 1 2 + -0.5⋅ 5 22 + 0.5⋅ 5 22 + 11⋅ 1 22

= - 1 2 - 5 44 + 5 44 + 1 2
= - 22 44 - 5 44 + 5 44 + 22 44
= 0 44
= 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 9 blauen und 3 roten Kugeln 3 Kugeln ohne zurücklegen ziehen. Zieht er dabei 3 blaue Kugeln, so erhält er 16€, bei 2 blauen bekommt er noch 4€, bei einer 2€. 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 21 55
blau -> blau -> rot 9 55
blau -> rot -> blau 9 55
blau -> rot -> rot 9 220
rot -> blau -> blau 9 55
rot -> blau -> rot 9 220
rot -> rot -> blau 9 220
rot -> rot -> rot 1 220

Die Wahrscheinlichkeit für 0 mal 'blau' ist: 1 220

Die Wahrscheinlichkeit für 1 mal 'blau' ist: 9 220 + 9 220 + 9 220 = 27 220

Die Wahrscheinlichkeit für 2 mal 'blau' ist: 9 55 + 9 55 + 9 55 = 27 55

Die Wahrscheinlichkeit für 3 mal 'blau' ist: 21 55

Die Zufallsgröße X beschreibt den ausbezahlten Euro-Betrag.

Erwartungswert der Zufallsgröße X

Ereignis 0 1 2 3
Zufallsgröße xi 0 2 4 16
P(X=xi) 1 220 27 220 27 55 21 55
xi ⋅ P(X=xi) 0 27 110 108 55 336 55

Der Erwartungswert verechnet sich aus der Summe der einzelnen Produkte:

E(X)= 0⋅ 1 220 + 2⋅ 27 220 + 4⋅ 27 55 + 16⋅ 21 55

= 0+ 27 110 + 108 55 + 336 55
= 0 110 + 27 110 + 216 110 + 672 110
= 915 110
= 183 22

8.32

Erwartungswerte mit best. Optionen im WS-Baum

Beispiel:

In einem Stapel Karten mit 3 Asse, 9 Könige, 10 Damen und 3 Buben werden 2 Karten gezogen. Dabei zählen 2 Asse 1000, 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 1 100
As -> König 9 200
As -> Dame 1 20
As -> Bube 3 200
König -> As 9 200
König -> König 3 25
König -> Dame 3 20
König -> Bube 9 200
Dame -> As 1 20
Dame -> König 3 20
Dame -> Dame 3 20
Dame -> Bube 1 20
Bube -> As 3 200
Bube -> König 9 200
Bube -> Dame 1 20
Bube -> Bube 1 100

Die Wahrscheinlichkeit für '2 Asse' ist:

P('As'-'As')
= 1 100

Die Wahrscheinlichkeit für '2 Könige' ist:

P('König'-'König')
= 3 25

Die Wahrscheinlichkeit für '2 Damen' ist:

P('Dame'-'Dame')
= 3 20

Die Wahrscheinlichkeit für '2 Buben' ist:

P('Bube'-'Bube')
= 1 100

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

P('König'-'Dame') + P('Dame'-'König')
= 3 20 + 3 20 = 3 10

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 450 200 60 25
P(X=xi) 1 100 3 25 3 20 1 100 3 10
xi ⋅ P(X=xi) 10 54 30 3 5 15 2

Der Erwartungswert verechnet sich aus der Summe der einzelnen Produkte:

E(X)= 1000⋅ 1 100 + 450⋅ 3 25 + 200⋅ 3 20 + 60⋅ 1 100 + 25⋅ 3 10

= 10+ 54+ 30+ 3 5 + 15 2
= 100 10 + 540 10 + 300 10 + 6 10 + 75 10
= 1021 10

102.1