Endrunde beim Doppelscheck Rätsel ist gelöst

Rätsel, die zum Lösen einen größeren Zeitaufwand erfordern, wie z. B. schwierige Physik- und Matherätsel.

Re: Endrunde beim Doppelscheck

Beitragvon Musagetes » Mittwoch 15. Februar 2012, 15:57

Hi Otmar,

auch wenn ich mich auf dem Holzweg befinde, habe ich, da ich in der Eile die falsche Summenformel (Kleiner Gauß) angewandt habe, noch mal gerechnet.

Mehr ->
Wenn man von folgenden einzelnen Erwartungswert ausgeht,

E(B) = 11S1 * 3^(x -1)

lässt sich das in folgender Summenformel ausdrücken.

Summe E(B) = 11S1 * [3^1 + 3^2 + 3^3 + … + 3^(x -1)]

Daraus lässt sich nun folgende Summenformel, die die Summe aus allen einzelnen Erwartungswerten bildet, erarbeiten.

Summe E(B) = 11S1 * [{[3^(x+1) –1]/(3 – 1)} – 3^0] =>
Summe E(B) = 11S1 * {[3^(x+1) – 2*(3^0)–1]/2}
Summe E(B) = 11S1 * [3^(x+1 ) – 3]/2

Genauer genommen müsste man den Erwartungswert bei null Wappenwürfen (x=0) (E(B) = 2S1)noch hinzuzählen.

Summe E(B) = 11S1 * [3^(x+1 ) – 3]/2 + 2S1

Summe E(B) = S1{11 * [3^(x+1 ) – 3]/2 + 2}

Auf die schnelle betrachtet, müssten doch m. E. die Einzelwahrscheinlichkeiten der Erwartungswerte, im Verhältnis der Vervielfachung der Wappenwürfen und der Scheckbeträge, in dem Faktor 11S1 schon gewichtet sein.


Gruß
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Re: Endrunde beim Doppelscheck

Beitragvon Otmar » Mittwoch 15. Februar 2012, 20:25

Hallo Musagetes,

Mehr ->
wenn Pauline, die die Anzahl x der Wappenwürfe kennt, sich fragen würde, wieviel Geld Paul nun bekommt, dann kommt sie auf einen Erwartungswert

E(B|x) = 2 S1 3^x.

Mit S1 = 100 Euro.

Wenn wir uns fragen, wie hoch der Erwartungswert eines Gewinns ist, bevor wir wissen, wieviel Wappenwürfe stattfinden, dann müssen wir E(B|x) mit der Wahrscheinlichkeit von x Wappenwürfen multiplizieren und alles addieren.

E(B) = Summe(p(x) * E(B|x) , x=0...unendlich)

Stimmt deine Formel damit überein?
Liebe Grüße, Otmar.
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Re: Endrunde beim Doppelscheck

Beitragvon Zentimeter » Donnerstag 16. Februar 2012, 13:41

@Zentimeter
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Du stehst eigentlich nur "ein Zehntel" eines Zentimeters, vor der Lösung. Das Stück fehlende Mathematik hatte ich ja schon im letzten Tipp drin. Du musst nur noch die richtige Schlussfolgerung ziehen.


Tja, offenbar gelingt es mir nicht, am richtigen Ende zu ziehen!
Vielleicht kommt irgendwann mal ein Einfall... aber auch wenn ich nicht schreibe, heißt es nicht, dass es mich nicht interessiert. Ich schaue schon immer wieder hier vorbei! :-)
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Re: Endrunde beim Doppelscheck

Beitragvon Musagetes » Donnerstag 16. Februar 2012, 20:50

Hi Otmar,

ich habe das schnell noch mal übersichtlich zusammen gefasst.

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Wenn man nach deinen Vorgaben mit der Bayessche Formel herangeht und für die beiden Scheckbeträge S1 und S2 setzt.

E(B) = p1 * S1 * 3^x + p2 * S2 * 3^(x+1)

Wobei :
p1 = p^8/(p^8+p^9) => p1 = 2/3
p1 = p^8/p^8 (1+p)
p1 = 1/(1+p)

p2 = p^9/(p^8+p^9) => p2 = 1/3
p2 = p^9/ p^9 (1/p+1)
p2 = p/(1+p)


E(B) = p1 * S1 * 3^x + p2 * S2 * 3^(x+1)
E(B) = 3^x (p1 * S1 + p2 * S2 * 3) =>S2=3S1 =>
E(B) = 3^x (p1 * S1 + p2 * 3S1*3)
E(B) = 3^x (p1 * S1 + p2 * 9S1)
E(B) = 3^x * S1 (p1 + 9p2) bei p1 = 2/3 und p2 = 1/3 =>
E(B) = 3^x * S1 (2/3 + 9/3)
E(B) = 3^x * 11/3 S1 => SM = 11/3 S1

E(B) = 11S1 * 3^(x -1)

Demnach müssten doch die Wahrscheinlichkeiten der Wappenwürfe schon integriert sein!?
Dann müsste sich doch die Summe der Einzelerwartungswerte wie folgt ergeben.

Summe E(B) = 11S1 * [3^1 + 3^2 + 3^3 + … + 3^(x -1)]

Daraus folgt.
Summe E(B) = 11S1 * [3^(x+1 ) – 3]/2

Hierzu müsste man dann noch den Erwartungswert bei null Wappenwürfen (x=0)
von (E(B) = 2S1) hinzuzählen.

Summe E(B) = 11S1 * [3^(x+1 ) – 3]/2 + 2S1

Das müsste doch eigentlich passen!?


Im Übrigen heute ist Weiberfasching! ;-)

Gruß
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Re: Endrunde beim Doppelscheck

Beitragvon Otmar » Samstag 18. Februar 2012, 11:59

Zentimeter hat geschrieben:Tja, offenbar gelingt es mir nicht, am richtigen Ende zu ziehen!

:tipp:
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Versuch doch mal das rechte Ende auf dem Zahlenstrahl.


@Musagetes
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Musagetes hat geschrieben:E(B) = 11S1 * 3^(x -1)

Ich schreib nochmal die nötigen Variablen dazu:
S1 = 100 ist der Anfangsbetrag auf dem ersten Scheck
S2 = 3 S1 ist der Anfangsbetrag auf dem zweiten Scheck, der muss 3 mal größer sein, damit Paul ab 300 Euro im roten Umschlag noch zwei Möglichkeiten für den blauen Umschlag hat.

R = S2 * 3^x = S1 * 3^(x+1) ist bei deiner Rechnung der Bertrag im roten Umschlag.

Deine obige Formel gilt dafür, dass im roten Umschlag dieses R war.
E(B|R) = 11/9 R wobei R = 300, 900, 2700, ... sein darf. Der Fall R = 100 ist ja etwas anders.

Wenn du mit den E(B|R) Werten der Erwartungswert E(B) ohne Bedingung eines Wertes im roten Umschlag ausrechnen willst, müsstest du

E(B) = 300 * P(R=100) + sum(x=1 bis unendlich, E(B|R) P(R = 100*3^x))

ausrechnen. Dabei ist der Sonderfall R=100 ganz vorn. E(B) wäre dann der Erwartugnswert für den blauen Umschlag, den Paul vor dem Öffnen des roten Umschlags hat.


:tipp:
Mehr ->
Sollte bei der Berechnung eine Summenformel eine unendlichen Reihe auftreten, dann muss man prüfen, unter welchen Bedingungen diese verwendet werden darf. Eigentlich kann man sich das aber ohne Formelsammlung sehr schnell selbst überlegen.
Liebe Grüße, Otmar.
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Re: Endrunde beim Doppelscheck

Beitragvon Zentimeter » Freitag 24. Februar 2012, 20:26

Ich kopiere mir deinen Tipp mal rein:

Falls wir zwei Summen mit der gleichen endlichen Anzahl von nummerierten Summanden hätten, und jeder Summand der ersten Summe kleiner ist, als der Summand mit gleicher Nummer aus der zweiten Summe, dann ist die erste Summe kleiner.

Das gleich gilt, wenn die Anzahl der Summanden unendlich ist, und die erste Summe existiert, also gegen einen bestimmten Wert konvergiert.
Z.B.

1/2 + 1/4 + 1/8 + 1/16 + ... = 1
1,22/2 + 1,22/4 + 1,22/8 + 1,22/16 + ... = 1,22


Ja, kann ich noch nachvollziehen! :-)

In so einem Fall hätten wir einen Widerspruch.


Wo? In der Formel oder in unserem konkreten Fall?

Es gibt aber bei unendlich vielen Summanden noch einen Sonderfall. Die kleinere Summe muss nicht konvergieren. D.h. sie könnte unendlich sein:

Z.B. 1 + 2 + 3 + 4 + .... = unendlich.

D.h. aber auch, dass keine andere Summe größer sein kann als die kleinere Summe.


Ja, das geht wohl in unsere Richtung, die Summanden werden trotz der geringeren Chance immer größer.
Was meinst du mit: keine andere Summe kann größer sein als die kleinere Summe? Es würden doch dann beide Summen, sowohl die mit den kleineren als auch die mit den größeren Summanden gegen Unendlich gehen?

Mir geht es bei der Aufgabe so, auf der einen Seite sehe ich den Umschläge tauschenden Paul vor mir, der dadurch seltsamerweise immer reicher wird, egal was vorher darin war.
Auf der anderen Seite sehe ich mathematische Formeln und Listen, die irgendwie auch richtig zu sein scheinen, ohne dass ich da einen wirklichen Zusammenhang erkenne.
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Re: Endrunde beim Doppelscheck

Beitragvon Otmar » Montag 27. Februar 2012, 20:13

Zentimeter hat geschrieben:Mir geht es bei der Aufgabe so, auf der einen Seite sehe ich den Umschläge tauschenden Paul vor mir, der dadurch seltsamerweise immer reicher wird, egal was vorher darin war.
Auf der anderen Seite sehe ich mathematische Formeln und Listen, die irgendwie auch richtig zu sein scheinen, ohne dass ich da einen wirklichen Zusammenhang erkenne.

Mal sehen, ob ich noch ein paar Zusammenhänge erklären kann, ohne das Rätsel direkt aufzulösen. Vielleicht könnte man sich noch einige Fragen stellen, wie der Gewinn bei einem Szenario aussieht, wenn man sehr viele Shows gedanklich durchspielt und was die Formeln dann bedeuten.

:tipp:
Mehr ->
Zuerst bleiben wir bei Paul. Wir hatten berechnet, dass er durch das Tauschen einen Gewinn erwarten kann. Dieser Gewinn bezog sich auf den Betrag im offenen Umschlag. D.h. wenn wir sehr viele Shows gedanklich durchspielen und nur diejenigen betrachten, bei denen ein bestimmter Betrag (>100 Euro) im offenen Umschlag war, dann wird sich herausstellen, dass für diese Shows Paul durch das Tauschen im Durchschnitt 1,22 mal mehr Geld je Spiel bekommt, als wenn er den Betrag im offenen roten Umschlag genommen hätte. Um diesen Durchschnitt festzustellen, müssen aber gedanklich sehr viele Shows betrachtet werden, in denen der bestimmte Betrag im offenen Umschlag war. Wenn es nur wenige Shows mit dem bestimmten Betrag im roten Umschlag sind, könnte der durchschnittliche Gewinn bei diesem Betrag im roten Umschlag auch ganz anders sein. Natürlich auch ein Verlust.

Jetzt wissen wir aber auch, dass beide Umschläge gleichwertig sind, solange keiner geöffnet wurde. Wir fragten uns, wie hoch der erwartete Gewinn eines Umschlages ist, wenn beide Umschäge geschlossen bleiben. Dafür hatten wir eine Summe mit unendlich vielen Summanden, die natürlich für beide Umschläge gleich ist. Nehmen wir an, dass diese Summe endlich ist. Dann würde sich nach sehr vielen gedanklich durchgespielten Shows ein Durchschnittswert für den Gewinn im roten bzw. blauen Umschlag ergeben, der für beide Umschläge gleich ist.
Dieser durchschnittliche Gewinn müsste sich aber auch ergeben, wenn wir aus Pauls Sicht die Gewinnerwartung für den roten und blauen Umschlag mit den Wahrscheinlichkeiten, des Betrags im roten Umschlag multiplizieren und die Produkte addieren. Das Problem ist, dass Paul ja gedanklich bei sehr vielen Shows im blauen Umschlag im Durchschnitt immer mehr bekam, als im roten drin war. D.h. wenn Paul jetzt seine Summanden zusammenzählt und der erwartete Gewinn endlich wäre, dann würde Paul für den blauen Umschlag einen erwarteten Gewinn über alle Shows haben, der mindestens 1,22 mal größer ist, als wenn er bei jeder Show den roten Umschlag genommen hätte. Das kann aber nicht sein, da für den Fall, dass kein Umschlag offen ist, beide Umschläge bzgl. des erwarteten Gewinns gleichwertig waren, also der erwartete Gewinn eines Umschlags nicht höher sein kann als der erwartete Gewinn des anderen, wenn man alle Shows betrachtet.

Damit, so hoffe ich jedenfalls, sollte die Auflösung des scheinbaren Widerspruchs nicht mehr schwer sein.
Liebe Grüße, Otmar.
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Re: Endrunde beim Doppelscheck

Beitragvon Zentimeter » Dienstag 28. Februar 2012, 23:43

Ich gehe mal wieder ein Stückchen zurück...
irgendwann hatte ich versucht, den Erwartungswert des Spiels überhaupt zu berechnen und ging vom Mittelwert aus.
Jetzt nochmal für beide Scheckbeträge einzeln:

n=0 1/2 * 100 * 1 = 50
n=1 1/4 * 100 * 3 = 75
n = 2 1/8 * 100 * 9 = 112,5
n = 3 1/16 * 100 * 27 = 168,75
.
.
n = 8 1/512 * 100 * 6561 = 1281,45



n=0 1/2 * 300 * 1 = 150
n=1 1/4 * 300 * 3 = 225
n = 2 1/8 * 300 * 9 = 337,5
n = 3 1/16 * 300 * 27 = 506,25
.
.
n = 8 1/512 * 300 * 6561 = 3844,34
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Re: Endrunde beim Doppelscheck

Beitragvon Otmar » Mittwoch 29. Februar 2012, 00:18

@Zentimeter:
Mehr ->
Ja die Formeln sind richtig. Ich gehe nochmal zu deiner Antwort vom 7.2. zurück:

Zentimeter hat geschrieben:1/2 * 200 + 1/4 * 600 + 1/8 * 1800 + 1/16 * 5400 + ... wobei jeder Wert so aussieht: 1/2 hoch (n+1) * 200 * 3 hoch n

Also wäre der gesuchte Betrag:
Summe von n=0 bis unendlich: 1/2 hoch (n+1) * 200 * 3 hoch n

Das passt.

Zentimeter hat geschrieben:Das ist jetzt bissl schwierig mit der Zeichensetzung, auf dem Papier hab ich das in die Summenformel für die unendliche geometrische Reihe eingesetzt und herausbekommen:
600 * (1/(-1/2) - 1) = 600 * 1 = 600.

Da ist ein Fehler passiert, denn die oben stehende richtige Formel kann man umstellen:
Summe von n=0 bis unendlich: 1/2 hoch (n+1) * 200 * 3 hoch n
= 200 * 1/2 * Summe von n=0 bis unendlich: (3/2) hoch n
und da kommt was anderes raus. Insbesondere darf man wegen 3/2 >= 1 die Summenformel der geometrischen Reihe nicht mehr verwenden.

Zentimeter hat geschrieben:Ich hoffe, dass ich beim Heraussuchen der Formeln im Internet keinen Fehler gemacht habe ... aber generell erscheint mir das Ergebnis recht einleuchtend, dass das statistische Spielerpaar mit 600,- nach Hause geht.
Bei solchen Schätzungen liegt man ja gern erstaunlich falsch (sonst gäbs ja auch keine so schönen Paradoxa) aber 200 bekommen die beiden schonmal als Mittelwert des Umschlag; mit einer 50/50 Chance verdreifachen sie ihn in der ersten Runde und da man ihn zwar theoretisch noch nahezu unendlich weiter verdreifachen kann, die Chancen dafür aber nahezu unendlich klein werden hätte ich auch vermutet, dass es in einem Grenzwert in etwa dieser Größenordnung endet.

Wenn das Ergebnis richtig wäre, hätten wir bei dem Spiel kein Paradoxon sondern einen echten Widerspruch.
Liebe Grüße, Otmar.
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Re: Endrunde beim Doppelscheck

Beitragvon Musagetes » Dienstag 27. März 2012, 17:45

Hi Otmar,

bevor sich die schönen Rätsel verselbständigen und sich selbst auflösen, habe ich noch mal etwas nicht vorhandene Zeit investiert.

Sich in dem Wirrwarr an Gleichungen und Formeln in der Faschingszeit zurecht zu finden war schon etwas schwierig. ;-)

Ich habe es nun dennoch versucht mich dem Problem zu nähern.

Mehr ->
Aber erst einmal muss ich die Herleitung meiner Summenformel für die erwarteten Gewinne im blauen Umschlag E(B), auch aus Vereinheitlichungsgründen mit den anderen Summengleichungen korrigieren.
Zudem habe ich diese, wie du auch erkannt hast, nicht mit den Wahrscheinlichkeiten multipliziert.

Noch mal zum Ausgangspunkt.

E(B) = p1 * S1 * 3^x + p2 * S2 * 3^(x+1)
E(B) = 3^x (p1 * S1 + p2 * S2 * 3) ________=> S2=3S1 =>
E(B) = 3^x (p1 * S1 + p2 * 3S1*3)
E(B) = 3^x (p1 * S1 + p2 * 9S1)
E(B) = 3^x * S1 (p1 + 9p2)_________bei p1= 1/(p+1) __ p1 = 2/3 ___ p2 = p/(p+1) ___ p2 = 1/3 =>
E(B) = 3^x * S1 (2/3 + 9/3)
E(B) = 3^x * 11/3 S1

Das Ergebnis E(B) basiert aber nur unter der Kenntnis des im roten Umschlag gefundenen Betrages.

Demzufolge:
E(B) = 11/3S1* 3^x
lässt sich das in folgender Summenformel ausdrücken.
(x=0 bis unendlich) __________p^(x+1)

Summe E(B) = p^1*11/3S1* 3^0 + p^2*11/3S1* 3^1 +….+ p^(x+1)*11/3S1* 3^x =>
Summe E(B) = 11/3S1 * p[(3p)^0 + (3p)^1 + (3p)^2 + (3p)^3 + … + (3p)^x]
Formel.JPG
Formel.JPG (2.3 KiB) 1007-mal betrachtet

Summe E(B) = 11/3S1 * p{[(3p)^(x+1) –1]/(3p – 1)} _____ => bei p=05 =>

Summe E(B) = 11/3S1 * p{[(3p)^(x+1) –1]/(3*0,5 – 1)} =>

Summe E(B) = 11/3S1 * [(3p)^(x+1) –1] => Summe E(B) => unendlich

Wenn man hier die einfachen Reihenkonvergenzkriterien heranzieht, strebt der Term [(3p)^(x+1) –1] in den Grenzwert Unendlich.
Nach einer Fallbewertung für die Konvergenz müsste (3p)< 1 => p<1/3 sein.


Angenommen ein Sender hätte eine unbegrenzte Geldmenge und natürlich auch die Zeit zur Verfügung, dann könnte ich mir vorstellen, dass durch die zusätzliche Information durch den Geldbetrag im roten Umschlag, dieser Widerspruch sich im Unendlichen vereinbaren lässt.
Dies wird wohl auf eine Definitionsargumentation hinauslaufen. Beweisen kann ich es nicht hierzu fehlen mir die mathematischen Grundlagen und die unbegrenzte Zeit.


Demzufolge ist E(R):
E(R) = p2* S1 * 3^(x+1) + p1 * S2 * 3^x
E(R) = 3^x (p2 * S1*3 + p1* S2) ______ => S2=3S1 =>
E(R) = 3^x (p2 * S1*3 + p1 * 3S1)
E(R) = 3^x * 3S1 (p1 + p2) ________ bei p1= 1/(p+1) __ p1 = 2/3 __ p2 = p/(p+1) ___ p2 = 1/3 =>
E(R) = 3^x * 3S1 (2/3 + 1/3) ______ p1+p2=1
E(R) = 3S1* 3^x

Analog zu oben wäre die Summe E(R) in dem roten Umschlag

Summe E(R) = p^1 * 3S1 * 3^0 + p^2 * 3S1* 3^1 +….+ p^(x+1) * 3S1* 3^x =>
Summe E(R) = 3S1* p[(3p)^0 + (3p)^1 + (3p)^2 + (3p)^3 + … + (3p)^x]
Formel.JPG
Formel.JPG (2.3 KiB) 1007-mal betrachtet

Summe E(R) = 3S1 * p{[(3p)^(x+1) –1]/(3p – 1)} ____ => bei p=05 =>
Summe E(R) = 3S1 * p{[(3p)^(x+1) –1]/(3*0,5 – 1)} =>

Summe E(R) = 3S1 * [(3p)^(x+1) –1] =>

Hier gelten auch die gleichen Konvergenz- und Fallkriterien wie oben.

Auch das Ergebnis E(R) basiert nur unter der Kenntnis des im roten Umschlag gefundenen Betrages.

Daraus folgt, der Erwartungswert eines Gewinns ohne das Wissen des roten Umschlages.

Um nun auf den Erwartungswert E(B) eines Gewinns ohne das Wissen des roten Umschlages zu schließen, geht man davon aus, dass in diesem konkreten Fall die Schecks S1 und S2 in den roten und blauen Umschlag normal 50/50 verteilt sind.
x=0...unendlich) _______ bei p(x) _____ p^(x+1)

Demzufolge ist:
E(B)=p*S1* 3^x + p*S2* 3^x =>
E(B)=p * (S1 + S2) * 3^x ______ => S2=3*S1
E(B)= 0,5 (S1 + 3S1) *3^x =>

E(B)= 2S1*3^x

Demnach ist, der Erwartungswert der Gewinne ohne das Wissen des roten Umschlages.

Summe E(B) = p^1 * 2 S1 * 3^0 + p^2 * 2 S1 * 3^1 +….+ p^(x+1) * 2 S1 * 3^x =>
Summe E(B) = 2S1 * p[(3p)^0 + (3p)^1 + (3p)^2 + (3p)^3 + … + (3p)^x]
Formel.JPG
Formel.JPG (2.3 KiB) 1007-mal betrachtet

Summe E(B) = 2S1 * p{[(3p)^(x+1) –1]/(3p – 1)} _____ => bei p=0,5 =>
Summe E(B) = 2S1 * {[(3p)^(x+1) –1]/(3*0,5 – 1)} =>

Summe E(B) = 2S1*[(3p)^(x+1) –1]

Wie auch oben gelten die gleichen Konvergenz- und Fallbetrachtungen.
@Otmar:
Dieser durchschnittliche Gewinn müsste sich aber auch ergeben, wenn wir aus Pauls Sicht die Gewinnerwartung für den roten und blauen Umschlag mit den Wahrscheinlichkeiten, des Betrags im roten Umschlag multiplizieren und die Produkte addieren.


Wenn ich das nun richtig interpretiere, dann wäre demzufolge der durchschnittliche Gewinn aus mehreren Shows. (p=0,5)

Summe E(B|R) = p[p^x * Summe E(R)+ p^x * Summe E(B)]
Summe E(B|R) = p{3S1*p^x *[(3p)^(x+1)–1]+11/3S1*p^x *[(3p)^(x+1)–1]}
Summe E(B|R) = p*p^x * [(3p)^(x+1)–1] (9/3S1 + 11/3S1)

Summe E(B|R) = 20/3 S1 * p*p^x * [(3p)^(x+1)–1]

Unter diesen Gesichtspunkten, konvergiert die Reihe in den Grenzwert Null, da der Term p^x*[(3p)^(x+1) –1] < 1 ist und immer kleiner wird.
Nach einer Fallbewertung für die Konvergenz müsste p<(1/3)^(1/2) sein.



Ich hoffe, dass Ihr meinen Ausführungen folgen konntet und dass mir nun in der Fastenzeit, dass Starkbier meine Sinne nicht allzu sehr getrübt hat.

Gruß
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