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Zufallsgröße (ohne Wahrscheinlichkeit)

Beispiel:

Drei normale Würfel werden gleichzeitig geworfen. Die Zufallsgröße X beschreibt die Anzahl der gewürfelten 6er. Gib alle Werte an, die die Zufallsgröße X annehmen kann.

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Für die Zufallsgröße X: 'Anzahl der 6er' sind folgende Werte möglich:

Zufallsgröße X0123
zugehörige
Ereignisse
0 - 0 - 00 - 0 - 1
0 - 1 - 0
1 - 0 - 0
0 - 1 - 1
1 - 0 - 1
1 - 1 - 0
1 - 1 - 1

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 die Differenz zwischen der größeren Augenzahl und der kleineren Augenzahl (bzw. der beiden gleichgroßen Augenzahlen) der beiden Würfe. Stelle eine Wahrscheinlichkeitsverteilung für die Zufallsgröße X auf.

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

Zufallsgröße XX = 0X = 1X = 4X = 5
zugehörige
Ergebnisse
1 → 1
2 → 2
6 → 6
1 → 2
2 → 1
2 → 6
6 → 2
1 → 6
6 → 1
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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 = 0X = 1X = 4X = 5
zugehörige
Wahrscheinlichkeit P(X)
1 6 1 6
+ 1 3 1 3
+ 1 2 1 2
1 6 1 3
+ 1 3 1 6
1 3 1 2
+ 1 2 1 3
1 6 1 2
+ 1 2 1 6
  = 1 36 + 1 9 + 1 4 1 18 + 1 18 1 6 + 1 6 1 12 + 1 12



Hiermit ergibt sich die gesuchte Wahrscheinlichkeitsverteilung für die Zufallsgröße X:

Zufallsgröße X0145
P(X=k) 7 18 1 9 1 3 1 6

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

Beispiel:

In einer Urne sind zwei Kugeln, die mit der Zahl 2 beschriftet sind und zwei 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 = 4X = 18X = 81
zugehörige
Ergebnisse
2 → 22 → 9
9 → 2
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 = 4X = 18X = 81
zugehörige
Wahrscheinlichkeit P(X)
1 2 1 3 1 2 2 3
+ 1 2 2 3
1 2 1 3
  = 1 6 1 3 + 1 3 1 6



Hiermit ergibt sich die gesuchte Wahrscheinlichkeitsverteilung für die Zufallsgröße X:

Zufallsgröße X41881
P(X=k) 1 6 2 3 1 6

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

Beispiel:

Aus einem Kartenstapel mit 12 Karten der Farbe Herz und 4 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 4 Karten vom Typ 'kein Herz' vorhanden sind, muss spätestens im 5-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 5 annehmen.

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

Zufallsgröße X12345
P(X=k) 3 4 1 5 3 70 3 455 1 1820

Zufallsgröße rückwärts

Beispiel:

In einer Urne sind 20 Kugeln, die mit verschiedenen Zahlen beschriftet sind. Dabei gibt es nur die Zahlen 3, 4 und 8 als Beschriftung. Es werden zwei Kugeln mit Zurücklegen gezogen. Die Zufallsgröße X beschreibt das Produkt der Zahlen der beiden gezogenen Kugeln. Bei der Wahrscheinlichkeitsverteilung von X sind nur der erste und der letzte Wert bekannt (siehe Tabelle). Wie viele Kugeln mit den oben genannten Zahlen als Beschriftung müssen jeweils in der Urne sein?

Zufallsgröße X91216243264
P(X=k) 81 400 ???? 1 25

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Für X=9 gibt es nur das Ereignis: '3'-'3', also dass zwei mal hintereinander '3' kommt.

Wenn p1 die Wahrscheinlichkeit von '3' ist, dann muss also für die Wahrscheinlichkeit, dass zwei mal hintereinander '3' kommt, gelten: P(X=9) = p1 ⋅ p1 (siehe Baumdiagramm).

Aus der Tabelle können wir aber P(X=9) = 81 400 heraus lesen, also muss gelten:

p1 ⋅ p1 = (p1)2 = 81 400 und somit p1 = 9 20 .

Ebenso gibt es für X=64 nur das Ereignis: '8'-'8', also dass zwei mal hintereinander '8' kommt.

Wenn p3 die Wahrscheinlichkeit von '8' ist, dann muss also für die Wahrscheinlichkeit, dass zwei mal hintereinander '8' kommt, gelten: P(X=64) = p3 ⋅ p3 (siehe Baumdiagramm).

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Aus der Tabelle können wir aber P(X=64) = 1 25 heraus lesen, also muss gelten:

p3 ⋅ p3 = (p3)2 = 1 25 und somit p3 = 1 5 .

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

p2 = 1 - p1 - p3 = 1 - 9 20 - 1 5 = 20 20 - 9 20 - 4 20 = 7 20

Um nun noch die jeweilige Anzahl der Kugeln mit gleicher Zahl zu ermittlen, müssen wir einfach die Wahrscheinlichkeit mit 20 multiplizieren, weil ja für die Wahrscheinlichkeit für eine der n Kugeln mit einer bestimmten Zahl gilt: p = n 20

Somit erhalten wir:

n3 = 9 20 ⋅ 20 = 9

n4 = 7 20 ⋅ 20 = 7

n8 = 1 5 ⋅ 20 = 4

Erwartungswerte

Beispiel:

Ein Spieler darf einmal Würfeln. Bei einer 6 bekommt er 12€, bei einer 5 bekommt er 36€, bei einer 4 bekommt er 18€. Würfelt er eine 1, 2 oder 3 so bekommt er 6€. Wie hoch müsste der Einsatz sein, damit das Spiel fair ist?

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Die Zufallsgröße X beschreibt den Auszahlungsbetrag.

Erwartungswert der Zufallsgröße X

Ereignis 1-3 4 5 6
Zufallsgröße xi 6 18 36 12
P(X=xi) 1 2 1 6 1 6 1 6
xi ⋅ P(X=xi) 3 3 6 2

Der Erwartungswert verechnet sich aus der Summe der einzelnen Produkte:

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

= 3+ 3+ 6+ 2
= 14

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 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 4 16 ?
Zufallsgröße xi 2 4 16 x
Zufallsgröße yi (Gewinn) -9.75 -7.75 4.25 x-11.75
P(X=xi) 3 8 2 8 2 8 1 8
xi ⋅ P(X=xi) 3 4 1 4 1 8 ⋅ x
yi ⋅ P(Y=yi) - 29.25 8 - 15.5 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 · 4 + 2 8 · 16 + 1 8 x = 11.75

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

3 4 +1 +4 + 1 8 x = 11,75
1 8 x + 23 4 = 11,75 |⋅ 8
8( 1 8 x + 23 4 ) = 94
x +46 = 94 | -46
x = 48

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

E(Y) = 0

3 8 · ( -9,75 ) + 2 8 · ( -7,75 ) + 2 8 · 4,25 + 1 8 ( x -11,75 ) = 0

- 29,25 8 - 7,75 4 + 4,25 4 + 1 8 · x + 1 8 · ( -11,75 ) = 0

- 29,25 8 - 7,75 4 + 4,25 4 + 1 8 · x + 1 8 · ( -11,75 ) = 0
-3,65625 -1,9375 +1,0625 + 1 8 x -1,46875 = 0
1 8 x -6 = 0 |⋅ 8
8( 1 8 x -6 ) = 0
x -48 = 0 | +48
x = 48

In beiden Fällen ist also der gesuchte Betrag: 48

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 4€ betragen• Der minimale Auszahlungsbetrag soll 2€ sein• Der maximale Auszahlungsbetrag soll soll 7€ 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 7
Y Gewinn (Ausz. - Einsatz) -2 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 7
Y Gewinn (Ausz. - Einsatz) -2 3
P(X) = P(Y) 1 2 1 3
Y ⋅ P(Y) -1 1

Die bisherigen Optionen vereinen eine Wahrscheinlichkeit von 1 2 + 1 3 = 5 6
Als Restwahrscheinlichkeit für die verbleibenden Beträge bleibt nun also 1- 5 6 = 1 6 .
Diese wird auf die beiden verbleibenden Optionen verteilt:

  Feld1 Feld2 Feld3 Feld4
X (z.B. Auszahlung) 2 7
Y Gewinn (Ausz. - Einsatz) -2 3
P(X) = P(Y) 1 2 1 12 1 12 1 3
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) 2 3 5 7
Y Gewinn (Ausz. - Einsatz) -2 -1 1 3
P(X) = P(Y) 1 2 1 12 1 12 1 3
Winkel 180° 30° 30° 120°
Y ⋅ P(Y) -1 - 1 12 1 12 1

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

E(Y)= -2⋅ 1 2 + -1⋅ 1 12 + 1⋅ 1 12 + 3⋅ 1 3

= -1 - 1 12 + 1 12 + 1
= - 12 12 - 1 12 + 1 12 + 12 12
= 0 12
= 0

Erwartungswerte bei 'Ziehen bis erstmals ...'

Beispiel:

Eine Lehrerin sammelt die Hausaufgaben von einigen Schülern ein, um zu kontrollieren, ob diese auch ordentlich gemacht wurden. Aus Zeitgründen möchte sie aber nicht alle, sondern nur ein paar wenige einsammeln, welche durch ein Losverfahren ausgewählt werden. Aus (der unbegründeten) Angst ungerecht behandelt zu werden, bestehen die 3 Jungs darauf, dass unbedingt immer eine Hausaufgabe eines der 24 Mädchen der Klasse eingesammelt wird. Deswegen wird solange gelost, bis das erste Mädchen gezogen wird. Mit wie vielen Hausaufgabenüberprüfungen muss die Lehrerin im Durchschnitt rechnen?
(Denk daran, den Bruch vollständig zu kürzen!)

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Wahrscheinlichkeiten für die verschiedenen Ausgänge

Die Wahrscheinlichkeit für ein 'Mädchen' im 1-ten Versuch st: 8 9

Die Wahrscheinlichkeit für ein 'Mädchen' im 2-ten Versuch st: 4 39

Die Wahrscheinlichkeit für ein 'Mädchen' im 3-ten Versuch st: 8 975

Die Wahrscheinlichkeit für ein 'Mädchen' im 4-ten Versuch st: 1 2925

Die Zufallsgröße X beschreibt Anzahl der eingesammelten Hausaufgaben bis das erste Mädchen gezogen wird.

Erwartungswert der Zufallsgröße X

Ereignis 1 2 3 4
Zufallsgröße xi 1 2 3 4
P(X=xi) 8 9 4 39 8 975 1 2925
xi ⋅ P(X=xi) 8 9 8 39 8 325 4 2925

Der Erwartungswert verechnet sich aus der Summe der einzelnen Produkte:

E(X)= 1⋅ 8 9 + 2⋅ 4 39 + 3⋅ 8 975 + 4⋅ 1 2925

= 8 9 + 8 39 + 8 325 + 4 2925
= 2600 2925 + 600 2925 + 72 2925 + 4 2925
= 3276 2925
= 28 25

1.12

Erwartungswerte mit gesuchten Anzahlen im WS-Baum

Beispiel:

Ein Spieler darf aus einer Urne mit 6 blauen und 4 roten Kugeln 3 Kugeln ohne zurücklegen ziehen. Zieht er dabei 3 blaue Kugeln, so erhält er 64€, bei 2 blauen bekommt er noch 16€, bei einer 8€. 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 6
blau -> blau -> rot 1 6
blau -> rot -> blau 1 6
blau -> rot -> rot 1 10
rot -> blau -> blau 1 6
rot -> blau -> rot 1 10
rot -> rot -> blau 1 10
rot -> rot -> rot 1 30

Die Wahrscheinlichkeit für 0 mal 'blau' ist: 1 30

Die Wahrscheinlichkeit für 1 mal 'blau' ist: 1 10 + 1 10 + 1 10 = 3 10

Die Wahrscheinlichkeit für 2 mal 'blau' ist: 1 6 + 1 6 + 1 6 = 1 2

Die Wahrscheinlichkeit für 3 mal 'blau' ist: 1 6

Die Zufallsgröße X beschreibt den ausbezahlten Euro-Betrag.

Erwartungswert der Zufallsgröße X

Ereignis 0 1 2 3
Zufallsgröße xi 0 8 16 64
P(X=xi) 1 30 3 10 1 2 1 6
xi ⋅ P(X=xi) 0 12 5 8 32 3

Der Erwartungswert verechnet sich aus der Summe der einzelnen Produkte:

E(X)= 0⋅ 1 30 + 8⋅ 3 10 + 16⋅ 1 2 + 64⋅ 1 6

= 0+ 12 5 + 8+ 32 3
= 0 15 + 36 15 + 120 15 + 160 15
= 316 15

21.07

Erwartungswerte mit best. Optionen im WS-Baum

Beispiel:

In einem Stapel Karten mit 9 Asse, 9 Könige, 5 Damen und 7 Buben werden 2 Karten gezogen. Dabei zählen 2 Asse 500, 2 Könige 250, 2 Damen 140 und 2 Buben 70 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 12 145
As -> König 27 290
As -> Dame 3 58
As -> Bube 21 290
König -> As 27 290
König -> König 12 145
König -> Dame 3 58
König -> Bube 21 290
Dame -> As 3 58
Dame -> König 3 58
Dame -> Dame 2 87
Dame -> Bube 7 174
Bube -> As 21 290
Bube -> König 21 290
Bube -> Dame 7 174
Bube -> Bube 7 145

Die Wahrscheinlichkeit für '2 Asse' ist:

P('As'-'As')
= 12 145

Die Wahrscheinlichkeit für '2 Könige' ist:

P('König'-'König')
= 12 145

Die Wahrscheinlichkeit für '2 Damen' ist:

P('Dame'-'Dame')
= 2 87

Die Wahrscheinlichkeit für '2 Buben' ist:

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

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

P('König'-'Dame') + P('Dame'-'König')
= 3 58 + 3 58 = 3 29

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 500 250 140 70 30
P(X=xi) 12 145 12 145 2 87 7 145 3 29
xi ⋅ P(X=xi) 1200 29 600 29 280 87 98 29 90 29

Der Erwartungswert verechnet sich aus der Summe der einzelnen Produkte:

E(X)= 500⋅ 12 145 + 250⋅ 12 145 + 140⋅ 2 87 + 70⋅ 7 145 + 30⋅ 3 29

= 1200 29 + 600 29 + 280 87 + 98 29 + 90 29
= 3600 87 + 1800 87 + 280 87 + 294 87 + 270 87
= 6244 87

71.77