Difference between revisions of "Aufgaben:Exercise 2.4: Number Lottery (6 from 49)"

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{{quiz-Header|Buchseite=Stochastische Sginaltheorie/Binomialverteilung
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{{quiz-Header|Buchseite=Theory_of_Stochastic_Signals/Binomial_Distribution
 
}}
 
}}
  
[[File:P_ID103__Sto_A_2_4.jpg|right|Zahlenlotto „6 aus 49”]]
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[[File:P_ID103__Sto_A_2_4.jpg|right|frame|Lottery ticket for  $\text{"6 out of 49"}$]]
Beim Zahlenlotto werden aus den 49 Zahlen (Kugeln) in einer Trommel sechs Gewinnzahlen gezogen („6 aus 49 “), danach als siebente Kugel die sogenannte Zusatzzahl ($Z$). Unabhängig davon wird noch eine Superzahl $S \in  \{0, 1,\hspace{0.1cm} ... \hspace{0.1cm, 9\}$ per Zufall ausgewählt. Stimmt diese mit der Endziffer des Lottoscheins überein, so wird der Hauptgewinn entscheidend vergrößert.
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For the  "number lotto"  the following conditions should apply:
  
In dieser Aufgabe werden die folgenden Gewinnklassen betrachtet:
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*Six winning numbers are drawn from the  $49$  numbers  (balls)  in a drum   ("6 out of 49"),
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*then as the seventh ball the so-called  "additional number"  (German:  "Zusatzzahl")   ⇒   $(Z)$.
  
* 6 Richtige mit Superzahl
 
* 6 Richtige ohne Superzahl
 
* 5 Richtige mit Zusatzzahl
 
* 5 Richtige ohne Zusatzzahl
 
* 4 Richtige
 
* 3 Richtige
 
  
Gehen Sie für die Teilaufgaben (1) bis (6) von dem im oberen Bild dargestellten Lottoschein aus; der Spieler hat hier die Zahlen „1 “ bis „6 “ angekreuzt.
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Independently of this,  a  "super number"  $S \in  \{0, \ 1,\hspace{0.1cm} \text{...} \hspace{0.1cm}, \ 9\}$  is selected at random.  If this number matches the final digit of the lottery ticket,  the main prize is increased decisively.
  
''Hinweise:''
+
In this exercise,  the following winning classes are considered:
*Die Aufgabe gehört zum  Kapitel [[Stochastische_Signaltheorie/Binomialverteilung|Binomialverteilung]].
 
*Sollte die Eingabe des Zahlenwertes „0” erforderlich sein, so geben Sie bitte „0.” ein.
 
*Diese Aufgabe wurde schon 2001 konzipiert. Es kann durchaus sein, dass die Spielregeln beim Lotto inzwischen geändert wurden.
 
  
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:* 6 correct numbers with  "super number"   ⇒   $\text{"6R + S"}$,
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:* 6 correct numbers without  "super number"   ⇒   $\text{"6R"}$,
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:* 5 correct numbers with  "additional number"   ⇒   $\text{"5R + Z"}$,
 +
:* 5 correct numbers without  "additional number"   ⇒   $\text{"5R – Z"}$,
 +
:* 4 correct numbers   ⇒   $\text{"4R"}$,
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:* 3 correct numbers   ⇒   $\text{"3R"}$.
  
===Fragebogen===
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For subtasks  '''(1)'''  to  '''(6)''',  start from the upper lottery ticket:   The player has ticked the numbers  "1"  to  "6"  here.
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Hints:
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*The exercise belongs to the chapter  [[Theory_of_Stochastic_Signals/Binomial_Distribution|Binomial Distribution]].
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*This exercise was designed around 2002.   It is possible that the rules of the  (German)  lottery have been changed in the meantime.
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===Questions===
  
 
<quiz display=simple>
 
<quiz display=simple>
{Wie gro&szlig; ist die Wahrscheinlichkeit f&uuml;r „6 Richtige“?
+
{What is the probability for&nbsp; $\text{"6 correct numbers"}$&nbsp;?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
$ Pr(6\ Richtige) $ = { 7.15 3% } $\cdot 10^{-8}$
+
$ \text{Pr("6R")} \ = \ $ { 71.5 3% } $\ \cdot 10^{-9}$
  
  
{Wie gro&szlig; ist die Wahrscheinlichkeit f&uuml;r „6 Richtige und Superzahl"?
+
{What is the probability for&nbsp; $\text{"6 correct numbers plus super number"}$&nbsp;?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
$ Pr(6R\ +\ S) $ = { 7.15 3% } $\cdot 10^{-9}$
+
$ \text{Pr("6R + S")} \ =  \ $ { 7.15 3% } $\ \cdot 10^{-9}$
  
  
{Wie gro&szlig; ist die Wahrscheinlichkeit f&uuml;r &bdquo;5 Richtige mit Zusatzzahl&rdquo;?
+
{What is the probability for&nbsp; $\text{"5 correct numbers plus additional number"}$&nbsp;?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
$ Pr(5R\ +\ Z) $ = { 4.29 3% } $\cdot 10^{-7}$
+
$ \text{Pr("5R + Z")} \  =  \ $ { 0.429 3% } $\ \cdot 10^{-6}$
  
  
{Wie gro&szlig; ist die Wahrscheinlichkeit f&uuml;r 5 Richtige ohne Zusatzzahl?
+
{What is the probability for&nbsp; $\text{"5 correct numbers without additional number"}$&nbsp;?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
$Pr(5\ Richtige)$= { 1.81 3% } $\cdot 10^{-5}$
+
$\text{Pr("5R &ndash; Z")}\ =  \ $ { 18.1 3% } $\ \cdot 10^{-6}$
  
  
{Wie gro&szlig; ist die Wahrscheinlichkeit f&uuml;r &bdquo;4 Richtige&rdquo;? Wie lautet das Ergebnis allgemein f&uuml;r &#132;<i>k</i> richtige Zahlen beim <i>m</i>&ndash;aus&ndash;<i>n</i>&ndash;Lotto&rdquo;?
+
{What is the probability for&nbsp; $\text{"4 correct numbers"}$&nbsp;?&nbsp; What is the general result for&nbsp; $k$&nbsp; correct numbers in the&nbsp; "$m\hspace{0.15cm} \text{out of}\hspace{0.15cm} n$"&ndash;lotto&nbsp;?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
$Pr(4\ Richtige)$ = { 9.69 3% } $\cdot 10^{-4}$
+
$\text{Pr("4R")}\ =  \ $ { 0.969 3% } $\ \cdot 10^{-3}$
  
  
{Wie gro&szlig; ist die Wahrscheinlichkeit f&uuml;r &bdquo;3 Richtige&rdquo;?
+
{What is the probability for&nbsp; $\text{"3 correct numbers"}$&nbsp;?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
$Pr(3\ Richtige)$ = { 1.81 3% } $\cdot 10^{-2}$
+
$\text{Pr("3R")}\ =  \ $ { 18.1 3% } $\ \cdot 10^{-3}$
  
  
{Betrachten Sie die Gewinnaussichten für den unteren Lottoschein mit den Zahlen 3, 8, 9, 19, 21, 46. Welche der Aussagen sind zutreffend?
+
{Consider the odds of winning the bottom lottery ticket with the numbers&nbsp;  $3, \ 8, \ 9, \ 19, \ 21, \ 46$.&nbsp; Which of the statements are true?
 
|type="[]"}
 
|type="[]"}
+ Die bisher berechneten Wahrscheinlichkeiten gelten weiter.
+
+ The probabilities calculated so far still apply.
+ Er würde bei &bdquo;6 Richtigen&rdquo; sehr wahrscheinlich eine gr&ouml;&szlig;ere Gewinnsumme erhalten als mit dem Tipp &bdquo;123456&rdquo;.
+
+ He would very likely receive a larger winning sum with&nbsp; $\text{6 correct numbers}$&nbsp; than with the guess&nbsp; $123456$.
  
  
 
</quiz>
 
</quiz>
  
===Musterlösung===
+
===Solution===
 
{{ML-Kopf}}
 
{{ML-Kopf}}
:<b>1.</b>&nbsp;&nbsp;Mit der Annahme, dass der Spieler die Zahlen 1 bis 6 angekreuzt hat, gilt:
+
'''(1)'''&nbsp; Assuming that the player has ticked the numbers&nbsp; "1"&nbsp; to&nbsp; "6",&nbsp; the following applies:
:$$\rm \Pr(6\hspace{0.1cm}Richtige)=Pr(123456\cup 123465\cup ...\cup 654321).$$
+
:$$\text{Pr("6R")}={\rm \Pr}(123456\ \cup 123465\cup \ \text{...} \ \ \cup 654321).$$
  
:Hierbei ist ber&uuml;cksichtigt, dass die Reihenfolge bei der Ziehung keine Rolle spielt. Insgesamt gibt es genau 6! = 1 &middot; 2 &middot; 3 &middot; 4 &middot; 5 &middot; 6 gleichwahrscheinliche Permutationen f&uuml;r die Zahlenmenge:
+
*This takes into account that the order does not matter in the drawing.
:$$\rm \Pr(6\hspace{0.1cm}Richtige)=6!\cdot Pr(123456).$$
+
*In total,&nbsp; there are exactly&nbsp; $6! = 1 &middot; 2 &middot; 3 &middot; 4 &middot; 5 &middot; 6$&nbsp; equally probable permutations for the set of numbers:
 +
:$$\text{Pr("6R")}=6!\cdot \rm Pr(123456).$$
  
:Die Wahrscheinlichkeit, dass als erste Kugel die Zahl „1“ gezogen wird, ist 1/49. Die Wahrscheinlichkeit f&uuml;r die „2“ als zweite Kugel ist entsprechend 1/48 (da jetzt eine Kugel weniger in der Trommel ist). Damit erh&auml;lt man als Endergebnis:
+
*The probability of the number&nbsp; "1"&nbsp; being drawn as the first ball is&nbsp; $1/49$.&nbsp; The probability of&nbsp; "2"&nbsp; being drawn as the second ball is correspondingly&nbsp; $1/48$&nbsp; (since there is now one less ball in the drum).&nbsp; Thus one receives as final result:
 
:$$\rm Pr(123456)=\frac{1}{49}\cdot\frac{1}{48}\cdot    \frac{1}{47} \cdot    \frac{1}{46}\cdot  \frac{1}{45}  \cdot    \frac{1}{44},$$
 
:$$\rm Pr(123456)=\frac{1}{49}\cdot\frac{1}{48}\cdot    \frac{1}{47} \cdot    \frac{1}{46}\cdot  \frac{1}{45}  \cdot    \frac{1}{44},$$
:$$\rm Pr(6\hspace{0.1cm}Richtige)=\frac{1\cdot 2\cdot 3 \cdot 4 \cdot 5 \cdot 6}{49\cdot 48 \cdot 47 \cdot 46 \cdot 45 \cdot 44}.$$
+
:$$\text{Pr("6R")}=\frac{1\cdot 2\cdot 3 \cdot 4 \cdot 5 \cdot 6}{49\cdot 48 \cdot 47 \cdot 46 \cdot 45 \cdot 44}.$$
 +
 
 +
*This is exactly the inverse of&nbsp; "49 over 6".&nbsp; It follows that:
 +
:$$\text{Pr("6R")}=\left({49 \atop {6}}\right)^{-1}=13\hspace{0.08cm}983\hspace{0.08cm}816^{-1}\hspace{0.15cm} \underline{\approx71.5\cdot 10^{-9}}.$$
 +
 
 +
 
 +
 
 +
'''(2)'''&nbsp; The probability that the final digit of a lottery ticket matches the super number is&nbsp; $10\%$.
 +
*But since the drawing of the super number is independent of the normal drawing, we now get for the probability we are looking for
 +
:$$\text{ Pr("6R + S")} \hspace{0.15cm}\underline{\approx \ 7.15\cdot 10^{-9}}.$$
 +
 
 +
 
 +
 
 +
'''(3)'''&nbsp; In what follows,&nbsp; $Z$&nbsp; stands for "additional number". Then holds:
 +
:$$\text{ Pr("5R + Z")}={\rm Pr(12345} Z \ \cup \ {\rm 1234} Z\rm 6\cup \ \text{...} \ \cup \  Z {\rm 23456)}.$$
  
:Dies ist genau der Kehrwert von „49 über 6“. Daraus folgt:
+
*There are six permutations here. The probability for $\rm 12345Z$ is the same as for $123456$. It follows with the result of subtask&nbsp; '''(1)''':
:$$\rm Pr(6\hspace{0.1cm}Richtige)=\left({49 \atop {6}}\right)^{-1}=13983816^{-1}\hspace{0.15cm} \underline{\approx7.15\cdot 10^{-8}}.$$
+
:$$\text{ Pr("5R + Z")}=6\cdot\left({49 \atop {6}}\right)^{-1}\hspace{0.15cm} \underline{=0.429\cdot10^{-6}}.$$
  
:<b>2.</b>&nbsp;&nbsp;Die Wahrscheinlichkeit dafür, dass die Endziffer eines Lottoscheins mit der Superzahl &uuml;bereinstimmt, ist 10%. Da aber die Ziehung der Superzahl unabh&auml;ngig von der normalen Ziehung erfolgt, erhalten wir f&uuml;r die gesuchte Wahrscheinlichkeit nun nur mehr <u>ca. 7.15 &middot; 10<sup>-9</sup></u>.
 
  
:<b>3.</b>&nbsp;&nbsp;Im Folgenden steht <i>Z</i> f&uuml;r &bdquo;Zusatzzahl&rdquo;. Dann gilt:
+
'''(4)'''&nbsp; If we denote by&nbsp; $X$&nbsp; a drawn number that is not one of those checked,&nbsp; we can write for the probability we are looking for:
:$$\rm Pr(5\hspace{0.1cm}Richtige\hspace{0.1cm}mit\hspace{0.1cm}Zusatzzahl)=\rm Pr(12345\it Z\cup \rm 1234\it Z\rm 6\cup ...\cup \it Z\rm 23456).$$
+
:$${\rm \text{ Pr("5R")}=Pr(12345} X \ \cup \ {\rm 1234} X6\ \cup \ \text{...} \ \cup \ X23456).$$
 +
*There are six different possibilities for the location of&nbsp; $X$&nbsp;, all of which are equally probable. It follows that:
 +
:$$\rm \text{ Pr("5R")}=6\cdot Pr(12345\it X\rm ).$$
  
:Hier gibt es 6 Permutationen. Die Wahrscheinlichkeit f&uuml;r „12345Z“ ist die gleiche wie f&uuml;r „123456“. Daraus folgt mit dem Ergebnis aus 1.:
+
*Here&nbsp; $X$&nbsp;can stand for any of the numbers&nbsp; $7$&nbsp; to&nbsp; $49$,&nbsp; which again are all equally probable.  
:$$\rm Pr(5\hspace{0.1cm}Richtige\hspace{0.1cm}mit\hspace{0.1cm}Zusatzzahl)=6\cdot\left({49 \atop {6}}\right)^{-1}\hspace{0.15cm} \underline{=4.29\cdot10^{-7}}.$$
+
*Thus,&nbsp; with&nbsp; $\rm Pr(123457) = Pr(123456)$,&nbsp; the result of subtask&nbsp; '''(1)''',&nbsp; we get:  
 +
:$$\rm \text{ Pr("5R")}=6\cdot 43\cdot\left({49 \atop {6}}\right)^{-1}=1.85\cdot10^{-5}.$$
  
:<b>4.</b>&nbsp;&nbsp;Bezeichnen wir mit <i>X</i> eine gezogene Zahl, die nicht zu den angekreuzten geh&ouml;rt, so kann man f&uuml;r die gesuchte Wahrscheinlichkeit schreiben:
+
*To subtract is still the case that also the additional number was drawn correctly.&nbsp; Therefore:
:$$\rm \Pr(5\hspace{0.1cm}Richtige)=Pr(12345\it X\cup \rm 1234\it X\rm 6\cup ...\cup \it X\rm 23456).$$
+
:$$\rm \text{ Pr("5R &ndash; Z")}\approx 18.5\cdot 10^{-6}-0.429\cdot 10^{-6}\hspace{0.15cm} \underline{\approx 18.1\cdot 10^{-6}}.$$
  
:F&uuml;r die Lage von <i>X</i> gibt es 6 M&ouml;glichkeiten, die alle gleichwahrscheinlich sind. Daraus folgt:
 
:$$\rm Pr(5\hspace{0.1cm}Richtige)=6\cdot Pr(12345\it X\rm ).$$
 
  
:<i>X</i> kann hierbei f&uuml;r jede der Zahlen „7“ bis „49“ stehen, die wiederum alle gleichwahrscheinlich sind. Mit Pr(123457) = Pr(123456), also dem Ergebnis von Frage a), erh&auml;lt man somit:  
+
'''(5)'''&nbsp; After some considerations, we arrive at the result:
:$$\rm Pr(5\hspace{0.1cm}Richtige)=6\cdot 43\cdot\left({49 \atop {6}}\right)^{-1}=1.85\cdot10^{-5}.$$
+
:$$\rm Pr(\it k\hspace{0.15cm} \rm correct\hspace{0.1cm}numbers)=\left({\it m \atop {\it k}}\right)\cdot\left({\it n-m \atop {m-\it k}}\right)\cdot\left({\it n \atop {m}}\right)^{-1}.$$
  
:Zu subtrahieren ist noch der Fall, dass auch die Zusatzzahl richtig gezogen wurde. Deshalb gilt:
+
*The last term in this equation gives the probability for a very specific&nbsp; "$m$ out of $n$"&nbsp; combination.
:$$\rm \Pr(5\hspace{0.1cm}Richtige\hspace{0.1cm}ohne\hspace{0.1cm}Zusatzzahl)\approx 1.85\cdot 10^{-5}-4.29\cdot 10^{-7}\hspace{0.15cm} \underline{\approx 1.81\cdot 10^{-5}}.$$
 
  
:<b>5.</b>&nbsp;&nbsp;Nach einigen &Uuml;berlegungen kommt man zum Ergebnis:
+
*The first term describes the number of permutations that numbers drawn from&nbsp; $m$&nbsp; are exactly&nbsp; $k$&nbsp; correct. For&nbsp; $m = 6$&nbsp; and&nbsp; $k= 5$&nbsp; this gives the factor&nbsp; $6$.
:$$\rm Pr(\it k\hspace{0.1cm} \rm Richtige)=\left({\it m \atop {\it k}}\right)\cdot\left({\it n-m \atop {m-\it k}}\right)\cdot\left({ n \atop {m}}\right)^{-1}.$$
 
  
:*Der letzte Term in dieser Gleichung gibt die Wahrscheinlichkeit f&uuml;r eine ganz bestimmte (<i>m</i> aus <i>n</i>)-Kombination an.
+
*The middle factor gives the number of possibilities that all remaining drawn numbers&nbsp; $($thus&nbsp; $m-k)$&nbsp; is one of the unfavorable numbers&nbsp; $($for this there are&nbsp; $n-m)$&nbsp;.&nbsp; For&nbsp; $m = 6$&nbsp; and&nbsp; $k= 5$&nbsp; this term gives the value&nbsp; $43$ according to point&nbsp; '''(4)'''&nbsp;.
  
:*Der erste Term beschreibt die Anzahl der Permutationen, dass von den <i>m</i> gezogenen Zahlen genau <i>k</i> richtig sind. F&uuml;r <i>m</i> = 6 und <i>k</i> = 5 ergibt das den Faktor 6.
+
*As a special case we get for the "6 out of 49" with&nbsp; $k= 4$:
 +
:$$\rm \text{ Pr("4R")}=\left({6 \atop {4}}\right)\cdot\left({43 \atop {2}}\right)\cdot\left({49 \atop {6}}\right)^{-1}\hspace{0.15cm} \underline{=0.969\cdot10^{-3}}.$$
  
:*Der mittlere Faktor gibt die Anzahl der M&ouml;glichkeiten an, dass alle restlichen gezogenen Zahlen (also <i>m</i> &ndash; <i>k</i>) eine der ung&uuml;nstigen Zahlen (hierf&uuml;r gibt es <i>n</i> &ndash; <i>m</i>) ist. F&uuml;r <i>m</i> = 6 und <i>k</i> = 5 ergibt dieser Term den Wert 43 (siehe Punkt d)).
 
  
:Als Sonderfall erhalten wir beim „6 aus 49“ mit <i>k</i> = 4:
+
'''(6)'''&nbsp; According to the general formula calculated in&nbsp; '''(5)''',&nbsp; it further holds:
:$$\rm Pr(4\hspace{0.1cm}Richtige)=\left({6 \atop {4}}\right)\cdot\left({43 \atop {2}}\right)\cdot\left({49 \atop {6}}\right)^{-1}\hspace{0.15cm} \underline{=9.69\cdot10^{-4}}.$$
+
:$$\rm \text{ Pr("3R")}=\left({6 \atop {3}}\right)\cdot\left({43 \atop {3}}\right)\cdot\left({49 \atop {6}}\right)^{-1}\hspace{0.15cm} \underline{=18.1\cdot10^{-3}}.$$
  
:<b>6.</b>&nbsp;&nbsp;Entsprechend der unter 5. berechneten allgemeinen Fomel gilt weiter:
 
:$$\rm Pr(3\hspace{0.1cm}Richtige)=\left({6 \atop {3}}\right)\cdot\left({43 \atop {3}}\right)\cdot\left({49 \atop {6}}\right)^{-1}\hspace{0.15cm} \underline{=1.81\cdot10^{-2}}.$$
 
  
:<b>7.</b>&nbsp;&nbsp;<u>Beide Aussagen</u> sind richtig. Die Wahrscheinlichkeiten sind nat&uuml;rlich gleich. Weil das viele wissen und diese ihr Wissen auch (zumindest sich selbst) demonstrieren wollen, spielen sehr viel mehr Menschen diese Kombination als eine eher unspektakul&auml;re. Da aber der in einer Gewinnklasse auszuzahlende Betrag vorher festgelegt wird und dieser Gewinn dann durch eine gr&ouml;&szlig;ere Anzahl von Gewinnern zu teilen ist, bleibt f&uuml;r den Einzelnen nat&uuml;rlich weniger.
 
  
:Da andererseits viele Lottospieler auf ihr Geburtsdatum setzen, ist die hier gew&auml;hlte Komination auch nicht so g&uuml;nstig. Die Zahlen 3, 8 und 9 k&ouml;nnen sowohl den Tag als auch das Monat angeben und zudem beginnt fast bei allen Spielern das Geburtsjahr mit &bdquo;19&rdquo;.
+
'''(7)'''&nbsp; <u>Both statements</u>&nbsp; are correct:
 +
*The probabilities are equal,&nbsp; of course.&nbsp; Because many people know this and want to demonstrate their knowledge&nbsp; (at least to themselves)&nbsp; many more people play this combination than a rather unspectacular one.
 +
*However,&nbsp; since the amount to be paid out in a winning class is determined in advance and this win then has to be divided by a larger number of winners,&nbsp; there is of course less left for the individual.
 +
*On the other hand,&nbsp; since many lottery players bet on their date of birth,&nbsp; the combination chosen here is not so favorable either.&nbsp; The numbers&nbsp; "3",&nbsp; "8" and&nbsp; "9"&nbsp; can indicate both the day and the month and,&nbsp; moreover,&nbsp; almost all players' year of birth starts with&nbsp; "19".
 
{{ML-Fuß}}
 
{{ML-Fuß}}
  
  
  
[[Category:Aufgaben zu Stochastische Signaltheorie|^2.3 Binomialverteilung^]]
+
[[Category:Theory of Stochastic Signals: Exercises|^2.3 Binomial Distribution^]]

Latest revision as of 16:48, 14 December 2021

Lottery ticket for  $\text{"6 out of 49"}$

For the  "number lotto"  the following conditions should apply:

  • Six winning numbers are drawn from the  $49$  numbers  (balls)  in a drum   ("6 out of 49"),
  • then as the seventh ball the so-called  "additional number"  (German:  "Zusatzzahl")   ⇒   $(Z)$.


Independently of this,  a  "super number"  $S \in \{0, \ 1,\hspace{0.1cm} \text{...} \hspace{0.1cm}, \ 9\}$  is selected at random.  If this number matches the final digit of the lottery ticket,  the main prize is increased decisively.

In this exercise,  the following winning classes are considered:

  • 6 correct numbers with  "super number"   ⇒   $\text{"6R + S"}$,
  • 6 correct numbers without  "super number"   ⇒   $\text{"6R"}$,
  • 5 correct numbers with  "additional number"   ⇒   $\text{"5R + Z"}$,
  • 5 correct numbers without  "additional number"   ⇒   $\text{"5R – Z"}$,
  • 4 correct numbers   ⇒   $\text{"4R"}$,
  • 3 correct numbers   ⇒   $\text{"3R"}$.


For subtasks  (1)  to  (6),  start from the upper lottery ticket:   The player has ticked the numbers  "1"  to  "6"  here.



Hints:

  • The exercise belongs to the chapter  Binomial Distribution.
  • This exercise was designed around 2002.  It is possible that the rules of the  (German)  lottery have been changed in the meantime.



Questions

1

What is the probability for  $\text{"6 correct numbers"}$ ?

$ \text{Pr("6R")} \ = \ $

$\ \cdot 10^{-9}$

2

What is the probability for  $\text{"6 correct numbers plus super number"}$ ?

$ \text{Pr("6R + S")} \ = \ $

$\ \cdot 10^{-9}$

3

What is the probability for  $\text{"5 correct numbers plus additional number"}$ ?

$ \text{Pr("5R + Z")} \ = \ $

$\ \cdot 10^{-6}$

4

What is the probability for  $\text{"5 correct numbers without additional number"}$ ?

$\text{Pr("5R – Z")}\ = \ $

$\ \cdot 10^{-6}$

5

What is the probability for  $\text{"4 correct numbers"}$ ?  What is the general result for  $k$  correct numbers in the  "$m\hspace{0.15cm} \text{out of}\hspace{0.15cm} n$"–lotto ?

$\text{Pr("4R")}\ = \ $

$\ \cdot 10^{-3}$

6

What is the probability for  $\text{"3 correct numbers"}$ ?

$\text{Pr("3R")}\ = \ $

$\ \cdot 10^{-3}$

7

Consider the odds of winning the bottom lottery ticket with the numbers  $3, \ 8, \ 9, \ 19, \ 21, \ 46$.  Which of the statements are true?

The probabilities calculated so far still apply.
He would very likely receive a larger winning sum with  $\text{6 correct numbers}$  than with the guess  $123456$.


Solution

(1)  Assuming that the player has ticked the numbers  "1"  to  "6",  the following applies:

$$\text{Pr("6R")}={\rm \Pr}(123456\ \cup 123465\cup \ \text{...} \ \ \cup 654321).$$
  • This takes into account that the order does not matter in the drawing.
  • In total,  there are exactly  $6! = 1 · 2 · 3 · 4 · 5 · 6$  equally probable permutations for the set of numbers:
$$\text{Pr("6R")}=6!\cdot \rm Pr(123456).$$
  • The probability of the number  "1"  being drawn as the first ball is  $1/49$.  The probability of  "2"  being drawn as the second ball is correspondingly  $1/48$  (since there is now one less ball in the drum).  Thus one receives as final result:
$$\rm Pr(123456)=\frac{1}{49}\cdot\frac{1}{48}\cdot \frac{1}{47} \cdot \frac{1}{46}\cdot \frac{1}{45} \cdot \frac{1}{44},$$
$$\text{Pr("6R")}=\frac{1\cdot 2\cdot 3 \cdot 4 \cdot 5 \cdot 6}{49\cdot 48 \cdot 47 \cdot 46 \cdot 45 \cdot 44}.$$
  • This is exactly the inverse of  "49 over 6".  It follows that:
$$\text{Pr("6R")}=\left({49 \atop {6}}\right)^{-1}=13\hspace{0.08cm}983\hspace{0.08cm}816^{-1}\hspace{0.15cm} \underline{\approx71.5\cdot 10^{-9}}.$$


(2)  The probability that the final digit of a lottery ticket matches the super number is  $10\%$.

  • But since the drawing of the super number is independent of the normal drawing, we now get for the probability we are looking for
$$\text{ Pr("6R + S")} \hspace{0.15cm}\underline{\approx \ 7.15\cdot 10^{-9}}.$$


(3)  In what follows,  $Z$  stands for "additional number". Then holds:

$$\text{ Pr("5R + Z")}={\rm Pr(12345} Z \ \cup \ {\rm 1234} Z\rm 6\cup \ \text{...} \ \cup \ Z {\rm 23456)}.$$
  • There are six permutations here. The probability for $\rm 12345Z$ is the same as for $123456$. It follows with the result of subtask  (1):
$$\text{ Pr("5R + Z")}=6\cdot\left({49 \atop {6}}\right)^{-1}\hspace{0.15cm} \underline{=0.429\cdot10^{-6}}.$$


(4)  If we denote by  $X$  a drawn number that is not one of those checked,  we can write for the probability we are looking for:

$${\rm \text{ Pr("5R")}=Pr(12345} X \ \cup \ {\rm 1234} X6\ \cup \ \text{...} \ \cup \ X23456).$$
  • There are six different possibilities for the location of  $X$ , all of which are equally probable. It follows that:
$$\rm \text{ Pr("5R")}=6\cdot Pr(12345\it X\rm ).$$
  • Here  $X$ can stand for any of the numbers  $7$  to  $49$,  which again are all equally probable.
  • Thus,  with  $\rm Pr(123457) = Pr(123456)$,  the result of subtask  (1),  we get:
$$\rm \text{ Pr("5R")}=6\cdot 43\cdot\left({49 \atop {6}}\right)^{-1}=1.85\cdot10^{-5}.$$
  • To subtract is still the case that also the additional number was drawn correctly.  Therefore:
$$\rm \text{ Pr("5R – Z")}\approx 18.5\cdot 10^{-6}-0.429\cdot 10^{-6}\hspace{0.15cm} \underline{\approx 18.1\cdot 10^{-6}}.$$


(5)  After some considerations, we arrive at the result:

$$\rm Pr(\it k\hspace{0.15cm} \rm correct\hspace{0.1cm}numbers)=\left({\it m \atop {\it k}}\right)\cdot\left({\it n-m \atop {m-\it k}}\right)\cdot\left({\it n \atop {m}}\right)^{-1}.$$
  • The last term in this equation gives the probability for a very specific  "$m$ out of $n$"  combination.
  • The first term describes the number of permutations that numbers drawn from  $m$  are exactly  $k$  correct. For  $m = 6$  and  $k= 5$  this gives the factor  $6$.
  • The middle factor gives the number of possibilities that all remaining drawn numbers  $($thus  $m-k)$  is one of the unfavorable numbers  $($for this there are  $n-m)$ .  For  $m = 6$  and  $k= 5$  this term gives the value  $43$ according to point  (4) .
  • As a special case we get for the "6 out of 49" with  $k= 4$:
$$\rm \text{ Pr("4R")}=\left({6 \atop {4}}\right)\cdot\left({43 \atop {2}}\right)\cdot\left({49 \atop {6}}\right)^{-1}\hspace{0.15cm} \underline{=0.969\cdot10^{-3}}.$$


(6)  According to the general formula calculated in  (5),  it further holds:

$$\rm \text{ Pr("3R")}=\left({6 \atop {3}}\right)\cdot\left({43 \atop {3}}\right)\cdot\left({49 \atop {6}}\right)^{-1}\hspace{0.15cm} \underline{=18.1\cdot10^{-3}}.$$


(7)  Both statements  are correct:

  • The probabilities are equal,  of course.  Because many people know this and want to demonstrate their knowledge  (at least to themselves)  many more people play this combination than a rather unspectacular one.
  • However,  since the amount to be paid out in a winning class is determined in advance and this win then has to be divided by a larger number of winners,  there is of course less left for the individual.
  • On the other hand,  since many lottery players bet on their date of birth,  the combination chosen here is not so favorable either.  The numbers  "3",  "8" and  "9"  can indicate both the day and the month and,  moreover,  almost all players' year of birth starts with  "19".