Difference between revisions of "Aufgaben:Exercise 1.5: Drawing Cards"

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{{quiz-Header|Buchseite=Stochastische Signaltheorie/Statistische Abhängigkeit und Unabhängigkeit
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{{quiz-Header|Buchseite=Theory_of_Stochastic_Signals/Statistical_Dependence_and_Independence
 
}}
 
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[[File:P_ID77__Sto_A_1_5.gif|right|Karten ziehen]]
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[[File:P_ID77__Sto_A_1_5.gif|right|frame|Wish result   "Three aces"]]
Aus einem Kartenspiel mit 32 Karten, darunter vier Asse, werden nacheinander drei Karten gezogen.
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From a deck of  $32$  cards,  including four aces,  three cards are drawn in succession.
  
*Für die Teilaufgabe (1) wird vorausgesetzt, dass nach dem Ziehen einer Karte diese in den Stapel zurückgelegt wird, danach der Kartenstapel neu gemischt und die nächste Karte gezogen wird.
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*For subtask  '''(1)'''  it is assumed that after drawing a card it is put back into the deck,  then the deck is reshuffled and the next card is drawn.
  
*Dagegen sollen Sie für die weiteren Teilaufgaben ab (2) davon ausgehen, dass die drei Karten auf einmal gezogen werden („Ziehen ohne Zurücklegen“).
 
  
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*In contrast,  for the other subtasks starting with  '''(2)''',   you are supposed to assume that the three cards are drawn at once  ("draw without putting back").
  
Im Folgenden bezeichnen wir mit $A_i$ das Ereignis, dass die zum Zeitpunkt $i$ gezogene Karte ein Ass ist. Hierbei ist $t \in \{ 1, 2, 3 \}$. Das Komplementärereignis sagt dann aus, dass zum Zeitpunkt $i$ irgend eine andere Karte als ein Ass gezogen wird.
 
  
''Hinweise:''
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In the following,  we denote by  $A_i$  the event that the card drawn at time  $i$  is an ace.  Here  $i \in \{ 1, 2, 3 \}$.  The complementary event then states that some card other than an ace is drawn at time  $i$.
*Die Aufgabe gehört zum  Kapitel [[Stochastische_Signaltheorie/Statistische_Abhängigkeit_und_Unabhängigkeit|Statistische Abhängigkeit und Unabhängigkeit]].
 
*Sollte die Eingabe des Zahlenwertes „0” erforderlich sein, so geben Sie bitte „0.” ein.
 
*Eine Zusammenfassung der theoretischen Grundlagen mit Beispielen bringt das nachfolgende Lernvideo:
 
:[[Statistische Abhängigkeit und Unabhängigkeit]]
 
  
  
  
===Fragebogen===
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Hints:
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*The exercise belongs to the chapter  [[Theory_of_Stochastic_Signals/Statistical_Dependence_and_Independence|Statistical dependence and independence]].
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*The topic of this chapter is illustrated with examples in the   (German language)   learning video
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::[[Statistische_Abhängigkeit_und_Unabhängigkeit_(Lernvideo)|Statistische Abhängigkeit und Unabhängigkeit]]   $\Rightarrow$   "Statistical dependence and independence".
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===Questions===
  
 
<quiz display=simple>
 
<quiz display=simple>
{Betrachten Sie zunächst den Fall „Ziehen mit Zurücklegen“. Wie groß ist die Wahrscheinlichkeit $p_1$, dass drei Asse gezogen werden?
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{First,&nbsp; consider the case of&nbsp; "drawing with putting back".&nbsp; What is the probability&nbsp; $p_1$,&nbsp; that three aces are drawn?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
$p_1 \ = $ { 0.002 3% }
+
$p_1 \ = \ $ { 0.002 3% }
  
{Mit welcher Wahrscheinlichkeit $p_2$ werden drei Asse gezogen, wenn man die Karten nicht zurücklegt? Warum ist $p_2$ kleiner/gleich/größer als $p_1$?
+
{What is the probability&nbsp; $p_2$&nbsp; that three aces will be drawn if the cards are not put back?&nbsp; Why is&nbsp; $p_2$&nbsp;  smaller/equal/larger than&nbsp; $p_1$?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
$p_2 \ = $ { 0.0008 3% }
+
$p_2 \ = \ $ { 0.0008 3% }
  
{Betrachten Sie weiterhin den Fall „Ziehen ohne Zurücklegen“. Wie groß ist die Wahrscheinlichkeit $p_3$, dass kein einziges Ass gezogen wird?
+
{Consider further the case&nbsp; "drawing without putting back".&nbsp; What is the probability&nbsp; $p_3$&nbsp; that not a single ace is drawn?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
$p_3 \ = $ { 0.6605 3% }
+
$p_3 \ = \ $ { 0.6605 3% }
  
{Wie groß ist die Wahrscheinlichkeit $p_4$, dass genau ein Ass gezogen wird?
+
{What is the probability&nbsp; $p_4$&nbsp; that exactly one ace is drawn
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
$p_4 \ = $ { 0.3048 3% }
+
$p_4 \ = \ $ { 0.3048 3% }
  
{Wie groß ist die Wahrscheinlichkeit, dass zwei der gezogenen Karten Asse sind? ''Hinweis'': Berücksichtigen Sie, dass die vier Ereignisse „genau $i$ Asse werden gezogen” mit $i \in \{ 0, 1, 2, 3 \}$ ein vollständiges System beschreiben.
+
{What is the probability&nbsp; $p_5$&nbsp; that two of the drawn cards are aces?&nbsp; <br>Hint:&nbsp; Consider that the four events&nbsp; [exactly&nbsp; $i$&nbsp; aces are drawn]&nbsp; with&nbsp; $i \in \{ 0, 1, 2, 3 \}$&nbsp; describe a complete system.
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
$p_5 \ = $ { 0.0339 3% }
+
$p_5 \ = \ $ { 0.0339 3% }
  
 
</quiz>
 
</quiz>
  
===Musterlösung===
+
===Solution===
 
{{ML-Kopf}}
 
{{ML-Kopf}}
'''(1)'''&nbsp; Bei jeder Karte ist die Wahrscheinlichkeit f&uuml;r ein Ass genau gleich gro&szlig; (1/8):
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'''(1)'''&nbsp; For each card,&nbsp; the probability of an ace is exactly equal&nbsp; $1/8$:
$$p_{\rm 1} = {\rm Pr} (3 \hspace{0.1cm} {\rm Asse}) = {\rm Pr} (A_{\rm 1})\cdot {\rm Pr} (A_{\rm 2})\cdot {\rm Pr}(A_{\rm 3}) = \rm ({1}/{8})^3 \hspace{0.15cm}\underline {\approx 0.002}.$$
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:$$p_{\rm 1} = {\rm Pr} (3 \hspace{0.1cm} {\rm Asse}) = {\rm Pr} (A_{\rm 1})\cdot {\rm Pr} (A_{\rm 2})\cdot {\rm Pr}(A_{\rm 3}) = \rm ({1}/{8})^3 \hspace{0.15cm}\underline {\approx 0.002}.$$
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'''(2)'''&nbsp; Now,&nbsp; using the general multiplication theorem,&nbsp; we obtain:
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:$$p_{\rm 2} = {\rm Pr} (A_{\rm 1}\cap A_{\rm 2} \cap A_{\rm 3} ) = {\rm Pr} (A_{\rm 1}) \cdot {\rm Pr} (A_{\rm 2}\hspace{0.05cm}|\hspace{0.05cm}A_{\rm 1} ) \cdot {\rm Pr} \big[A_{\rm 3} \hspace{0.05cm}|\hspace{0.05cm}( A_{\rm 1}\cap A_{\rm 2} )\big].$$
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*The conditional probabilities are computable according to the classical definition.&nbsp;  For this,&nbsp; one obtains&nbsp; $k/m$&nbsp; (with&nbsp; $m$&nbsp; cards, there are still&nbsp; $k$&nbsp; aces in the deck):
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:$$p_{\rm 2} ={4}/{32}\cdot {3}/{31}\cdot{2}/{30} \hspace{0.15cm}\underline { \approx 0.0008}.$$
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*We can see: &nbsp;  $p_2$&nbsp; is smaller than&nbsp; $p_1$,&nbsp; since now the second and third aces are less probable than before.
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'''(3)'''&nbsp; Analogous to subtask&nbsp; '''(2)''',&nbsp; we obtain here:
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:$$p_{\rm 3} =  {\rm Pr}(\overline{A_{\rm 1}})\cdot  {\rm Pr} (\overline{A_{\rm 2}} \hspace{0.05cm}|\hspace{0.05cm}\overline{A_{\rm 1}})\cdot  {\rm Pr} (\overline{A_{\rm 3}}\hspace{0.05cm}|\hspace{0.05cm}(\overline{A_{\rm 1}} \cap \overline{A_{\rm 2}} )) = {28}/{32}\cdot{27}/{31}\cdot {26}/{30}\hspace{0.15cm}\underline {\approx 0.6605}.$$
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'''(4)'''&nbsp; This probability can be expressed as the sum of three probabilities,&nbsp; since the associated events are disjoint:
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:$$p_{\rm 4} = {\rm Pr} (D_{\rm 1} \cup D_{\rm 2} \cup D_{\rm 3}) \rm \hspace{0.1cm}with\hspace{-0.1cm}:$$
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::$$ {\rm Pr} (D_{\rm 1}) =  {\rm Pr}( A_{\rm 1} \cap \overline{ A_{\rm 2}} \cap \overline{A_{\rm 3}}) = \rm \frac{4}{32}\cdot \frac{28}{31}\cdot \frac{27}{30}=\rm 0.1016,$$
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::$${\rm Pr} (D_{\rm 2}) =  \rm Pr ( \overline{A_{\rm 1}} \cap A_{\rm 2} \cap \overline{A_{\rm 3}})  = \rm \frac{28}{32}\cdot \frac{4}{31}\cdot \frac{27}{30}=\rm 0.1016,$$
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::$${\rm Pr} (D_{\rm 3} \rm) =  Pr ( \overline{\it A_{\rm 1}} \cap  \overline{\it A_{\rm 2}} \cap  A_{\rm 3}) = \rm \frac{28}{32}\cdot \frac{27}{31}\cdot \frac{4}{30}=\rm 0.1016.$$
 +
*These probabilities are all the same &ndash; why should it be any different?
  
'''(2)'''&nbsp; Nun erh&auml;lt man mit dem allgemeinen Multiplikationstheorem:
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*If you draw exactly one ace from three cards,&nbsp; it is just as likely whether you draw it first,&nbsp; second, or third.
$$p_{\rm 2} = {\rm Pr} (A_{\rm 1}\cap A_{\rm 2} \cap A_{\rm 3} ) = {\rm Pr} (A_{\rm 1}) \cdot {\rm Pr} (A_{\rm 2}\hspace{0.05cm}|\hspace{0.05cm}A_{\rm 1} ) \cdot {\rm Pr} [A_{\rm 3} \hspace{0.05cm}|\hspace{0.05cm}( A_{\rm 1}\cap A_{\rm 2} )].$$
 
Die bedingten Wahrscheinlichkeiten k&ouml;nnen nach der klassischen Definition berechnet werden. Man erhält somit jeweils $k/m$ (bei $m$ Karten sind noch $k$ Asse enthalten):
 
$$p_{\rm 2} ={4}/{32}\cdot {3}/{31}\cdot{2}/{30} \hspace{0.15cm}\underline { \approx 0.0008}.$$
 
Man erkennt: $p_2$ ist kleiner als $p_1$, da nun das zweite und dritte Ass unwahrscheinlicher sind als zuvor.
 
  
'''(3)'''&nbsp; Analog zur Teilaufgabe (2) erh&auml;lt man hier:
+
*This gives &nbsp; $p_4 \; \underline{= 0.3048}$&nbsp; for the sum.
$$p_{\rm 3} =  {\rm Pr}(\overline{A_{\rm 1}})\cdot  {\rm Pr} (\overline{A_{\rm 2}} \hspace{0.05cm}|\hspace{0.05cm}\overline{A_{\rm 1}})\cdot  {\rm Pr} (\overline{A_{\rm 3}}\hspace{0.05cm}|\hspace{0.05cm}(\overline{A_{\rm 1}} \cap \overline{A_{\rm 2}} )) = {28}/{32}\cdot{27}/{31}\cdotc{26}/{30}\hspace{0.15cm}\underline {\approx 0.6605}.$$
 
  
'''(4)'''&nbsp; Diese Wahrscheinlichkeit kann man als die Summe dreier Wahrscheinlichkeiten ausdr&uuml;cken, da die zugehörigen Ereignisse disjunkt sind:
 
$$p_{\rm 4} = {\rm Pr} (D_{\rm 1} \cup D_{\rm 2} \cup D_{\rm 3}) \rm \hspace{0.1cm}mit\hspace{-0.1cm}:$$
 
:$$ {\rm Pr} (D_{\rm 1}) =  {\rm Pr}( A_{\rm 1} \cap \overline{ A_{\rm 2}} \cap \overline{A_{\rm 3}}) = \rm \frac{4}{32}\cdot \frac{28}{31}\cdot \frac{27}{30}=\rm 0.1016,$$
 
:$${\rm Pr} (D_{\rm 2}) =  \rm Pr ( \overline{A_{\rm 1}} \cap A_{\rm 2} \cap \overline{A_{\rm 3}})  = \rm \frac{28}{32}\cdot \frac{4}{31}\cdot \frac{27}{30}=\rm 0.1016,$$
 
:$${\rm Pr} (D_{\rm 3} \rm) =  Pr ( \overline{\it A_{\rm 1}} \cap  \overline{\it A_{\rm 2}} \cap  A_{\rm 3}) = \rm \frac{28}{32}\cdot \frac{27}{31}\cdot \frac{4}{30}=\rm 0.1016.$$
 
Diese Wahrscheinlichkeiten sind alle gleich &ndash; warum sollte es auch anders sein?
 
  
Wenn man bei drei Karten genau ein Ass zieht, ist es genau so wahrscheinlich, ob man dieses als erste, als zweite oder als dritte Karte zieht. Damit erh&auml;lt man für die Summe $p_4 \; \underline{= 0.3048}$.
 
  
'''(5)'''&nbsp; Definiert man die Ereignisse $E_i :=$ &bdquo;Es werden bei drei Karten genau $i$ Asse gezogen&rdquo; mit den Index $i \in \{ 0, 1, 2, 3 \}$, so beschreiben $E_0$, $E_1$, $E_2$ und $E_3$ ein vollst&auml;ndiges System. Deshalb gilt:
+
'''(5)'''&nbsp; If we define the events&nbsp; $E_i :=$&nbsp; "Exactly&nbsp; $i$&nbsp; aces are drawn on three cards"&nbsp; with index&nbsp;  $i \in \{ 0, 1, 2, 3 \}$, <br>&nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; then&nbsp; $E_0$,&nbsp; $E_1$,&nbsp; $E_2$&nbsp; and&nbsp; $E_3$&nbsp; describe a complete system.&nbsp; Therefore:
$$p_{\rm 5} = {\rm Pr}(E_2) = 1 - p_2 -p_3 - p_4 \hspace{0.15cm}\underline {= \rm 0.0339}.$$
+
:$$p_{\rm 5} = {\rm Pr}(E_2) = 1 - {\rm Pr}(E_0) -{\rm Pr}(E_1) - {\rm Pr}(E_3) = 1 - p_3 -p_4 - p_2  \hspace{0.15cm}\underline {= \rm 0.0339}.$$
 
{{ML-Fuß}}
 
{{ML-Fuß}}
  
  
  
[[Category:Aufgaben zu Stochastische Signaltheorie|^1.3 Statistische (Un-)Abhängigkeit^]]
+
[[Category:Theory of Stochastic Signals: Exercises|^1.3 Statistical Dependence/Independence^]]

Latest revision as of 16:04, 30 November 2021

Wish result  "Three aces"

From a deck of  $32$  cards,  including four aces,  three cards are drawn in succession.

  • For subtask  (1)  it is assumed that after drawing a card it is put back into the deck,  then the deck is reshuffled and the next card is drawn.


  • In contrast,  for the other subtasks starting with  (2),  you are supposed to assume that the three cards are drawn at once  ("draw without putting back").


In the following,  we denote by  $A_i$  the event that the card drawn at time  $i$  is an ace.  Here  $i \in \{ 1, 2, 3 \}$.  The complementary event then states that some card other than an ace is drawn at time  $i$.



Hints:

  • The topic of this chapter is illustrated with examples in the  (German language)  learning video
Statistische Abhängigkeit und Unabhängigkeit   $\Rightarrow$   "Statistical dependence and independence".


Questions

1

First,  consider the case of  "drawing with putting back".  What is the probability  $p_1$,  that three aces are drawn?

$p_1 \ = \ $

2

What is the probability  $p_2$  that three aces will be drawn if the cards are not put back?  Why is  $p_2$  smaller/equal/larger than  $p_1$?

$p_2 \ = \ $

3

Consider further the case  "drawing without putting back".  What is the probability  $p_3$  that not a single ace is drawn?

$p_3 \ = \ $

4

What is the probability  $p_4$  that exactly one ace is drawn

$p_4 \ = \ $

5

What is the probability  $p_5$  that two of the drawn cards are aces? 
Hint:  Consider that the four events  [exactly  $i$  aces are drawn]  with  $i \in \{ 0, 1, 2, 3 \}$  describe a complete system.

$p_5 \ = \ $


Solution

(1)  For each card,  the probability of an ace is exactly equal  $1/8$:

$$p_{\rm 1} = {\rm Pr} (3 \hspace{0.1cm} {\rm Asse}) = {\rm Pr} (A_{\rm 1})\cdot {\rm Pr} (A_{\rm 2})\cdot {\rm Pr}(A_{\rm 3}) = \rm ({1}/{8})^3 \hspace{0.15cm}\underline {\approx 0.002}.$$


(2)  Now,  using the general multiplication theorem,  we obtain:

$$p_{\rm 2} = {\rm Pr} (A_{\rm 1}\cap A_{\rm 2} \cap A_{\rm 3} ) = {\rm Pr} (A_{\rm 1}) \cdot {\rm Pr} (A_{\rm 2}\hspace{0.05cm}|\hspace{0.05cm}A_{\rm 1} ) \cdot {\rm Pr} \big[A_{\rm 3} \hspace{0.05cm}|\hspace{0.05cm}( A_{\rm 1}\cap A_{\rm 2} )\big].$$
  • The conditional probabilities are computable according to the classical definition.  For this,  one obtains  $k/m$  (with  $m$  cards, there are still  $k$  aces in the deck):
$$p_{\rm 2} ={4}/{32}\cdot {3}/{31}\cdot{2}/{30} \hspace{0.15cm}\underline { \approx 0.0008}.$$
  • We can see:   $p_2$  is smaller than  $p_1$,  since now the second and third aces are less probable than before.


(3)  Analogous to subtask  (2),  we obtain here:

$$p_{\rm 3} = {\rm Pr}(\overline{A_{\rm 1}})\cdot {\rm Pr} (\overline{A_{\rm 2}} \hspace{0.05cm}|\hspace{0.05cm}\overline{A_{\rm 1}})\cdot {\rm Pr} (\overline{A_{\rm 3}}\hspace{0.05cm}|\hspace{0.05cm}(\overline{A_{\rm 1}} \cap \overline{A_{\rm 2}} )) = {28}/{32}\cdot{27}/{31}\cdot {26}/{30}\hspace{0.15cm}\underline {\approx 0.6605}.$$


(4)  This probability can be expressed as the sum of three probabilities,  since the associated events are disjoint:

$$p_{\rm 4} = {\rm Pr} (D_{\rm 1} \cup D_{\rm 2} \cup D_{\rm 3}) \rm \hspace{0.1cm}with\hspace{-0.1cm}:$$
$$ {\rm Pr} (D_{\rm 1}) = {\rm Pr}( A_{\rm 1} \cap \overline{ A_{\rm 2}} \cap \overline{A_{\rm 3}}) = \rm \frac{4}{32}\cdot \frac{28}{31}\cdot \frac{27}{30}=\rm 0.1016,$$
$${\rm Pr} (D_{\rm 2}) = \rm Pr ( \overline{A_{\rm 1}} \cap A_{\rm 2} \cap \overline{A_{\rm 3}}) = \rm \frac{28}{32}\cdot \frac{4}{31}\cdot \frac{27}{30}=\rm 0.1016,$$
$${\rm Pr} (D_{\rm 3} \rm) = Pr ( \overline{\it A_{\rm 1}} \cap \overline{\it A_{\rm 2}} \cap A_{\rm 3}) = \rm \frac{28}{32}\cdot \frac{27}{31}\cdot \frac{4}{30}=\rm 0.1016.$$
  • These probabilities are all the same – why should it be any different?
  • If you draw exactly one ace from three cards,  it is just as likely whether you draw it first,  second, or third.
  • This gives   $p_4 \; \underline{= 0.3048}$  for the sum.


(5)  If we define the events  $E_i :=$  "Exactly  $i$  aces are drawn on three cards"  with index  $i \in \{ 0, 1, 2, 3 \}$,
        then  $E_0$,  $E_1$,  $E_2$  and  $E_3$  describe a complete system.  Therefore:

$$p_{\rm 5} = {\rm Pr}(E_2) = 1 - {\rm Pr}(E_0) -{\rm Pr}(E_1) - {\rm Pr}(E_3) = 1 - p_3 -p_4 - p_2 \hspace{0.15cm}\underline {= \rm 0.0339}.$$