| Satz von Bayes, die Aktion des Moderators als Indiz | |
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| Der wissende Moderator, der k Ziegentüren zufällig öffnet |
Lektion
Die Theorie — Das Ziegenproblem
Die Wahrscheinlichkeit, dass das Auto nach der Aktion des Moderators hinter einer bestimmten Tür steht, liefert der Satz von Bayes: die A-priori-Wahrscheinlichkeit dieser Tür, 1 ÷ n, multipliziert mit der Likelihood dafür, dass der Moderator genau so handelt, falls das Auto dort steht, geteilt durch die Gesamtwahrscheinlichkeit seiner Aktion.
Was die einzelnen Symbole bedeuten
n- die Anzahl der Türen
k- die Anzahl der Türen, die der Moderator öffnet
P(H | C_i)- die Likelihood: die Chance, dass der Moderator das tut, was er getan hat, falls das Auto hinter Tür i steht
P(C_i | H)- der Posterior: die Chance, dass das Auto hinter Tür i steht, nachdem man gesehen hat, was der Moderator getan hat
Woher die Formel kommt
- Benenne die Hypothesen und weise jeder ihre A-priori-Wahrscheinlichkeit zu. Ci beschreibt das Ereignis, dass das Auto hinter Tür i steht; vor dem Eingreifen des Moderators ist jede Tür gleich wahrscheinlich.
- Bestimme für jede Hypothese, wie wahrscheinlich die Aktion H des Moderators ist. Nur in diesem Schritt fließt seine Verhaltensregel ein. Für den wissenden Moderator, der zufällig k Ziegentüren unter den für ihn möglichen öffnet, gilt mit deiner gewählten Tür d0 und der Menge O der geöffneten Türen:
- Summiere die Werte zur Gesamtwahrscheinlichkeit seiner Aktion auf.
- Teile jedes Produkt aus A-priori-Wahrscheinlichkeit und Likelihood durch diese Gesamtwahrscheinlichkeit. Beim wissenden Moderator behält deine Tür stets 1/n, ganz gleich, welche Türen er öffnet; auf jede der m = n − 1 − k anderen geschlossenen Türen entfällt (n − 1)/(nm).
Aufgaben vollständig gelöst
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Die drei Türen, nach dem Satz von Bayes 4 Schritte
Du wählst Tür 1. Der Moderator, der weiß, wo das Auto steht, und immer eine Ziegentür öffnet, wobei er zufällig wählt, wenn er die Wahl hat, öffnet Tür 3. Bestimme die Wahrscheinlichkeit, dass das Auto hinter Tür 1 oder hinter Tür 2 steht. Klick auf Drei Türen, um das zu prüfen.
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Bevor er handelt, ist jede Tür gleich wahrscheinlich:
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Wie wahrscheinlich ist es, dass er Tür 3 öffnet, für jeden möglichen Ort des Autos?
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Die Gesamtwahrscheinlichkeit, dass er Tür 3 öffnet:
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Teile für jede Tür das Produkt aus Prior und Likelihood durch diese Summe:
Antwort
Das Auto steht mit einer Wahrscheinlichkeit von 1/3 hinter Tür 1 und mit einer Wahrscheinlichkeit von 2/3 hinter Tür 2. Die gesamte Antwort liegt im zweiten Schritt: Steht das Auto hinter Tür 2, ist er gezwungen, Tür 3 zu öffnen. Steht es jedoch hinter Tür 1, öffnet er Tür 3 nur in der Hälfte der Fälle. Sein Öffnen von Tür 3 ist also doppelt so wahrscheinlich, wenn das Auto hinter Tür 2 steht.
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Vier Türen, eine geöffnet 5 Schritte
Vier Türen. Du wählst Tür 1. Der Moderator weiß, wo das Auto steht, und öffnet eine der anderen Türen mit einer Ziege dahinter; hat er die Wahl, entscheidet der Zufall. Er öffnet Tür 4. Bestimme die Wahrscheinlichkeit für jede noch geschlossene Tür und überprüfe das Ergebnis durch Abzählen vor seiner Aktion.
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Vor seiner Aktion:
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Wie wahrscheinlich ist es für jedes mögliche Versteck des Autos, dass er Tür 4 öffnet? Steht das Auto hinter Tür 1, hat er drei Ziegentüren zur Auswahl; hinter Tür 2 oder Tür 3 nur zwei:
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Die Gesamtwahrscheinlichkeit dafür, dass er Tür 4 öffnet:
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Teile für jede Tür das Produkt aus A-priori-Wahrscheinlichkeit und Likelihood durch diese Gesamtwahrscheinlichkeit:
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Dasselbe Ergebnis ohne Bayes: Wechselst du auf gut Glück zu einer geschlossenen Tür, gewinnst du nur bei einer falschen Erstwahl (Wahrscheinlichkeit 3/4) und wenn das Auto hinter einer der beiden geschlossenen Türen steht:
Antwort
Tür 1 behält 1/4; auf die Türen 2 und 3 entfallen je 3/8. Wechseln schlägt Bleiben. Die 3/4, die vorher auf die Türen 2, 3 und 4 zusammen entfielen, teilen sich nun zwei Türen; keine von ihnen erreicht diesen Wert allein.
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Ein ahnungsloser Moderator 4 Schritte
Drei Türen, und du wählst Tür 1. Dieser Moderator weiß nicht, wo das Auto steht: Er öffnet zufällig Tür 2 oder Tür 3, und hinter Tür 3 zeigt sich eine Ziege. Bestimme die Wahrscheinlichkeit dafür, dass das Auto hinter Tür 1 steht, und dafür, dass es hinter Tür 2 steht. Klick auf Ahnungsloser Moderator, um das zu prüfen.
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Vor seiner Aktion:
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H3 steht dafür, dass Tür 3 geöffnet wird und eine Ziege dahintersteht. Steht das Auto hinter Tür 1 oder Tür 2, wählt er Tür 3 in der Hälfte der Fälle, und eine Ziege ist zu sehen. Steht das Auto hinter Tür 3, würde er das Auto enthüllen; H3 kann also gar nicht eintreten:
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Die Gesamtwahrscheinlichkeit von H3:
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Teile:
Antwort
1/2 und 1/2. Die geöffnete Tür und die Ziege stimmen mit der ersten Aufgabe überein. Geändert hat sich nur die Likelihood für Tür 2, von 1 auf 1/2: Dieser Moderator musste das Auto schließlich nicht bewusst meiden.
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Ein Moderator mit Lieblingstür 5 Schritte
Drei Türen, du wählst Tür 1, und der Moderator weiß, wo das Auto steht. Befindet sich das Auto hinter Tür 1, sodass er Tür 2 oder Tür 3 öffnen darf, wählt er Tür 2 mit Wahrscheinlichkeit p. Bestimme die Gewinnchance beim Wechseln, wenn er Tür 2 öffnet, und wenn er Tür 3 öffnet. Setze dann p = 1: Das ist der Moderator, der stets die Ziegentür mit der kleinsten Nummer öffnet. Klick auf Voreingenommen: Tür 2, um p = 1 zu prüfen.
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Vor seiner Aktion:
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Die Likelihood für jeden Zug. Steht das Auto hinter Tür 2 oder Tür 3, hat er keine Wahl:
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Die Gesamtwahrscheinlichkeit für jeden Zug:
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Teile. Wechselst du nach Tür 2, nimmst du Tür 3; nach Tür 3 wählst du Tür 2:
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Für p = 1:
Antwort
Wechseln gewinnt mit Wahrscheinlichkeit 1/(1 + p) nach Tür 2 und 1/(2 − p) nach Tür 3. Für jedes p von 0 bis 1 liegen beide Werte bei mindestens 1/2; Wechseln schneidet also nie schlechter ab als Bleiben, ganz gleich, was er bevorzugt. Für p = 1 ergeben sich 1/2 und 1; bei p = 1/2 – dem Moderator der ersten Aufgabe – liefern beide 2/3.
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Wenn das Angebot das Indiz ist 5 Schritte
Drei Türen, du wählst Tür 1. Traf deine Erstwahl das Auto, bietet der Moderator immer einen Wechsel an; stand sie auf einer Ziege, bietet er nur mit Wahrscheinlichkeit q an. Wann immer er anbietet, öffnet er eine Ziegentür – per Zufall, falls zwei bereitstehen. Er unterbreitet das Angebot und öffnet Tür 3. Für welche Werte von q solltest du wechseln? Monty Hell entspricht q = 0: Klick auf Monty-Hölle, um das zu prüfen.
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Vor seiner Aktion:
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H3 steht jetzt für ein Wechselangebot samt geöffneter Tür 3. Steht das Auto hinter Tür 1, bietet er sicher an und öffnet Tür 3 in der Hälfte der Fälle. Steht es hinter Tür 2, bietet er mit Wahrscheinlichkeit q an und muss Tür 3 öffnen. Steht es hinter Tür 3, kann er sie nicht öffnen:
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Die Gesamtwahrscheinlichkeit von H3:
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Teile:
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Vergleiche die beiden geschlossenen Türen:
Antwort
Wechsle bei q > 1/2 und bleibe bei q < 1/2; bei q = 1/2 sind beide Optionen gleichwertig. Ein Moderator, der immer anbietet (q = 1), beschert dem Wechseln 2/3; bei Monty Hell (q = 0) bringt es gar nichts. Das Angebot ist ein eigenes Indiz: Bietet der Moderator bei einem Fehlgriff weniger als halb so oft an wie bei einem Treffer, spricht das fürs Bleiben.
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Bertrands Schachteln 4 Schritte
Drei Schachteln enthalten zwei Goldmünzen, zwei Silbermünzen und je eine von beiden. Du wählst zufällig eine Schachtel und ziehst blind eine Münze daraus: Sie ist aus Gold. Wie groß ist die Wahrscheinlichkeit, dass auch die zweite Münze in dieser Schachtel aus Gold ist?
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Bezeichne die Schachteln mit GG, SS und GS. Vor dem Ziehen:
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Wie wahrscheinlich ist eine Goldmünze aus der jeweiligen Schachtel?
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Die Gesamtwahrscheinlichkeit, Gold zu ziehen:
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Teile:
Antwort
2/3, nicht 1/2, wie man es beim bloßen Abzählen der beiden Schachteln mit möglicher Goldmünze vermutet. Die reine Goldschachtel liefert jedes Mal Gold, die gemischte nur in der Hälfte der Fälle; eine gezogene Goldmünze stammt daher doppelt so wahrscheinlich aus der ersten. Joseph Bertrand stellte dieses Rätsel 1889 in seinem Werk Calcul des probabilités vor – 86 Jahre bevor Steve Selvin den Lesern von The American Statistician die drei Türen präsentierte.
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Weitere Aufgaben, nur mit Lösungen
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Drei Gefangene, A, B und C, erfahren, dass einer von ihnen nach dem Zufallsprinzip begnadigt wird. A bittet den Wärter, einen der beiden anderen zu nennen, der hingerichtet wird; trifft es beide, wählt der Wärter rein zufällig einen aus. Er nennt B. Bestimme die Wahrscheinlichkeit, dass A begnadigt wird, und dass C begnadigt wird.
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1/3 und 2/3. Es sind die drei Türen, mit dem Wärter in der Rolle des Moderators.
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Hundert Türen. Der wissende Moderator öffnet 98 der 99 von dir nicht gewählten Türen, allesamt Ziegen. Bestimme die Wahrscheinlichkeit für deine Tür und für diejenige, die er geschlossen ließ.
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1/100 und 99/100.
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Fünf Türen. Der wissende Moderator öffnet zufällig zwei Ziegentüren unter den vier Türen, die du nicht gewählt hast. Bestimme die Wahrscheinlichkeit für deine Tür und für jede der beiden anderen geschlossenen Türen.
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1/5 und jeweils 2/5.
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Zehn Türen. Ein ahnungsloser Moderator öffnet auf gut Glück 8 der 9 von dir nicht gewählten Türen, und hinter allen 8 stehen Ziegen. Bestimme die Wahrscheinlichkeit für deine Tür, für die andere geschlossene Tür sowie dafür, dass ein solcher Moderator überhaupt 8 Ziegen aufdeckt.
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1/2 und 1/2; er zeigt 8 Ziegen mit einer Wahrscheinlichkeit von 1/5.
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Betrachte die Aufgabe mit der Lieblingstür für p = 1/3. Er öffnet Tür 3. Wie groß ist die Gewinnchance beim Wechseln?
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1/(2 − 1/3) = 3/5.
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Tausend Spiele mit dem wissenden Moderator. Zwischen welchen beiden Quoten sollte die Gewinnquote beim Wechseln in 95 % der Fälle liegen?
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2/3 ± 1,96 √((2/3 · 1/3)/1000): von 63,74 % bis 69,59 %.
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