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 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 vier Kugeln, die mit der Zahl 2 beschriftet sind, vier Kugeln, die mit der Zahl 6 beschriftet sind und drei Kugeln, die mit der Zahl 9 beschriftet sind. Es werden zwei Kugeln mit Zurücklegen gezogen.Die Zufallsgröße X beschreibt die Differenz zwischen der größeren Zahl und der kleineren Zahl (bzw. der beiden gleichgroßen Zahlen) der beiden gezogenen Kugeln. Stelle eine Wahrscheinlichkeitsverteilung für die Zufallsgröße X auf.

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

Zufallsgröße XX = 0X = 3X = 4X = 7
zugehörige
Ergebnisse
2 → 2
6 → 6
9 → 9
6 → 9
9 → 6
2 → 6
6 → 2
2 → 9
9 → 2
Du hast entweder einen veralteten Browser oder Javascript ausgeschaltet. Deswegen kannst du leider das SchaubBild nicht sehen :(


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 = 3X = 4X = 7
zugehörige
Wahrscheinlichkeit P(X)
4 11 4 11
+ 4 11 4 11
+ 3 11 3 11
4 11 3 11
+ 3 11 4 11
4 11 4 11
+ 4 11 4 11
4 11 3 11
+ 3 11 4 11
  = 16 121 + 16 121 + 9 121 12 121 + 12 121 16 121 + 16 121 12 121 + 12 121



Hiermit ergibt sich die gesuchte Wahrscheinlichkeitsverteilung für die Zufallsgröße X:

Zufallsgröße X0347
P(X=k) 41 121 24 121 32 121 24 121

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

Beispiel:

In einer Urne sind zwei Kugeln, die mit der Zahl 1 beschriftet sind und sechs Kugeln, die mit der Zahl 6 beschriftet sind. Es werden zwei Kugeln ohne Zurücklegen gezogen. Die Zufallsgröße X beschreibt die Summe der Zahlen der beiden gezogenen Kugeln. Stelle eine Wahrscheinlichkeitsverteilung für die Zufallsgröße X auf.

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

Zufallsgröße XX = 2X = 7X = 12
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 = 2X = 7X = 12
zugehörige
Wahrscheinlichkeit P(X)
1 4 1 7 1 4 6 7
+ 3 4 2 7
3 4 5 7
  = 1 28 3 14 + 3 14 15 28



Hiermit ergibt sich die gesuchte Wahrscheinlichkeitsverteilung für die Zufallsgröße X:

Zufallsgröße X2712
P(X=k) 1 28 3 7 15 28

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

Beispiel:

In einer Urne sind 5 rote und 3 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 3 Kugeln vom Typ 'blau' vorhanden sind, muss spätestens im 4-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 4 annehmen.

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

Zufallsgröße X1234
P(X=k) 5 8 15 56 5 56 1 56

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) 25 1296 ???? 121 324

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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) = 25 1296 heraus lesen, also muss gelten:

p1 ⋅ p1 = (p1)2 = 25 1296 und somit p1 = 5 36 .

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) = 121 324 heraus lesen, also muss gelten:

p3 ⋅ p3 = (p3)2 = 121 324 und somit p3 = 11 18 .

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

p2 = 1 - p1 - p3 = 1 - 5 36 - 11 18 = 36 36 - 5 36 - 22 36 = 9 36 = 1 4

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 = 5 36 ⋅ 360° = 50°

α2 = 1 4 ⋅ 360° = 90°

α3 = 11 18 ⋅ 360° = 220°

Erwartungswerte

Beispiel:

Bei einer Tombola steht auf jedem zehnten Los 200 Punkte, auf jedem fünften Los 40 Punkte, auf jedem vierten Los 8 Punkte und auf allen anderen 1 Punkt. Wie viele Punkte bringt ein Los durchschnttlich ein?

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Die Zufallsgröße X beschreibt die Anzahl der Punkte auf einem Los.

Erwartungswert der Zufallsgröße X

Ereignis 200 40 8 1
Zufallsgröße xi 200 40 8 1
P(X=xi) 1 10 1 5 1 4 9 20
xi ⋅ P(X=xi) 20 8 2 9 20

Der Erwartungswert verechnet sich aus der Summe der einzelnen Produkte:

E(X)= 200⋅ 1 10 + 40⋅ 1 5 + 8⋅ 1 4 + 1⋅ 9 20

= 20+ 8+ 2+ 9 20
= 609 20

30.45

Einsatz für faires Spiel bestimmen

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 9,75€ 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 4 12 ?
Zufallsgröße xi 2 4 12 x
Zufallsgröße yi (Gewinn) -7.75 -5.75 2.25 x-9.75
P(X=xi) 3 8 2 8 2 8 1 8
xi ⋅ P(X=xi) 3 4 1 3 1 8 ⋅ x
yi ⋅ P(Y=yi) - 23.25 8 - 11.5 8 4.5 8 1 8 ⋅(x-9.75)

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) = 9.75

3 8 · 2 + 2 8 · 4 + 2 8 · 12 + 1 8 x = 9.75

3 4 +1 +3 + 1 8 x = 9.75

3 4 +1 +3 + 1 8 x = 9,75
1 8 x + 19 4 = 9,75 |⋅ 8
8( 1 8 x + 19 4 ) = 78
x +38 = 78 | -38
x = 40

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

E(Y) = 0

3 8 · ( -7,75 ) + 2 8 · ( -5,75 ) + 2 8 · 2,25 + 1 8 ( x -9,75 ) = 0

- 23,25 8 - 5,75 4 + 2,25 4 + 1 8 · x + 1 8 · ( -9,75 ) = 0

- 23,25 8 - 5,75 4 + 2,25 4 + 1 8 · x + 1 8 · ( -9,75 ) = 0
-2,90625 -1,4375 +0,5625 + 1 8 x -1,21875 = 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 3€ betragen• Der minimale Auszahlungsbetrag soll 1€ sein• Der maximale Auszahlungsbetrag soll soll 15€ 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) 1 15
Y Gewinn (Ausz. - Einsatz) -2 12
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) 1 15
Y Gewinn (Ausz. - Einsatz) -2 12
P(X) = P(Y) 1 2 1 12
Y ⋅ P(Y) -1 1

Die bisherigen Optionen vereinen eine Wahrscheinlichkeit von 1 2 + 1 12 = 7 12
Als Restwahrscheinlichkeit für die verbleibenden Beträge bleibt nun also 1- 7 12 = 5 12 .
Diese wird auf die beiden verbleibenden Optionen verteilt:

  Feld1 Feld2 Feld3 Feld4
X (z.B. Auszahlung) 1 15
Y Gewinn (Ausz. - Einsatz) -2 12
P(X) = P(Y) 1 2 5 24 5 24 1 12
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) 1 2 4 15
Y Gewinn (Ausz. - Einsatz) -2 -1 1 12
P(X) = P(Y) 1 2 5 24 5 24 1 12
Winkel 180° 75° 75° 30°
Y ⋅ P(Y) -1 - 5 24 5 24 1

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

E(Y)= -2⋅ 1 2 + -1⋅ 5 24 + 1⋅ 5 24 + 12⋅ 1 12

= -1 - 5 24 + 5 24 + 1
= - 24 24 - 5 24 + 5 24 + 24 24
= 0 24
= 0

Erwartungswerte bei 'Ziehen bis erstmals ...'

Beispiel:

In einer Urne sind 3 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: 1 2

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

Die Wahrscheinlichkeit für ein 'rot' im 3-ten Versuch st: 3 20

Die Wahrscheinlichkeit für ein 'rot' im 4-ten Versuch st: 1 20

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) 1 2 3 10 3 20 1 20
xi ⋅ P(X=xi) 1 2 3 5 9 20 1 5

Der Erwartungswert verechnet sich aus der Summe der einzelnen Produkte:

E(X)= 1⋅ 1 2 + 2⋅ 3 10 + 3⋅ 3 20 + 4⋅ 1 20

= 1 2 + 3 5 + 9 20 + 1 5
= 10 20 + 12 20 + 9 20 + 4 20
= 35 20
= 7 4

1.75

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 32€, bei 2 blauen bekommt er noch 8€, bei einer 4€. 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 4 8 32
P(X=xi) 7 24 21 40 7 40 1 120
xi ⋅ P(X=xi) 0 21 10 7 5 4 15

Der Erwartungswert verechnet sich aus der Summe der einzelnen Produkte:

E(X)= 0⋅ 7 24 + 4⋅ 21 40 + 8⋅ 7 40 + 32⋅ 1 120

= 0+ 21 10 + 7 5 + 4 15
= 0 30 + 63 30 + 42 30 + 8 30
= 113 30

3.77

Erwartungswerte mit best. Optionen im WS-Baum

Beispiel:

In einem Stapel Karten mit 10 Asse, 10 Könige, 8 Damen und 4 Buben werden 2 Karten gezogen. Dabei zählen 2 Asse 500, 2 Könige 250, 2 Damen 220 und 2 Buben 90 Punkte. Außerdem gibt es für ein Paar aus Dame und König 30 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 45 496
As -> König 25 248
As -> Dame 5 62
As -> Bube 5 124
König -> As 25 248
König -> König 45 496
König -> Dame 5 62
König -> Bube 5 124
Dame -> As 5 62
Dame -> König 5 62
Dame -> Dame 7 124
Dame -> Bube 1 31
Bube -> As 5 124
Bube -> König 5 124
Bube -> Dame 1 31
Bube -> Bube 3 248

Die Wahrscheinlichkeit für '2 Asse' ist:

P('As'-'As')
= 45 496

Die Wahrscheinlichkeit für '2 Könige' ist:

P('König'-'König')
= 45 496

Die Wahrscheinlichkeit für '2 Damen' ist:

P('Dame'-'Dame')
= 7 124

Die Wahrscheinlichkeit für '2 Buben' ist:

P('Bube'-'Bube')
= 3 248

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

P('König'-'Dame') + P('Dame'-'König')
= 5 62 + 5 62 = 5 31

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 500 250 220 90 30
P(X=xi) 45 496 45 496 7 124 3 248 5 31
xi ⋅ P(X=xi) 5625 124 5625 248 385 31 135 124 150 31

Der Erwartungswert verechnet sich aus der Summe der einzelnen Produkte:

E(X)= 500⋅ 45 496 + 250⋅ 45 496 + 220⋅ 7 124 + 90⋅ 3 248 + 30⋅ 5 31

= 5625 124 + 5625 248 + 385 31 + 135 124 + 150 31
= 11250 248 + 5625 248 + 3080 248 + 270 248 + 1200 248
= 21425 248

86.39