28.11 Zmienna losowa. Wartość oczekiwana zmiennej losowej
Kartkówka
Grupa A
Zadanie 1 (2 pkt)
Rzucamy dwiema trójściennymi kostkami do gry (oczkowania od $1$ do $3$). Wyznacz rozkład zmiennej losowej:
a) $Z$ – oznaczającej iloczyn liczb uzyskanych oczek,
b) $W$ – oznaczającej większą z liczb otrzymanych oczek (lub tę samą, jeśli są równe).
a) Rozkład zmiennej losowej $Z$:
$P(Z=1) = \frac{1}{9}$, $P(Z=2) = \frac{2}{9}$, $P(Z=3) = \frac{2}{9}$, $P(Z=4) = \frac{1}{9}$, $P(Z=6) = \frac{2}{9}$, $P(Z=9) = \frac{1}{9}$.
b) Rozkład zmiennej losowej $W$:
$P(W=1) = \frac{1}{9}$, $P(W=2) = \frac{3}{9}$, $P(W=3) = \frac{5}{9}$.
Przestrzeń zdarzeń elementarnych $\Omega$ dla rzutu dwiema trójściennymi kostkami składa się z $9$ par $(x, y)$, gdzie $x, y \in \{1, 2, 3\}$. Każde zdarzenie elementarne ma prawdopodobieństwo $\frac{1}{9}$.
a) Zmienna losowa $Z$ – iloczyn liczb uzyskanych oczek ($Z = x \cdot y$).
Możliwe wartości zmiennej $Z$ to: $\{1, 2, 3, 4, 6, 9\}$.
Obliczamy prawdopodobieństwo dla każdej wartości:
$P(Z=1) = P(\{(1,1)\}) = \frac{1}{9}$
$P(Z=2) = P(\{(1,2), (2,1)\}) = \frac{2}{9}$
$P(Z=3) = P(\{(1,3), (3,1)\}) = \frac{2}{9}$
$P(Z=4) = P(\{(2,2)\}) = \frac{1}{9}$
$P(Z=6) = P(\{(2,3), (3,2)\}) = \frac{2}{9}$
$P(Z=9) = P(\{(3,3)\}) = \frac{1}{9}$
b) Zmienna losowa $W$ – większa z liczb uzyskanych oczek (lub ta sama, jeśli są równe) ($W = \max(x, y)$).
Możliwe wartości zmiennej $W$ to: $\{1, 2, 3\}$.
Obliczamy prawdopodobieństwo dla każdej wartości:
$P(W=1) = P(\{(1,1)\}) = \frac{1}{9}$
$P(W=2) = P(\{(1,2), (2,1), (2,2)\}) = \frac{3}{9}$
$P(W=3) = P(\{(1,3), (3,1), (2,3), (3,2), (3,3)\}) = \frac{5}{9}$
Zadanie 2 (3 pkt)
W urnie znajduje się 5 kul czerwonych, 3 niebieskie i 4 żółte. Losujemy cztery kule. Wyznacz rozkład zmiennej losowej:
a) $X$ – oznaczającej liczbę wylosowanych kul czerwonych,
b) $Y$ – oznaczającej liczbę wylosowanych kul niebieskich.
a) Rozkład zmiennej losowej $X$: $P(X=0) = \frac{7}{99}$, $P(X=1) = \frac{35}{99}$, $P(X=2) = \frac{42}{99}$, $P(X=3) = \frac{14}{99}$, $P(X=4) = \frac{1}{99}$.
b) Rozkład zmiennej losowej $Y$: $P(Y=0) = \frac{14}{55}$, $P(Y=1) = \frac{28}{55}$, $P(Y=2) = \frac{12}{55}$, $P(Y=3) = \frac{1}{55}$.
Łączna liczba kul w urnie to $5+3+4=12$. Losujemy 4 kule. Moc zbioru zdarzeń elementarnych $\Omega$ jest równa liczbie kombinacji 4-elementowych ze zbioru 12-elementowego:\[|\Omega| = \binom{12}{4} = \frac{12!}{4!(12-4)!} = \frac{12 \cdot 11 \cdot 10 \cdot 9}{4 \cdot 3 \cdot 2 \cdot 1} = 495\]a) Rozkład zmiennej losowej $X$ – liczba wylosowanych kul czerwonych.
W urnie jest 5 kul czerwonych i $12-5=7$ kul w innych kolorach. Zmienna losowa $X$ może przyjmować wartości $0, 1, 2, 3, 4$.
Dla $X=0$ (0 czerwonych, 4 inne):\[P(X=0) = \frac{\binom{5}{0} \binom{7}{4}}{\binom{12}{4}} = \frac{1 \cdot 35}{495} = \frac{35}{495} = \frac{7}{99}\]Dla $X=1$ (1 czerwona, 3 inne):\[P(X=1) = \frac{\binom{5}{1} \binom{7}{3}}{\binom{12}{4}} = \frac{5 \cdot 35}{495} = \frac{175}{495} = \frac{35}{99}\]Dla $X=2$ (2 czerwone, 2 inne):\[P(X=2) = \frac{\binom{5}{2} \binom{7}{2}}{\binom{12}{4}} = \frac{10 \cdot 21}{495} = \frac{210}{495} = \frac{14}{33}\]Dla $X=3$ (3 czerwone, 1 inna):\[P(X=3) = \frac{\binom{5}{3} \binom{7}{1}}{\binom{12}{4}} = \frac{10 \cdot 7}{495} = \frac{70}{495} = \frac{14}{99}\]Dla $X=4$ (4 czerwone, 0 innych):\[P(X=4) = \frac{\binom{5}{4} \binom{7}{0}}{\binom{12}{4}} = \frac{5 \cdot 1}{495} = \frac{5}{495} = \frac{1}{99}\]b) Rozkład zmiennej losowej $Y$ – liczba wylosowanych kul niebieskich.
W urnie są 3 kule niebieskie i $12-3=9$ kul w innych kolorach. Zmienna losowa $Y$ może przyjmować wartości $0, 1, 2, 3$.
Dla $Y=0$ (0 niebieskich, 4 inne):\[P(Y=0) = \frac{\binom{3}{0} \binom{9}{4}}{\binom{12}{4}} = \frac{1 \cdot 126}{495} = \frac{126}{495} = \frac{14}{55}\]Dla $Y=1$ (1 niebieska, 3 inne):\[P(Y=1) = \frac{\binom{3}{1} \binom{9}{3}}{\binom{12}{4}} = \frac{3 \cdot 84}{495} = \frac{252}{495} = \frac{28}{55}\]Dla $Y=2$ (2 niebieskie, 2 inne):\[P(Y=2) = \frac{\binom{3}{2} \binom{9}{2}}{\binom{12}{4}} = \frac{3 \cdot 36}{495} = \frac{108}{495} = \frac{12}{55}\]Dla $Y=3$ (3 niebieskie, 1 inna):\[P(Y=3) = \frac{\binom{3}{3} \binom{9}{1}}{\binom{12}{4}} = \frac{1 \cdot 9}{495} = \frac{9}{495} = \frac{1}{55}\]
Zadanie 3 (2 pkt)
W pudełku jest $200$ losów: pięć losów daje wygraną po $100$ zł, dziesięć losów daje wygraną po $20$ zł, a dwa losy powodują, że musimy zapłacić $300$ zł. Pozostałe losy są puste. Wyciągamy losowo jeden los. Zmienna losowa $X$ oznacza uzyskaną wygraną. Znajdź rozkład tej zmiennej losowej i wartość oczekiwaną wygranej.
Rozkład zmiennej losowej $X$ jest następujący: $P(X=100) = 0.025$, $P(X=20) = 0.05$, $P(X=-300) = 0.01$, $P(X=0) = 0.915$. Wartość oczekiwana wygranej wynosi $E(X) = 0.5$ zł.
Zmienna losowa $X$ przyjmuje wartości odpowiadające wygranym: $100$ zł, $20$ zł, $0$ zł oraz $-300$ zł.
Całkowita liczba losów w pudełku to $200$.
Liczba losów dających wygraną $100$ zł: $5$.
Liczba losów dających wygraną $20$ zł: $10$.
Liczba losów powodujących stratę $300$ zł: $2$.
Liczba losów pustych: $200 - 5 - 10 - 2 = 183$.
Obliczamy prawdopodobieństwa dla każdej wartości zmiennej losowej $X$:\[P(X=100) = \frac{5}{200} = 0.025\]\[P(X=20) = \frac{10}{200} = 0.05\]\[P(X=-300) = \frac{2}{200} = 0.01\]\[P(X=0) = \frac{183}{200} = 0.915\]Rozkład zmiennej losowej $X$ można przedstawić w tabeli:
\[
\begin{array}{|c|c|c|c|c|}
\hline
x_i & 100 & 20 & -300 & 0 \\
\hline
p_i = P(X = x_i) & 0.025 & 0.05 & 0.01 & 0.915 \\
\hline
\end{array}
\]Wartość oczekiwana $E(X)$ jest obliczana ze wzoru:\[E(X) = \sum_{i} x_i p_i\]\[E(X) = 100 \cdot 0.025 + 20 \cdot 0.05 + (-300) \cdot 0.01 + 0 \cdot 0.915\]\[E(X) = 2.5 + 1 - 3 + 0\]\[E(X) = 0.5\]Wartość oczekiwana wygranej wynosi $0.5$ zł.
Zadanie 4 (1 pkt)
W urnie znajduje się 20 kul: jedna czerwona, cztery niebieskie, a reszta to kule białe. Za wylosowanie kuli czerwonej otrzymujemy 30 punktów, za niebieską 5 punktów, a za białą 0 punktów. Zmienna losowa $Y$ oznacza liczbę uzyskanych punktów. Znajdź rozkład tej zmiennej losowej i jej wartość oczekiwaną.
Rozkład zmiennej losowej $Y$:
\[
\begin{array}{|c|c|c|c|}
\hline
Y & 0 & 5 & 30 \\
\hline
P(Y) & \frac{3}{4} & \frac{1}{5} & \frac{1}{20} \\
\hline
\end{array}
\]
Wartość oczekiwana: $E(Y) = 2.5$.
Najpierw określamy liczbę kul każdego koloru. Całkowita liczba kul wynosi 20.
Liczba kul czerwonych: $k_C = 1$.
Liczba kul niebieskich: $k_N = 4$.
Liczba kul białych: $k_B = 20 - k_C - k_N = 20 - 1 - 4 = 15$.
Następnie określamy możliwe wartości zmiennej losowej $Y$ (liczba uzyskanych punktów) oraz prawdopodobieństwa ich wystąpienia.
Za wylosowanie kuli białej otrzymujemy 0 punktów:\[P(Y=0) = \frac{\text{liczba kul białych}}{\text{całkowita liczba kul}} = \frac{15}{20} = \frac{3}{4}\]Za wylosowanie kuli niebieskiej otrzymujemy 5 punktów:\[P(Y=5) = \frac{\text{liczba kul niebieskich}}{\text{całkowita liczba kul}} = \frac{4}{20} = \frac{1}{5}\]Za wylosowanie kuli czerwonej otrzymujemy 30 punktów:\[P(Y=30) = \frac{\text{liczba kul czerwonych}}{\text{całkowita liczba kul}} = \frac{1}{20}\]Rozkład zmiennej losowej $Y$ przedstawia się następująco:
$y_i$: 0, 5, 30
$P(Y=y_i)$: $\frac{15}{20}$, $\frac{4}{20}$, $\frac{1}{20}$
Teraz obliczamy wartość oczekiwaną $E[Y]$ korzystając ze wzoru:\[E[Y] = \sum_{i} y_i \cdot P(Y=y_i)\]Podstawiamy wartości:\[E[Y] = \left(0 \cdot \frac{15}{20}\right) + \left(5 \cdot \frac{4}{20}\right) + \left(30 \cdot \frac{1}{20}\right)\]\[E[Y] = 0 + \frac{20}{20} + \frac{30}{20}\]\[E[Y] = 0 + 1 + 1.5\]\[E[Y] = 2.5\]
Zadanie 5 (1 pkt)
W grze losowej jest $50$ losów. Dwa losy dają wygraną $40$ zł, osiem losów daje wygraną $5$ zł, a pozostałe są puste. Wyciągamy losowo jeden los. Zmienna losowa $Z$ oznacza uzyskaną wygraną. Oblicz wartość oczekiwaną wygranej.
Wartość oczekiwana wygranej wynosi $2.4$ zł.
Zidentyfikujmy liczbę losów dla każdej wygranej:
Liczba wszystkich losów: $N = 50$.
Liczba losów z wygraną $40$ zł: $N_{40} = 2$.
Liczba losów z wygraną $5$ zł: $N_5 = 8$.
Liczba losów pustych: $N_0 = N - N_{40} - N_5 = 50 - 2 - 8 = 40$.
Określmy prawdopodobieństwa dla każdej wygranej:
Prawdopodobieństwo wygrania $40$ zł: $P(Z=40) = \frac{N_{40}}{N} = \frac{2}{50} = \frac{1}{25}$.
Prawdopodobieństwo wygrania $5$ zł: $P(Z=5) = \frac{N_5}{N} = \frac{8}{50} = \frac{4}{25}$.
Prawdopodobieństwo wygrania $0$ zł: $P(Z=0) = \frac{N_0}{N} = \frac{40}{50} = \frac{4}{5}$.
Obliczmy wartość oczekiwaną wygranej $E(Z)$ za pomocą wzoru:\[E(Z) = \sum z_i P(Z=z_i)\]\[E(Z) = 40 \cdot P(Z=40) + 5 \cdot P(Z=5) + 0 \cdot P(Z=0)\]\[E(Z) = 40 \cdot \frac{2}{50} + 5 \cdot \frac{8}{50} + 0 \cdot \frac{40}{50}\]\[E(Z) = \frac{80}{50} + \frac{40}{50} + 0\]\[E(Z) = \frac{120}{50}\]\[E(Z) = \frac{12}{5}\]\[E(Z) = 2.4\]
Grupa B
Zadanie 1 (2 pkt)
Rzucamy dwiema czterosciennymi kostkami do gry (oczkowania od $1$ do $4$). Wyznacz rozkład zmiennej losowej:
a) $Z$ – oznaczającej iloczyn liczb uzyskanych oczek,
b) $W$ – oznaczającej większą z liczb otrzymanych oczek (lub tę samą, jeśli są równe).
a) Rozkład zmiennej losowej $Z$:
$P(Z=1) = \frac{1}{16}$, $P(Z=2) = \frac{2}{16}$, $P(Z=3) = \frac{2}{16}$, $P(Z=4) = \frac{3}{16}$, $P(Z=6) = \frac{2}{16}$, $P(Z=8) = \frac{2}{16}$, $P(Z=9) = \frac{1}{16},$ $P(Z=12) = \frac{2}{16}$, $P(Z=16) = \frac{1}{16}$.
b) Rozkład zmiennej losowej $W$:
$P(W=1) = \frac{1}{16}$, $P(W=2) = \frac{3}{16}$, $P(W=3) = \frac{5}{16}$, $P(W=4) = \frac{7}{16}$.
Zadanie 2 (3 pkt)
W koszyku jest 6 jabłek, 5 gruszek i 4 pomarańcze. Wybieramy losowo trzy owoce. Wyznacz rozkład zmiennej losowej:
a) $X$ – oznaczającej liczbę wybranych jabłek,
b) $Y$ – oznaczającej liczbę wybranych pomarańczy.
a) Rozkład zmiennej losowej $X$:
$P(X=0) = \frac{84}{455}$
$P(X=1) = \frac{216}{455}$
$P(X=2) = \frac{135}{455}$
$P(X=3) = \frac{20}{455}$
b) Rozkład zmiennej losowej $Y$:
$P(Y=0) = \frac{165}{455}$
$P(Y=1) = \frac{220}{455}$
$P(Y=2) = \frac{66}{455}$
$P(Y=3) = \frac{4}{455}$
Zadanie 3 (2 pkt)
W pudełku jest $50$ losów: jeden los daje wygraną $150$ zł, trzy losy dają wygraną po $30$ zł, a jeden los powoduje, że musimy zapłacić $100$ zł. Pozostałe losy są puste. Wyciągamy losowo jeden los. Zmienna losowa $X$ oznacza uzyskaną wygraną. Znajdź rozkład tej zmiennej losowej i wartość oczekiwaną wygranej.
Rozkład zmiennej losowej $X$ jest następujący: $P(X=150) = 0.02$, $P(X=30) = 0.06$, $P(X=-100) = 0.02$, $P(X=0) = 0.90$. Wartość oczekiwana wygranej wynosi $E(X) = 2.8$ zł.
Zadanie 4 (1 pkt)
W urnie znajduje się 25 kul: dwie czerwone, pięć niebieskich, a reszta to kule białe. Za wylosowanie kuli czerwonej otrzymujemy 40 punktów, za niebieską 10 punktów, a za białą 0 punktów. Zmienna losowa $Y$ oznacza liczbę uzyskanych punktów. Znajdź rozkład tej zmiennej losowej i jej wartość oczekiwaną.
Rozkład zmiennej losowej $Y$: $P(Y=0) = \frac{18}{25}$, $P(Y=10) = \frac{5}{25}$, $P(Y=40) = \frac{2}{25}$. Wartość oczekiwana: $E(Y) = 5.2$.
Zadanie 5 (1 pkt)
W grze losowej jest $100$ losów. Trzy losy dają wygraną $50$ zł, piętnaście losów daje wygraną $10$ zł, a pozostałe są puste. Wyciągamy losowo jeden los. Zmienna losowa $Z$ oznacza uzyskaną wygraną. Oblicz wartość oczekiwaną wygranej.
Wartość oczekiwana wygranej wynosi $3$ zł.
