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Erwartungswerte bei Binomialverteilungen

Beispiel:

Auf einem Jahrmarkt hat man für 6€ 5 Versuche, einen Ball in einen Eimer zu werden. Dabei springt der Ball aber mit einer Wahrscheinlichkeit von 82% wieder raus. Bleibt er aber drin, bekommt man einen Euro. Als Riskovariante kann man das Spiel auch so spielen, dass man bei einem Treffer nichts bekommt, bei zwei jedoch gleich 4€, bei drei Treffern sogar 9€, bei 4 Treffern 16 € und bei 5 Treffern volle 25€. Berechne den Erwartungswert des Gewinns der Risikovariante um diesen mit dem des normalen Spiels zu vergleichen.
(Das Ergebnis bitte auf 2 Stellen runden!)

Lösung einblenden

Zuerst müssen wir die Wahrscheinlichkeiten für die einzelnen 'Trefferzahlen' bestimmen:

Trefferzahl: 0-1

Die Zufallsgröße X gibt die Anzahl der Treffer an. X ist binomialverteilt mit n=5 und p=0.18.

P_{0.18}^{5} (X \leq 1)

=

P_{0.18}^{5} (X = 0)

+

P_{0.18}^{5} (X = 1)

= 0.7776494272 ≈ 0.7776
(TI-Befehl: binomcdf(5,0.18,1))

Trefferzahl: 2

Die Zufallsgröße X gibt die Anzahl der Treffer an. X ist binomialverteilt mit n=5 und p=0.18.

P_{0.18}^{5} (X = 2)

=

(\begin{matrix} 5 \\ 2 \end{matrix}) \cdot {0.18}^{2} \cdot {0.82}^{3}

=0.178643232≈ 0.1786
(TI-Befehl: binompdf(5,0.18,2))

Trefferzahl: 3

Die Zufallsgröße X gibt die Anzahl der Treffer an. X ist binomialverteilt mit n=5 und p=0.18.

P_{0.18}^{5} (X = 3)

=

(\begin{matrix} 5 \\ 3 \end{matrix}) \cdot {0.18}^{3} \cdot {0.82}^{2}

=0.039214368≈ 0.0392
(TI-Befehl: binompdf(5,0.18,3))

Trefferzahl: 4

Die Zufallsgröße X gibt die Anzahl der Treffer an. X ist binomialverteilt mit n=5 und p=0.18.

P_{0.18}^{5} (X = 4)

=

(\begin{matrix} 5 \\ 4 \end{matrix}) \cdot {0.18}^{4} \cdot {0.82}^{1}

=0.004304016≈ 0.0043
(TI-Befehl: binompdf(5,0.18,4))

Trefferzahl: 5

Die Zufallsgröße X gibt die Anzahl der Treffer an. X ist binomialverteilt mit n=5 und p=0.18.

P_{0.18}^{5} (X = 5)

=

(\begin{matrix} 5 \\ 5 \end{matrix}) \cdot {0.18}^{5} \cdot {0.82}^{0}

=0.0001889568≈ 0.0002
(TI-Befehl: binompdf(5,0.18,5))

Erwartungswerte der Zufallsgrößen X und Y

Ereignis	0-1	2	3	4	5
Zufallsgröße x_i	0	4	9	16	25
Zufallsgröße y_i (Gewinn)	-6	-2	3	10	19
P(X=x_i)	0.7776	0.1786	0.0392	0.0043	0.0002
x_i ⋅ P(X=x_i)	$0$	$0,7144$	$0,3528$	$0,0688$	$0,005$
y_i ⋅ P(Y=y_i)	$- 4,6656$	$- 0,3572$	$0,1176$	$0,043$	$0,0038$

Der Erwartungswert verechnet sich aus der Summe der einzelnen Produkte:

E(X)= 0⋅0.7776 + 4⋅0.1786 + 9⋅0.0392 + 16⋅0.0043 + 25⋅0.0002

≈ 1.14

Das ist jetzt allerdings der Erwartungswert der Auszahlung, von dem man noch den Einsatz abziehen muss, so dass sich als Erwartungswert des Gewinns E(x)=1.14 - 6 = -4.86 ergibt.

Oder man rechnet gleich den Erwartungswert der einzelnen Gewinne (X₂) aus:

E(Y)= -6⋅0.7776 + -2⋅0.1786 + 3⋅0.0392 + 10⋅0.0043 + 19⋅0.0002

≈ -4.86

Erwartungswerte mit gesuchten Anzahlen im WS-Baum

Beispiel:

Auf einen Schüleraustausch bewerben sich 12 Mädchen und 8 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

Ereignis	P
Mädchen -> Mädchen -> Mädchen	$\frac{11}{57}$
Mädchen -> Mädchen -> Jungs	$\frac{44}{285}$
Mädchen -> Jungs -> Mädchen	$\frac{44}{285}$
Mädchen -> Jungs -> Jungs	$\frac{28}{285}$
Jungs -> Mädchen -> Mädchen	$\frac{44}{285}$
Jungs -> Mädchen -> Jungs	$\frac{28}{285}$
Jungs -> Jungs -> Mädchen	$\frac{28}{285}$
Jungs -> Jungs -> Jungs	$\frac{14}{285}$

Die Wahrscheinlichkeit für 0 mal 'Mädchen' ist: $\frac{14}{285}$

Die Wahrscheinlichkeit für 1 mal 'Mädchen' ist: $\frac{28}{285}$ + $\frac{28}{285}$ + $\frac{28}{285}$ = $\frac{28}{95}$

Die Wahrscheinlichkeit für 2 mal 'Mädchen' ist: $\frac{44}{285}$ + $\frac{44}{285}$ + $\frac{44}{285}$ = $\frac{44}{95}$

Die Wahrscheinlichkeit für 3 mal 'Mädchen' ist: $\frac{11}{57}$

Die Zufallsgröße X beschreibt die Anzahl an Mädchen unter den drei verlosten Plätzen.

Erwartungswert der Zufallsgröße X

Ereignis	0	1	2	3
Zufallsgröße x_i	0	1	2	3
P(X=x_i)	$\frac{14}{285}$	$\frac{28}{95}$	$\frac{44}{95}$	$\frac{11}{57}$
x_i ⋅ P(X=x_i)	$0$	$\frac{28}{95}$	$\frac{88}{95}$	$\frac{11}{19}$

Der Erwartungswert verechnet sich aus der Summe der einzelnen Produkte:

E(X)= 0⋅ $\frac{14}{285}$ + 1⋅ $\frac{28}{95}$ + 2⋅ $\frac{44}{95}$ + 3⋅ $\frac{11}{57}$

= $0$ $+$ $\frac{28}{95}$ $+$ $\frac{88}{95}$ $+$ $\frac{11}{19}$
= $\frac{0}{95}$ $+$ $\frac{28}{95}$ $+$ $\frac{88}{95}$ $+$ $\frac{55}{95}$
= $\frac{171}{95}$
= $\frac{9}{5}$

≈ 1.8