Difference between revisions of "Aufgaben:Exercise 2.1: Election Demand"

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[[File:P_ID90__Sto_A_2_1_.png|right|]]
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[[File:EN_Sto_A_2_1_.png|right|frame|Result of election demand]]
:Zu einer B&uuml;rgermeisterwahl treten die drei Kandidaten <i>A</i>, <i>B</i> und <i>C</i> an. Gew&auml;hlt ist derjenige Kandidat, der mehr als 50% der abgegebenen Stimmen erh&auml;lt. Gelingt dies im ersten Wahlgang keinem der drei Bewerber, so kommt es zwischen den beiden Kandidaten mit den meisten Stimmen zu einer Stichwahl.
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In an election,&nbsp; the three candidates&nbsp; $A$,&nbsp; $B$,&nbsp; $C$&nbsp; are running for mayor.  
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*The candidate who receives more than&nbsp; $50\%$&nbsp; of the votes cast is elected.  
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*If none of the three candidates succeeds in the first ballot,&nbsp; a runoff election shall be held between the two candidates with the most votes.
  
:Direkt nach Schlie&szlig;ung der Wahllokale wird das Ergebnis einer Wahlnachfrage vorgelegt:
 
  
:Kandidat <i>A</i>: 48%, Kandidat <i>B</i>: 30%, Kandidat <i>C</i>: 22%.
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Immediately after the closing of the polling stations,&nbsp; the result of an election demand shall be presented:
  
:Diese Nachfrage basiert auf einer Umfrage unter lediglich <i>N</i> = 2000 der insgesamt <i>N</i>&nbsp;' = 800.000 W&auml;hlerinnen und W&auml;hler. Gehen Sie bei der Beantwortung der nachfolgenden Fragen von folgenden Voraussetzungen aus:
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:Candidate&nbsp; $A$: &nbsp; $48\%$, &nbsp; &nbsp; &nbsp; Candidate&nbsp; $B$: &nbsp; $30\%$, &nbsp; &nbsp; &nbsp; Candidate&nbsp; $C$: &nbsp; $22\%$.  
  
:*Die bei der Wahl von den Kandidaten <i>A</i>, <i>B</i> und <i>C</i> tats&auml;chlich erzielten Stimmen k&ouml;nnen als die Wahrscheinlichkeiten <i>p</i><sub>A</sub>, <i>p</i><sub>B</sub> und <i>p</i><sub>C</sub> aufgefasst werden, obwohl auch diese selbst als relative H&auml;ufigkeiten (bezogen auf <i>N</i> ') ermittelt werden.
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This demand is based on a survey of only&nbsp; $N = 2000$&nbsp; of the total&nbsp; $N' = 800 \hspace{0.05cm}000$&nbsp; voters.  
  
:*Die 2000 ausgew&auml;hlten W&auml;hler repr&auml;sentieren die gesamte W&auml;hlerschaft im statistischen Sinne ideal und haben bei der Wahlnachfrage wahrheitsgem&auml;&szlig; geantwortet.
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In answering the following questions,&nbsp; assume the following:
  
:*Nach dem <i>Bernoullischen Gesetz der gro&szlig;en Zahlen</i> sollen die Ergebnisse dieser Nachfrage als relative H&auml;ufigkeiten aufgefasst werden: <i>h</i><sub>A</sub> = 0.48, <i>h</i><sub>B</sub> = 0.3, <i>h</i><sub>C</sub> = 0.22.
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*The actual (percentage) votes obtained in the election by candidates&nbsp; $A$,&nbsp; $B$&nbsp; and&nbsp; $C$&nbsp; can be taken as the probabilities&nbsp; $p_{\rm A}$,&nbsp; $p_{\rm B}$&nbsp; and&nbsp; $p_{\rm C}$&nbsp; although these are also themselves determined as relative frequencies&nbsp; $($related to&nbsp; $N')$&nbsp; .
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*The&nbsp; $2000$&nbsp; selected voters ideally represent the entire electorate in a statistical sense and answered truthfully when asked to vote.
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*According to [[Theory_of_Stochastic_Signals/From_Random_Experiment_to_Random_Variable#Bernoulli.27s_law_of_large_numbers|Bernoulli's Law of Large Numbers]]&nbsp; the results of this demand are to be understood as relative frequencies:  
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:$$h_{\rm A} = 0.48,\hspace{0.8cm}h_{\rm B} = 0.30,\hspace{0.9cm} h_{\rm C} = 0.22.$$
  
:<b>Hinweis</b>: Die Aufgabe bezieht sich auf das '''Kapitel 2.1'''. Diese Thematik ist in dem folgenden Lernvideo zusammengefasst:
 
  
===Fragebogen===
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Hints:
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*The exercise belongs to the chapter&nbsp; [[Theory_of_Stochastic_Signals/From_Random_Experiment_to_Random_Variable|From Random Experiment to Random Variable]].
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*The topic of this chapter is illustrated with examples in the&nbsp;  (German language)&nbsp;  learning video&nbsp;
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:[[Bernoullisches_Gesetz_der_großen_Zahlen_(Lernvideo)|Bernoullisches Gesetz der großen Zahlen]]&nbsp; $\Rightarrow$ &nbsp; Bernoulli's Law of Large Numbers.
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===Questions===
  
 
<quiz display=simple>
 
<quiz display=simple>
{Wen erwarten Sie nach dieser Nachfrage als zuk&uuml;nftigen B&uuml;rgermeister?
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{Who do you expect as future mayor after this demand?
 
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+ Kandidat A
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+ Candidate&nbsp; $A$,
- Kandidat B
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- candidate&nbsp; $B$,
- Kandidat C
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- candidate&nbsp; $C$.
  
  
{Wie gro&szlig; ist die Wahrscheinlichkeit, dass keine Stichwahl erforderlich sein wird? Geben Sie hierf&uuml;r die obere Schranke an.
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{What is the probability that no runoff will be required?&nbsp; Specify the upper bound here.
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
Maximum: $Pr(keine\ Stichwahl)$ = { 0.156 3% }
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$\text{Maximum: Pr(no runoff)} \ = \ $ { 15.6 3% } $\ \rm \%$
  
  
{Wir setzen nun voraus, dass der Kandidat <i>A</i> tats&auml;chlich genau 48% der Stimmen erh&auml;lt. Wie gro&szlig; ist damit h&ouml;chstens die Wahrscheinlichkeit, dass Kandidat <i>C</i> die Stichwahl erreicht?
+
{We now assume that candidate&nbsp; $A$&nbsp; actually receives exactly&nbsp; $48\%$&nbsp; of the votes. <br>What is the probability&nbsp; (at most)&nbsp; that candidate&nbsp; $C$&nbsp; will reach the runoff?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
Maximum: $Pr(C\ in\ Stichwahl)$ = { 0.039 3% }
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$\text{Maximum: Pr(}C \ \text{in runoff)}\ = \ $ { 3.9 3% } $\ \rm \%$
  
  
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</quiz>
 
</quiz>
  
===Musterlösung===
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===Solution===
 
{{ML-Kopf}}
 
{{ML-Kopf}}
:<b>1.</b>&nbsp;&nbsp;Man sollte dieser Nachfrage zumindest glauben, dass <u>Kandidat <i>A</i></u> wahrscheinlich gewinnt.
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'''(1)'''&nbsp; One should at least believe this demand that&nbsp; $\underline{\text{candidate} \ A}$&nbsp; is likely to win.
:<b>2.</b>&nbsp;&nbsp;Die Wahrscheinlichkeit, dass die Nachfrage (<i>h</i><sub>A</sub>) vom endg&uuml;ltigen Ergebnis (<i>p</i><sub>A</sub>) betragsm&auml;&szlig;ig um mehr als 2% abweicht, ist nach dem Bernouillischen Gesetz der gro&szlig;en Zahlen mit <i>N</i> = 2000:
+
 
:$$Pr(|h_A - p_A| \geq 0.02) \leq \frac{1}{4 \cdot 2000\cdot 0.02^2} = 0.3125.$$
+
 
:Diese Wahrscheinlichkeit beinhaltet die beiden F&auml;lle, dass <i>p</i><sub>A</sub> &#8804; 46% und <i>p</i><sub>A</sub> &#8805; 50% ist. Nur im letzten Fall gibt es keine Stichwahl:
+
'''(2)'''&nbsp; The probability that the demand&nbsp; $(h_{\rm A})$&nbsp; differs from the final outcome&nbsp; $(p_{\rm A})$&nbsp; by more than&nbsp; $2\%$&nbsp; is, according to Bernoulli's law of large numbers,&nbsp; with&nbsp; $N = 2000$:
:$$\rm Pr(keine\hspace{0.1cm}Stichwahl)\le 15.6 \%\hspace{0.15cm}\underline{= 0.156}.$$
+
$${\rm Pr}(|h_{\rm A} - p_{\rm A}| \geq 0.02) \leq \frac{1}{4 \cdot 2000\cdot 0.02^2} = 0.3125.$$
:<b>3.</b>&nbsp;&nbsp;Mit <i>&epsilon;</i> = 4% (ergibt sich aus 0.26 &ndash; 0.22) liefert das Gesetz der gro&szlig;en Zahlen:
+
*This probability includes the two equally likely cases that&nbsp; $p_{\rm A} \le 46\%$&nbsp; and&nbsp; $p_{\rm A} \ge 50\%$&nbsp; is.  
:$$\rm Pr\left(|\it h_{\rm C}-p_{\rm C}|\ge \rm 0.04\right)\le\rm\frac{1}{4\cdot 2000\cdot 0.04^2}=0.078.$$
+
*Only in the last case there is no runoff:
:Daraus folgt: Die Wahrscheinlichkeit, dass Kandidat <i>C</i> mindestens 26% der Stimmen erh&auml;lt, ist nicht gr&ouml;&szlig;er als 3.9%.
+
:$${\rm Pr(no\hspace{0.1cm}runoff)} \le 0.156 \hspace{0.15cm}\underline{=15.6 \%}.$$
:Da <i>p</i><sub>A</sub> = 0.48 fest vorausgesetzt wurde, gilt in diesem Fall gleichzeitig <i>p</i><sub>B</sub> &#8804; 0.26. Da es sich hier um kontinuierliche Zufallsgr&ouml;&szlig;en handelt, sind (<i>p</i><sub>C</sub> &#8805; 0.26; <i>p</i><sub>B</sub> &#8804; 0.26) und (<i>p</i><sub>C</sub> > 0.26; <i>p</i><sub>B</sub> < 0.26) gleich. Damit ist die Wahrscheinlichkeit, dass <i>C</i> die Stichwahl) erreicht,  ebenfalls auf 3.9% beschr&auml;nkt:
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:$$\rm Pr(C\hspace{0.1cm}erreicht\hspace{0.1cm}Stichwahl)\le 3.9 \%\hspace{0.15cm}\underline{= 0.039}.$$
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'''(3)'''&nbsp; With&nbsp; $\varepsilon = 4\%$&nbsp; $($is given by&nbsp; $0.26 -0.22)$&nbsp; yields the law of large numbers:
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:$${\rm Pr}\left(|h_{\rm C}-p_{\rm C}|\ge 0.04\right)\le\rm\frac{1}{4\cdot 2000\cdot 0.04^2}=0.078.$$
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It follows that:  
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*The probability that candidate&nbsp; $C$&nbsp; receives at least&nbsp; $26\%$&nbsp; of the votes is not greater than&nbsp; $3.9\%$.
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*Since&nbsp; $p_{\rm A} = 0.48$&nbsp; was assumed fixed, in this case simultaneously&nbsp; $p_{\rm B} \le 0.26$.  
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*Since these are continuous random variables,&nbsp; $(p_{\rm C} \ge 0.26, \; p_{\rm B} \le 0.26)$&nbsp; and&nbsp; $(p_{\rm C} > 0.26, \; p_{\rm B}< 0.26)$&nbsp; are equal.  
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*Thus, the probability that&nbsp; $C$&nbsp; reaches the runoff is also limited to&nbsp; $3.9\%$&nbsp; :
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:$${\rm Pr(}C\rm \hspace{0.1cm}reaches\hspace{0.1cm}runoff \hspace{0.1cm}election)\le 0.039 \hspace{0.15cm}\underline{= 3.9 \%}.$$
 
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[[Category:Theory of Stochastic Signals: Exercises|^2.1 From Experiment to Random Variable^]]
[[Category:Aufgaben zu Stochastische Signaltheorie|^2.1 Wahrscheinlichkeit und relative Häufigkeit^]]
 

Latest revision as of 14:31, 3 December 2021

Result of election demand

In an election,  the three candidates  $A$,  $B$,  $C$  are running for mayor.

  • The candidate who receives more than  $50\%$  of the votes cast is elected.
  • If none of the three candidates succeeds in the first ballot,  a runoff election shall be held between the two candidates with the most votes.


Immediately after the closing of the polling stations,  the result of an election demand shall be presented:

Candidate  $A$:   $48\%$,       Candidate  $B$:   $30\%$,       Candidate  $C$:   $22\%$.

This demand is based on a survey of only  $N = 2000$  of the total  $N' = 800 \hspace{0.05cm}000$  voters.

In answering the following questions,  assume the following:

  • The actual (percentage) votes obtained in the election by candidates  $A$,  $B$  and  $C$  can be taken as the probabilities  $p_{\rm A}$,  $p_{\rm B}$  and  $p_{\rm C}$  although these are also themselves determined as relative frequencies  $($related to  $N')$  .
  • The  $2000$  selected voters ideally represent the entire electorate in a statistical sense and answered truthfully when asked to vote.
  • According to Bernoulli's Law of Large Numbers  the results of this demand are to be understood as relative frequencies:
$$h_{\rm A} = 0.48,\hspace{0.8cm}h_{\rm B} = 0.30,\hspace{0.9cm} h_{\rm C} = 0.22.$$




Hints:

  • The topic of this chapter is illustrated with examples in the  (German language)  learning video 
Bernoullisches Gesetz der großen Zahlen  $\Rightarrow$   Bernoulli's Law of Large Numbers.


Questions

1

Who do you expect as future mayor after this demand?

Candidate  $A$,
candidate  $B$,
candidate  $C$.

2

What is the probability that no runoff will be required?  Specify the upper bound here.

$\text{Maximum: Pr(no runoff)} \ = \ $

$\ \rm \%$

3

We now assume that candidate  $A$  actually receives exactly  $48\%$  of the votes.
What is the probability  (at most)  that candidate  $C$  will reach the runoff?

$\text{Maximum: Pr(}C \ \text{in runoff)}\ = \ $

$\ \rm \%$


Solution

(1)  One should at least believe this demand that  $\underline{\text{candidate} \ A}$  is likely to win.


(2)  The probability that the demand  $(h_{\rm A})$  differs from the final outcome  $(p_{\rm A})$  by more than  $2\%$  is, according to Bernoulli's law of large numbers,  with  $N = 2000$: $${\rm Pr}(|h_{\rm A} - p_{\rm A}| \geq 0.02) \leq \frac{1}{4 \cdot 2000\cdot 0.02^2} = 0.3125.$$

  • This probability includes the two equally likely cases that  $p_{\rm A} \le 46\%$  and  $p_{\rm A} \ge 50\%$  is.
  • Only in the last case there is no runoff:
$${\rm Pr(no\hspace{0.1cm}runoff)} \le 0.156 \hspace{0.15cm}\underline{=15.6 \%}.$$


(3)  With  $\varepsilon = 4\%$  $($is given by  $0.26 -0.22)$  yields the law of large numbers:

$${\rm Pr}\left(|h_{\rm C}-p_{\rm C}|\ge 0.04\right)\le\rm\frac{1}{4\cdot 2000\cdot 0.04^2}=0.078.$$

It follows that:

  • The probability that candidate  $C$  receives at least  $26\%$  of the votes is not greater than  $3.9\%$.
  • Since  $p_{\rm A} = 0.48$  was assumed fixed, in this case simultaneously  $p_{\rm B} \le 0.26$.
  • Since these are continuous random variables,  $(p_{\rm C} \ge 0.26, \; p_{\rm B} \le 0.26)$  and  $(p_{\rm C} > 0.26, \; p_{\rm B}< 0.26)$  are equal.
  • Thus, the probability that  $C$  reaches the runoff is also limited to  $3.9\%$  :
$${\rm Pr(}C\rm \hspace{0.1cm}reaches\hspace{0.1cm}runoff \hspace{0.1cm}election)\le 0.039 \hspace{0.15cm}\underline{= 3.9 \%}.$$