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Das Umtauschparadoxon oder Briefumschlagparadoxon beschreibt eine spezielle mathematische Situation bei der das naive Rechnen mit Erwartungswerten insbesondere die Anwendung des Indifferenzprinzips zu einem Widerspruch zum gesunden Menschenverstand fuhrt Es hat Ahnlichkeit mit dem Zwei Zettel Spiel und dem Ziegenproblem dieses hat jedoch einen anderen wahrscheinlichkeitstheoretischen Hintergrund Inhaltsverzeichnis 1 Geschichte 2 Die Umtauschsituation 3 Das Paradoxon 4 Die Denkfalle 5 Analyse mit bedingten Wahrscheinlichkeiten 5 1 Diskrete Verteilungen 5 2 Beispiel 5 3 Stetige Verteilungen 5 4 Erklarung durch die Formel vom totalen Erwartungswert 6 Anwendung des Zwei Zettel Spiels 6 1 Beispiel 7 Siehe auch 8 Weblinks 9 EinzelnachweiseGeschichte BearbeitenDas Umtauschparadoxon lasst sich zumindest bis 1953 zuruckverfolgen und wurde damals in einem Buch des belgischen Mathematikers Maurice Kraitchik sinngemass folgendermassen formuliert Zwei gleich wohlhabende Personen treffen einander und wollen die Inhalte ihrer Geldborsen vergleichen Keiner weiss wie viel Geld der andere in der Borse hat Sie vereinbaren folgendes Spiel Derjenige der weniger Geld in der Borse hat gewinnt den Inhalt der Geldborse des anderen Falls beide gleich viel haben sollten behalt jeder sein Geld Nun konnte einer der beiden folgende Uberlegung anstellen Angenommen ich habe den Betrag A in meiner Borse Dann ist das das Maximum das ich verlieren kann Mit Wahrscheinlichkeit 0 5 gewinne ich allerdings und habe danach mehr als 2A Daher ist das Spiel gunstig fur mich Der andere konnte allerdings genauso argumentieren Aus Symmetriegrunden muss das Spiel aber fair sein Worin liegt der Trugschluss dieser Argumentation 1 Martin Gardner verbreitete das Ratsel 1982 in seinem Buch Aha Gotcha ebenfalls in der Gestalt eines Geldborsenspiels 2 Die heutige Form mit den beiden Briefumschlagen wurde 1989 von Barry Nalebuff formuliert 3 Die Umtauschsituation BearbeitenHerr Lemke mochte Herrn Schmidt beschenken und gibt ihm zwei Briefumschlage mit den Worten Ich schenke Ihnen einen dieser Umschlage In beiden befindet sich ein Geldbetrag im einen doppelt so viel wie im anderen Sie durfen einen Umschlag offnen und dann entscheiden welchen der beiden Umschlage Sie nehmen Herr Schmidt offnet einen zufallig ausgewahlten der beiden Umschlage findet zum Beispiel 100 Euro und uberlegt Ich habe in diesem Umschlag 100 Euro Wenn ich tausche habe ich mit einer Wahrscheinlichkeit von 50 200 Euro und mit der gleichen Wahrscheinlichkeit 50 Euro Dies macht einen Erwartungswert von 125 Euro 125 0 5 50 0 5 200 displaystyle 125 0 5 cdot 50 0 5 cdot 200 nbsp Nach dieser Uberlegung wurde sich das Tauschen lohnen Das Paradoxon BearbeitenDie folgende Uberlegung fuhrt Herrn Schmidts Rechnung vermeintlich ad absurdum Wenn die Rechnung von Herrn Schmidt fur jeden beliebigen Betrag das Ergebnis lieferte dass sich Tauschen lohne so brauchte er den Umschlag gar nicht zu offnen sondern konnte gleich den anderen Umschlag nehmen Es kann aber nicht sein dass der andere Umschlag immer besser ist da ja beide Umschlage vor dem Offnen offensichtlich gleichwertig sind Die Denkfalle BearbeitenEine mogliche Denkfalle besteht darin dass Herr Schmidt entweder das Indifferenzprinzip oder die bedingte Wahrscheinlichkeit falsch anwendet also davon ausgeht dass die 100 Euro mit einer 50 50 Wahrscheinlichkeit den halben oder den doppelten Betrag darstellen Abhangig von Herrn Lemkes Auswahlverfahren kann das fur diesen Betrag richtig sein jedoch nicht fur alle Betrage Zunachst wird tatsachlich mit einer 50 Wahrscheinlichkeit der Umschlag mit dem kleineren oder grosseren Betrag geoffnet Es handelt sich daher entweder um die 50 100 oder um die 100 200 Euro Kombination Daraus kann aber nicht geschlossen werden dass unter der Bedingung dass 100 Euro gefunden wurden die Wahrscheinlichkeiten fur die beiden Kombinationen gleich sind Uber die Wahrscheinlichkeiten dieser Falle ist nichts bekannt und das Indifferenzprinzip ist ausgehend von einem aufgedeckten Betrag x displaystyle x nbsp auf die Ereignisse doppelter Betrag 2 x displaystyle 2x nbsp und halber Betrag 1 2 x displaystyle tfrac 1 2 x nbsp aus grundsatzlichen Erwagungen heraus nicht anwendbar In der Denkfallen Sammlung 4 wird das an einigen Rechenbeispielen weiter verdeutlicht 5 6 Hingegen ist es durchaus moglich dass ausgehend vom Wert des geoffneten Umschlags der bedingte Erwartungswert des ungeoffneten Umschlags immer hoher ist dies aber nur wenn der Erwartungswert des ungeoffneten Umschlags grosser als der Erwartungswert des geoffneten Umschlags ist oder wenn beide Erwartungswerte unendlich sind Analyse mit bedingten Wahrscheinlichkeiten BearbeitenDie Rechnung mit einer 50 50 Wahrscheinlichkeit entspringt also einer unzulassigen Anwendung des Indifferenzprinzips Die Berechnung des Erwartungswertes kann aber auch bei anderen Wahrscheinlichkeiten zu dem scheinbaren Widerspruch fuhren dass ein Tausch immer angezeigt ware Um allgemein eine sinnvolle Tauschentscheidung zu treffen muss sich Herr Schmidt vor Augen halten dass er bedingte Wahrscheinlichkeiten verwenden muss wenn er den Betrag im geoffneten Umschlag in seine Rechnung einbezieht Der folgende Abschnitt enthalt eine formale Analyse ob bei einer gegebenen Wahrscheinlichkeitsverteilung ein Tausch fur gewisse Betrage sinnvoll sein kann und ob es uberhaupt eine Wahrscheinlichkeitsverteilung geben kann bei der ein Tausch immer angezeigt ist Ob diese Wahrscheinlichkeitsverteilung eine subjektive Einschatzung von Herrn Schmidt ist oder ob eine Wahrscheinlichkeitsverteilung der Betrage tatsachlich bekannt ist ist fur die Analyse unwesentlich 7 Dazu kann beispielsweise folgende Notation verwendet werden die Zufallsvariable Z gt 0 displaystyle Z gt 0 nbsp bezeichnet den kleineren Betrag in den Umschlagen im anderen Umschlag befindet sich dann der Betrag 2 Z displaystyle 2Z nbsp die Zufallsvariable X displaystyle X nbsp bezeichnet den Betrag den Herr Schmidt im zuerst geoffneten Briefumschlag findet die Zufallsvariable Y displaystyle Y nbsp bezeichnet den Betrag der im anderen noch ungeoffneten Umschlag ist Da beide Umschlage mit gleicher Wahrscheinlichkeit gewahlt werden haben X displaystyle X nbsp und Y displaystyle Y nbsp die gleiche Verteilung sind aber wegen X Y 3 Z displaystyle X Y 3Z nbsp voneinander stochastisch abhangig Fur die Erwartungswerte gilt E X E Y 3 2 E Z displaystyle EX EY tfrac 3 2 EZ nbsp Herr Schmidt will offensichtlich die Erwartung von Y displaystyle Y nbsp berechnen wenn er X displaystyle X nbsp kennt also die bedingte Erwartung E Y X displaystyle E Y mid X nbsp Diskrete Verteilungen Bearbeiten Zunachst soll der Fall behandelt werden dass Z displaystyle Z nbsp und damit auch X displaystyle X nbsp und Y displaystyle Y nbsp eine diskrete Verteilung besitzt In diesem Fall bezeichne p n P Z n displaystyle p n P Z n nbsp die Wahrscheinlichkeit dass der kleinere Betrag in den Umschlagen gleich n displaystyle n nbsp ist Fur die Verteilung von X displaystyle X nbsp und Y displaystyle Y nbsp folgt dann P X n P Y n p n 2 p n 2 2 displaystyle P X n P Y n frac p n 2 frac p n 2 2 nbsp Im diskreten Fall gilt fur die gesuchte bedingte Erwartung 8 E Y X n j y j P Y y j X n displaystyle E Y mid X n sum j y j P Y y j mid X n nbsp Die bedingte Wahrscheinlichkeit P Y y j X n displaystyle P Y y j mid X n nbsp ist laut Problemstellung nur dann von Null verschieden wenn entweder y j 2 n displaystyle y j 2n nbsp oder y j n 2 displaystyle y j n 2 nbsp In diesen Fallen gilt fur die Wahrscheinlichkeit dass Herr Schmidt den doppelten Betrag im anderen Briefumschlag findet P Y 2 n X n P Z n X n P Z n und X n P X n 1 2 P Z n P Z n 2 P Z n 2 2 p n p n p n 2 displaystyle begin aligned P left Y 2n mid X n right amp P left Z n mid X n right amp frac P left Z n text und X n right P left X n right amp frac frac 1 2 P left Z n right frac P left Z n right 2 frac P left Z n 2 right 2 amp frac p n p n p n 2 end aligned nbsp Die bedingte Wahrscheinlichkeit dass Herr Schmidt den halben Betrag im anderen Briefumschlag findet ist gerade komplementar hierzu also gilt P Y n 2 X n 1 p n p n p n 2 p n 2 p n p n 2 displaystyle P left Y n 2 mid X n right 1 frac p n p n p n 2 frac p n 2 p n p n 2 nbsp Sofern der Erwartungswert der Verteilung mit den korrekten Wahrscheinlichkeiten existiert erhielte man E E Y X n 2 n p n p n p n 2 n 2 p n 2 p n p n 2 4 p n p n 2 2 p n p n 2 n displaystyle E E Y mid X n 2n frac p n p n p n 2 frac n 2 frac p n 2 p n p n 2 frac 4p n p n 2 2 left p n p n 2 right n nbsp Zu tauschen wurde sich demnach genau dann auszahlen wenn E gt n displaystyle E gt n nbsp gilt dies ist genau dann der Fall wenn p n gt p n 2 2 displaystyle p n gt tfrac p n 2 2 nbsp gilt Verteilungen die diese Bedingung fur alle moglichen n displaystyle n nbsp erfullen lassen sich konstruieren Z displaystyle Z nbsp hat dann aber keinen endlichen Erwartungswert Fur so eine a priori Verteilung ist der gegebene Vorteil der Tauschentscheidung fur jeden vorgefundenen Wert im geoffneten Umschlag zwar nicht intuitiv aber nicht paradox 7 Naturlich widerspricht die Annahme dass beliebig hohe Betrage im Umschlag sein konnen der praktischen Einschrankung dass niemand also auch nicht Herr Lemke beliebig viel Geld zur Verfugung hat Wenn der durchschnittliche Erwartungswert fur einen Umschlag endlich ist kann das obige Ergebnis leicht erweitert werden Man kann beweisen dass der durchschnittliche erwartete Gewinn 0 sein muss Da es sich nun um Summen unendlicher Reihen handelt kann es hilfreich sein sich an Zenos Paradoxon der Rennbahn zu erinnern Um eine bestimmte Distanz zuruckzulegen muss Achilles zuerst die Halfte dieser Distanz laufen dann die Halfte der verbleibenden Distanz dann die Halfte davon und so weiter bis ins Unendliche Die unendliche Folge dieser Intervalle 1 2 1 4 1 8 1 2 n displaystyle tfrac 1 2 tfrac 1 4 tfrac 1 8 ldots left tfrac 1 2 right n ldots nbsp nimmt stetig in Richtung 0 als Grenzwert ab Eine gegen 0 konvergierende Folge heisst Nullfolge Per Definition ist die Summe einer unendlichen Reihe der Grenzwert der Folge ihrer Partialsummen sofern dieser Grenzwert existiert Mit anderen Worten die Summe ist die Zahl L displaystyle L nbsp so dass fur jedes Intervall e displaystyle varepsilon nbsp wie klein es auch sein mag nach einem bestimmten Punkt in der Folge von Partialsummen alle nachfolgenden Umschlage innerhalb von e displaystyle varepsilon nbsp von L displaystyle L nbsp liegen Die unendliche Reihe 1 2 1 4 1 8 1 2 n displaystyle tfrac 1 2 tfrac 1 4 tfrac 1 8 ldots left tfrac 1 2 right n ldots nbsp konvergiert gegen 1 Im Allgemeinen hat eine unendliche Reihe genau dann eine Summe wenn die Folge ihrer Partialsummen konvergiert Der Erwartungswert fur den Umschlag ist E X 2 0 p 0 n 1 2 n p n 1 2 n p n displaystyle E X 2 0 p 0 sum n 1 infty 2 n p n 1 2 n p n nbsp Unter der Annahme dass sie einen endlichen Wert hat muss es sich also um eine konvergente unendliche Reihe handeln Die Partialsumme von E E Y X X displaystyle E E Y mid X X nbsp dem durchschnittlichen erwarteten Gewinn bei gegebenem X displaystyle X nbsp ist 2 0 p 0 n 1 k 2 n p n 1 2 n 1 p n 2 0 p 0 n 1 k 2 n 1 p n 2 n p n 1 2 0 p 0 2 0 p 0 2 1 p 1 2 1 p 1 2 k 1 p k 1 2 k 1 p k 1 2 k p k 2 k p k displaystyle begin aligned amp 2 0 p 0 sum n 1 k 2 n p n 1 2 n 1 p n amp 2 0 p 0 sum n 1 k 2 n 1 p n 2 n p n 1 amp 2 0 p 0 2 0 p 0 2 1 p 1 2 1 p 1 ldots 2 k 1 p k 1 2 k 1 p k 1 2 k p k amp 2 k p k end aligned nbsp Da die Folge der Partialsummen von E E Y X X displaystyle E E Y mid X X nbsp ist die Folge 2 k p k displaystyle 2 k p k nbsp und es ergibt sich E E Y X X lim k 2 k p k displaystyle E E Y mid X X lim k to infty 2 k p k nbsp Aus der Tatsache dass E X 2 0 p 0 n 1 2 n p n 1 2 n p n displaystyle E X 2 0 p 0 sum n 1 infty 2 n p n 1 2 n p n nbsp konvergiert folgt dass auch 2 0 p 0 n 1 2 n p n displaystyle 2 0 p 0 sum n 1 infty 2 n p n nbsp konvergiert Daher konvergiert die Folge 2 k p k displaystyle 2 k p k nbsp fur k displaystyle k to infty nbsp gegen 0 Der durchschnittliche erwartete Gewinn E E Y X X displaystyle E E Y mid X X nbsp betragt 0 weil es sich um den Grenzwert dieser Folge handelt 9 Beispiel Bearbeiten Wenn man eine Wahrscheinlichkeitsverteilung annimmt mit der Herr Lemke das Geld in die Briefumschlage verteilt lasst sich die Situation sehr gut simulieren Beispielsweise sei angenommen er bestimmt den Betrag indem er einen fairen Wurfel wirft Zeigt der Wurfel k displaystyle k nbsp Augen so steckt er 2 k 1 25 displaystyle 2 k 1 cdot 25 nbsp Euro in den einen und 2 k 25 displaystyle 2 k cdot 25 nbsp Euro in den anderen Umschlag Herr Schmidt findet dann mit Wahrscheinlichkeit 1 12 displaystyle tfrac 1 12 nbsp den Betrag 25 Euro im Umschlag mit Wahrscheinlichkeit je 2 12 displaystyle tfrac 2 12 nbsp einen der Betrage 50 100 200 400 oder 800 Euro und wieder mit Wahrscheinlichkeit 1 12 displaystyle tfrac 1 12 nbsp den Betrag 1600 Euro Tauscht er nicht so betragt der Erwartungswert des Geldgeschenkes also 1 12 25 2 50 2 100 2 200 2 400 2 800 1600 393 75 Euro displaystyle tfrac 1 12 left 25 2 cdot 50 2 cdot 100 2 cdot 200 2 cdot 400 2 cdot 800 1600 right 393 75 text Euro nbsp Tauscht Herr Schmidt in jedem Fall so andert sich sein Erwartungswert nicht da er insbesondere auch den Betrag von 1600 Euro tauscht obwohl er in diesem Fall nichts gewinnen kann Vermutet Herr Schmidt aber dass wohl kaum mehr als 1000 Euro im Umschlag sind und entscheidet sich daher dann und nur dann zu tauschen wenn hochstens 500 Euro im Umschlag sind so andern sich die Wahrscheinlichkeiten Nach dem Tausch hat Herr Schmidt dann weiterhin mit Wahrscheinlichkeit 1 12 displaystyle tfrac 1 12 nbsp den Betrag 25 Euro im Umschlag ebenso mit Wahrscheinlichkeit je 2 12 displaystyle tfrac 2 12 nbsp einen der Betrage 50 100 oder 200 Euro den Betrag von 400 Euro allerdings nur noch mit Wahrscheinlichkeit 1 12 displaystyle tfrac 1 12 nbsp da Herr Schmidt bei 800 Euro nicht mehr tauscht dafur aber mit Wahrscheinlichkeit 3 12 displaystyle tfrac 3 12 nbsp den Betrag von 800 Euro und wieder mit Wahrscheinlichkeit 1 12 displaystyle tfrac 1 12 nbsp den Betrag 1600 Euro Der Erwartungswert des Geldgeschenkes ist nun also 1 12 25 2 50 2 100 2 200 1 400 3 800 1600 427 08 Euro displaystyle frac 1 12 left 25 2 cdot 50 2 cdot 100 2 cdot 200 1 cdot 400 3 cdot 800 1600 right 427 08 text Euro nbsp Schatzt Herr Schmidt die Situation besser ein und beschliesst erst ab 1000 Euro aufs Tauschen zu verzichten kann er den Erwartungswert sogar auf 460 62 Euro erhohen wird er aber zu gierig und tauscht beispielsweise bis zu 2000 Euro so fallt er wieder auf den Ausgangswert 393 75 Euro zuruck Fur Herrn Schmidt ist es naturlich schwierig Herrn Lemke richtig einzuschatzen wesentlich ist aber dass das Paradoxon verschwindet sobald man irgendeine konkrete Wahrscheinlichkeitsverteilung annimmt Je nach Tauschstrategie von Herrn Schmidt andert sich der Erwartungswert des Geldgeschenks die Strategie Tausche immer ist aber gleich gut oder schlecht wie die Strategie Tausche nie Stetige Verteilungen Bearbeiten Im Falle dass der kleinere Geldbetrag Z displaystyle Z nbsp und damit auch X displaystyle X nbsp und Y displaystyle Y nbsp eine stetige Verteilung besitzt ergeben sich im Wesentlichen qualitativ die gleichen Ergebnisse allerdings konnen die obigen Formeln fur den diskreten Fall nicht einfach analog ubernommen werden 7 Ausserdem muss beachtet werden dass im stetigen Fall das bedingende Ereignis X x displaystyle X x nbsp fur alle x displaystyle x nbsp die Wahrscheinlichkeit null hat so dass nicht mehr die elementaren Definitionen fur die bedingte Wahrscheinlichkeit und den bedingten Erwartungswert verwendet werden konnen sondern abstraktere Versionen benutzt werden mussen Es bezeichne f displaystyle f nbsp die Dichtefunktion von Z displaystyle Z nbsp Die Variablen X displaystyle X nbsp und Y displaystyle Y nbsp haben dann beide die gleiche Dichte g displaystyle g nbsp und es gilt g x 1 2 f x 1 4 f x 2 displaystyle g x frac 1 2 f x frac 1 4 f left frac x 2 right nbsp Im Vergleich zum diskreten Fall erscheint vielleicht der Faktor 1 4 displaystyle tfrac 1 4 nbsp zunachst uberraschend Allerdings ware die durch den analog gebildeten Ausdruck g x 1 2 f x 1 2 f x 2 displaystyle tilde g x tfrac 1 2 f x tfrac 1 2 f x 2 nbsp definierte Funktion nicht einmal eine Wahrscheinlichkeitsdichte Die korrekte Formel erhalt man beispielsweise durch Betrachten der Verteilungsfunktionen F x P Z x displaystyle F x P Z leq x nbsp und G x P X x displaystyle G x P X leq x nbsp Da die Auswahl der Umschlage mit gleicher Wahrscheinlichkeit und unabhangig von Z displaystyle Z nbsp erfolgt gilt P X x 1 2 P Z x 1 2 P 2 Z x displaystyle P X leq x frac 1 2 P Z leq x frac 1 2 P 2Z leq x nbsp also G x 1 2 F x 1 2 F x 2 displaystyle G x frac 1 2 F x frac 1 2 F x 2 nbsp Differenzieren nach x displaystyle x nbsp ergibt wegen G x g x displaystyle G x g x nbsp und F x f x displaystyle F x f x nbsp obige Formel fur g displaystyle g nbsp Als bedingte Wahrscheinlichkeit dass Herr Schmidt im anderen Umschlag den doppelten Betrag findet kann nun P Y 2 x X x 2 f x 2 f x f x 2 displaystyle P Y 2x mid X x frac 2f x 2f x f x 2 nbsp und entsprechend fur den anderen Fall P Y x 2 X x 1 2 f x 2 f x f x 2 f x 2 2 f x f x 2 displaystyle P Y x 2 mid X x 1 frac 2f x 2f x f x 2 frac f x 2 2f x f x 2 nbsp gesetzt werden 7 Damit erhalt man E Y X x 2 x 2 f x 2 f x f x 2 x 2 f x 2 2 f x f x 2 8 f x f x 2 4 f x 2 f x 2 x displaystyle E Y mid X x 2x frac 2f x 2f x f x 2 frac x 2 cdot frac f x 2 2f x f x 2 frac 8f x f x 2 4f x 2f x 2 cdot x nbsp als mogliche Version des bedingten Erwartungswerts Somit gilt E Y X x gt x displaystyle E Y mid X x gt x nbsp genau dann wenn f x gt 1 4 f x 2 displaystyle f x gt tfrac 1 4 f x 2 nbsp ist Wird beispielsweise fur Z displaystyle Z nbsp eine stetige Gleichverteilung auf dem Intervall 25 800 displaystyle 25 800 nbsp angenommen so ergibt sich E Y X x 2 x fur 25 x lt 50 3 2 x fur 50 x 800 x 2 fur 800 lt x 1600 displaystyle E Y mid X x begin cases 2x amp mbox fur quad 25 leq x lt 50 frac 3 2 x amp mbox fur quad 50 leq x leq 800 frac x 2 amp mbox fur quad 800 lt x leq 1600 end cases nbsp Der erste und der dritte Fall sind anschaulich klar Wenn im geoffneten Umschlag weniger als 50 Euro sind muss es sich um den kleineren der beiden Betrage handeln bei mehr als 800 Euro um den grosseren Im mittleren Fall ist hingegen ein Vergleich mit dem diskreten Fall interessant denn eine diskrete Gleichverteilung von Z displaystyle Z nbsp auf der Menge 25 26 27 800 displaystyle 25 26 27 ldots 800 nbsp ergibt in diesem Bereich nur 5 4 x displaystyle tfrac 5 4 x nbsp fur gerades x displaystyle x nbsp aber 2 x displaystyle 2x nbsp fur ungerades x displaystyle x nbsp als bedingten Erwartungswert Es existieren auch stetige Verteilungen so dass formal E Y X x gt x displaystyle E Y mid X x gt x nbsp fur alle x displaystyle x nbsp gilt Wie im diskreten Fall hat dann Z displaystyle Z nbsp jedoch keinen endlichen Erwartungswert Ein Beispiel ist die Verteilung von Z displaystyle Z nbsp mit der Dichte f z 1 2 z 3 2 displaystyle f z tfrac 1 2z 3 2 nbsp fur z 1 displaystyle z geq 1 nbsp und f z 0 displaystyle f z 0 nbsp sonst Hier gilt formal fur alle x 2 displaystyle x geq 2 nbsp E Y X x 3 2 2 1 x 1 121 x displaystyle E Y mid X x left frac 3 2 sqrt 2 1 right cdot x approx 1 121x nbsp Erklarung durch die Formel vom totalen Erwartungswert Bearbeiten Der diskrete Fall kann durch die Formel vom totalen Erwartungswert 10 anschaulich erklart werden Hierzu wird die Ausgangssituation leicht verallgemeinert Es wird vorab nur angenommen dass die beiden Umschlage uber einen Zufallsprozess simultan mit Geld gefullt werden und dass einer der beiden Umschlage danach ausgewahlt und geoffnet wird Dazu wird die Notation leicht verandert der diskrete Zufallsvektor Z Z 1 Z 2 displaystyle Z Z 1 Z 2 nbsp bezeichnet die Geldbetrage die sich in den beiden Umschlagen befinden die Zufallsvariable X displaystyle X nbsp bezeichnet den Betrag im geoffneten Umschlag die Zufallsvariable Y displaystyle Y nbsp den Betrag im anderen nicht geoffneten Umschlag p 1 displaystyle p 1 nbsp und p 2 displaystyle p 2 nbsp sind die Wahrscheinlichkeiten dass der erste bzw der zweite Umschlag geoffnet wird Es soll Z 1 gt 0 displaystyle Z 1 gt 0 nbsp und Z 2 gt 0 displaystyle Z 2 gt 0 nbsp sein und die Erwartungswerte E Z 1 displaystyle operatorname E Z 1 nbsp und E Z 2 displaystyle operatorname E Z 2 nbsp sollen existieren Dann berechnen sich die Erwartungswerte von X displaystyle X nbsp und Y displaystyle Y nbsp zu E X E Z 1 p 1 E Z 2 p 2 und E Y E Z 1 p 2 E Z 2 p 1 displaystyle operatorname E X operatorname E Z 1 cdot p 1 operatorname E Z 2 cdot p 2 quad text und quad operatorname E Y operatorname E Z 1 cdot p 2 operatorname E Z 2 cdot p 1 nbsp Zuerst wird angenommen dass der geoffnete Umschlag zufallig auswahlt wird Dann gilt p 1 p 2 1 2 displaystyle p 1 p 2 tfrac 1 2 nbsp und beide Erwartungswerte sind gleich E X E Z 1 E Z 2 2 E Y displaystyle operatorname E X frac operatorname E Z 1 operatorname E Z 2 2 operatorname E Y nbsp Die zufallige Auswahl der Umschlage kann immer durch eine Anderung der Verteilung von Z displaystyle Z nbsp erreicht werden Deshalb kann fur die folgenden Uberlegungen o B d A p 1 1 displaystyle p 1 1 nbsp und p 2 0 displaystyle p 2 0 nbsp angenommen werden Es wird also immer der erste Umschlag geoffnet und es ist X Z 1 displaystyle X Z 1 nbsp Y Z 2 displaystyle Y Z 2 nbsp und somit Z X Y displaystyle Z X Y nbsp Nun wird angenommen dass fur jeden moglichen Geldbetrag im geoffneten Umschlag der bedingte Erwartungswert des anderen Umschlags immer grosser ist E Y X x i gt x i falls P X x i gt 0 displaystyle operatorname E Y mid X x i gt x i quad text falls quad operatorname P X x i gt 0 nbsp Dieses ergibt sich automatisch wenn man annimmt dass der andere Umschlag stets den halben oder den doppelten Betrag enthalt und dass die bedingten Wahrscheinlichkeiten fur beide Ereignismoglichkeiten immer gleichverteilt sind P Y 1 2 x i X x i 1 2 und P Y 2 x i X x i 1 2 displaystyle operatorname P Y tfrac 1 2 x i mid X x i tfrac 1 2 quad text und quad operatorname P Y 2x i mid X x i tfrac 1 2 nbsp Denn dann berechnet sich der bedingte Erwartungswert des anderen Umschlags zu E Y X x i 1 2 x i 1 2 2 x i 1 2 5 4 x i gt x i displaystyle operatorname E Y mid X x i tfrac 1 2 x i cdot tfrac 1 2 2x i cdot tfrac 1 2 tfrac 5 4 x i gt x i nbsp Aus der Formel vom totalen Erwartungswert folgt nun E Y x i E Y X x i P X x i gt x i x i P X x i E X displaystyle operatorname E Y sum x i operatorname E Y mid X x i operatorname P X x i gt sum x i x i operatorname P X x i operatorname E X nbsp Zuletzt wird angenommen dass fur jeden moglichen Geldbetrag im anderen Umschlag der bedingte Erwartungswert des geoffneten Umschlags immer grosser ist E X Y y j gt y j falls P Y y j gt 0 displaystyle operatorname E X mid Y y j gt y j quad text falls quad operatorname P Y y j gt 0 nbsp Dieses ergibt sich automatisch wenn man annimmt dass der geoffnete Umschlag stets den halben oder den doppelten Betrag enthalt und dass die bedingten Wahrscheinlichkeiten fur beide Ereignismoglichkeiten immer gleichverteilt sind P X 1 2 y j Y y j 1 2 und P X 2 y j Y y j 1 2 displaystyle operatorname P X tfrac 1 2 y j mid Y y j tfrac 1 2 quad text und quad operatorname P X 2y j mid Y y j tfrac 1 2 nbsp Denn dann berechnet sich der bedingte Erwartungswert des geoffneten Umschlags zu E X Y y j 1 2 y j 1 2 2 y j 1 2 5 4 y j gt y j displaystyle operatorname E X mid Y y j tfrac 1 2 y j cdot tfrac 1 2 2y j cdot tfrac 1 2 tfrac 5 4 y j gt y j nbsp Aus der Formel vom totalen Erwartungswert folgt nun vollig analog E X y j E X Y y j P Y y j gt y j y j P Y y j E Y displaystyle operatorname E X sum y j operatorname E X mid Y y j operatorname P Y y j gt sum y j y j operatorname P Y y j operatorname E Y nbsp Das Umtauschparadoxon lebt einzig und allein von der Tatsache dass diese drei Annahmen nicht miteinander vertraglich sind Nimmt man an dass der geoffnete Umschlag zufallig auswahlt wird dann muss E X E Y displaystyle operatorname E X operatorname E Y nbsp sein Nimmt man an dass der bedingte Erwartungswert des anderen Umschlags immer grosser als der Geldbetrag im geoffneten Umschlag ist dann muss E Y gt E X displaystyle operatorname E Y gt operatorname E X nbsp sein Nimmt man an dass der bedingte Erwartungswert des geoffneten Umschlags immer grosser als der Geldbetrag im anderen Umschlag ist dann muss E X gt E Y displaystyle operatorname E X gt operatorname E Y nbsp sein Das Prinzip vom unzureichenden Grund bietet jedoch eine Losung fur dieses Problem an Es besagt ja nur dass ohne Vorliegen weiterer Informationen eine diskrete Gleichverteilung fur die unbekannten Eintrittswahrscheinlichkeiten anzusetzen sei Es gibt jedoch einen Grund nicht die Gleichverteilung anzusetzen wenn man schon die Information hat dass der geoffnete Umschlag zufallig auswahlt wird und dass somit E X E Y displaystyle operatorname E X operatorname E Y nbsp ist Um nicht in den Widerspruch zu geraten dass auch E Y gt E X displaystyle operatorname E Y gt operatorname E X nbsp oder E X gt E Y displaystyle operatorname E X gt operatorname E Y nbsp ist Nimmt man anstelle der Gleichverteilung an dass die bedingte Wahrscheinlichkeit fur den kleineren Geldbetrag immer doppelt so gross wie fur den grosseren Geldbetrag ist ergibt sich dieser Widerspruch nicht denn aus P Y 1 2 x i X x i 2 3 und P Y 2 x i X x i 1 3 displaystyle operatorname P Y tfrac 1 2 x i mid X x i tfrac 2 3 quad text und quad operatorname P Y 2x i mid X x i tfrac 1 3 nbsp folgt stets E Y X x i 1 2 x i 2 3 2 x i 1 3 x i displaystyle operatorname E Y mid X x i tfrac 1 2 x i cdot tfrac 2 3 2x i cdot tfrac 1 3 x i nbsp und somit auch E Y E X displaystyle operatorname E Y operatorname E X nbsp Genauso ergibt sich aus P X 1 2 y j Y y j 2 3 und P X 2 y j Y y j 1 3 displaystyle operatorname P X tfrac 1 2 y j mid Y y j tfrac 2 3 quad text und quad operatorname P X 2y j mid Y y j tfrac 1 3 nbsp stets E X Y y j 1 2 y j 2 3 2 y j 1 3 y j displaystyle operatorname E X mid Y y j tfrac 1 2 y j cdot tfrac 2 3 2y j cdot tfrac 1 3 y j nbsp und ebenfalls E X E Y displaystyle operatorname E X operatorname E Y nbsp Ein einfaches Beispiel illustriert wie sehr man mit der scheinbar plausiblen Annahme einer Gleichverteilung bei den bedingten Wahrscheinlichkeiten danebenliegen kann Dazu werden die Umschlage immer mit 100 und 200 Euro befullt Es wird also eine bivariate Zweipunktverteilung von Z X Y displaystyle Z X Y nbsp angenommen P Z 100 200 P X 100 Y 200 1 2 displaystyle operatorname P Z 100 200 operatorname P X 100 Y 200 tfrac 1 2 nbsp P Z 200 100 P X 200 Y 100 1 2 displaystyle operatorname P Z 200 100 operatorname P X 200 Y 100 tfrac 1 2 nbsp Dann ergeben sich die folgenden bedingten Wahrscheinlichkeiten P Y 50 X 100 0 und P X 50 Y 100 0 displaystyle operatorname P Y 50 mid X 100 0 quad text und quad operatorname P X 50 mid Y 100 0 nbsp P Y 200 X 100 1 und P X 200 Y 100 1 displaystyle operatorname P Y 200 mid X 100 1 quad text und quad operatorname P X 200 mid Y 100 1 nbsp P Y 100 X 200 1 und P X 100 Y 200 1 displaystyle operatorname P Y 100 mid X 200 1 quad text und quad operatorname P X 100 mid Y 200 1 nbsp P Y 400 X 200 0 und P X 400 Y 200 0 displaystyle operatorname P Y 400 mid X 200 0 quad text und quad operatorname P X 400 mid Y 200 0 nbsp Von der angenommenen Gleichverteilung sind diese bedingten Wahrscheinlichkeiten meilenweit entfernt Anwendung des Zwei Zettel Spiels BearbeitenIn den obigen Beispielen wurde angenommen dass bekannt ist nach welchem Prinzip die Geldbetrage verteilt sind Unter dieser Annahme lassen sich leicht Gewinnstrategien angeben Die Problemformulierung enthalt aber keine Information uber die Verteilung Es gibt allerdings auch eine allgemeine Gewinnstrategie fur Herrn Schmidt die diese Annahme nicht benotigt Diese Strategie besteht darin dass Herr Schmidt bevor er den Umschlag offnet eine Zufallszahl S wahlt Die Wahrscheinlichkeitsverteilung von S muss dabei eine Dichte haben die zwischen 0 und unendlich echt grosser 0 ist ist ansonsten aber beliebig Dann offnet er den Umschlag und findet den Betrag n Ist der gefundene Betrag n kleiner gleich S so tauscht er den Umschlag ist der Betrag n grosser als S so behalt er den Umschlag Diese Strategie geht auf Thomas M Cover zuruck 11 Wie im Artikel Zwei Zettel Spiel erklart erhoht er so theoretisch seine Chancen den grosseren Betrag zu erhalten 12 13 Angenommen Herr Schmidt entschliesst sich das Zwei Zettel Spiel anzuwenden Enthalten die Briefumschlage die Betrage Z displaystyle Z nbsp und 2 Z displaystyle 2Z nbsp und offnet Herr Schmidt zuerst den Umschlag mit Inhalt Z displaystyle Z nbsp so wechselt er falls S Z displaystyle S geq Z nbsp Die bedingte Erwartung seines Gewinns betragt dann E Z Z P S Z 2 Z P S lt Z Z P S Z 2 Z 1 P S Z Z Z 1 P S Z displaystyle begin aligned E Z Z amp P S geq Z cdot 2Z P S lt Z cdot Z amp P S geq Z cdot 2Z left 1 P S geq Z right cdot Z amp Z left 1 P S geq Z right end aligned nbsp Offnet er zuerst den Umschlag mit Inhalt 2 Z displaystyle 2Z nbsp so wechselt er falls S 2 Z displaystyle S geq 2Z nbsp Die bedingte Erwartung seines Gewinns betragt dann E 2 Z Z P S 2 Z Z P S lt 2 Z 2 Z P S 2 Z Z 1 P S 2 Z 2 Z Z 2 P S 2 Z displaystyle begin aligned E 2Z Z amp P S geq 2Z cdot Z P S lt 2Z cdot 2Z amp P S geq 2Z cdot Z left 1 P S geq 2Z right cdot 2Z amp Z left 2 P S geq 2Z right end aligned nbsp Insgesamt betragt die bedingte Erwartung bei fixen Inhalten aber vor der Wahl des ersten Umschlags E Z E Z Z E 2 Z Z 2 3 2 Z Z 2 P S Z P S 2 Z 3 2 Z Z 2 P Z S lt 2 Z displaystyle begin aligned E Z amp frac E Z Z E 2Z Z 2 amp frac 3 2 Z frac Z 2 Big P S geq Z P S geq 2Z Big amp frac 3 2 Z frac Z 2 P Z leq S lt 2Z end aligned nbsp Tauscht er immer oder tauscht er nie betragt sein Erwartungswert Z 2 Z 2 3 2 Z displaystyle frac Z 2Z 2 frac 3 2 Z nbsp Bei Anwendung des Zwei Zettel Spieles ist der Erwartungswert also um Z 2 P Z S lt 2 Z displaystyle frac Z 2 P Z leq S lt 2Z nbsp hoher als bei der Tausche nie oder Tausche immer Vorgangsweise Beispiel Bearbeiten Fur S displaystyle S nbsp wahlt Herr Schmidt beispielsweise eine Zufallsvariable S die exponentialverteilt mit Erwartungswert 1000 ist also P S s exp s 1000 displaystyle P S geq s exp s 1000 nbsp Falls die Geldbetrage wie im oben angegebenen Beispiel auf der Menge 25 50 100 200 400 800 displaystyle 25 50 100 200 400 800 nbsp gleichverteilt sind ergibt sich insgesamt folgender Erwartungswert des Geldgeschenkes Z displaystyle Z nbsp 2 Z displaystyle 2Z nbsp p Z displaystyle p Z nbsp P S Z displaystyle P S geq Z nbsp E Z Z displaystyle E Z Z nbsp P S 2 Z displaystyle P S geq 2Z nbsp E 2 Z Z displaystyle E 2Z Z nbsp E Z displaystyle E Z nbsp 3 Z 2 displaystyle 3Z 2 nbsp p Z E Z displaystyle p Z cdot E Z nbsp 25 50 1 6 0 975 49 382 0 951 26 219 37 801 37 5 6 30050 100 1 6 0 951 97 561 0 904 54 758 76 160 75 0 12 693100 200 1 6 0 904 190 484 0 819 118 127 154 305 150 0 25 718200 400 1 6 0 819 363 746 0 670 265 936 314 841 300 0 52 473400 800 1 6 0 670 688 128 0 449 620 268 644 198 600 0 107 366800 1600 1 6 0 449 1159 463 0 202 1438 483 1298 973 1200 0 216 496Summe 1 421 046Der Erwartungswert des Geldgeschenkes betragt bei dieser Vorgangsweise also 421 046 Euro Das ist zwar weniger als bei der optimalen Strategie tausche bei weniger als 1000 Euro bei der der Erwartungswert 460 62 Euro betragt aber jedenfalls mehr als bei der Tausche nie oder Tausche immer Vorgangsweise bei der der Erwartungswert 393 75 Euro betragt Wie aus der Tabelle ersichtlich ist in jeder Zeile E Z displaystyle E Z nbsp grosser als 3 2 Z displaystyle textstyle frac 3 2 Z nbsp Der genaue Erwartungswert hangt naturlich stark von der Wahl der Verteilung von S displaystyle S nbsp ab ist aber immer grosser als bei der Tausche nie oder Tausche immer Vorgangsweise Siehe auch BearbeitenVerwandte Themen bei denen man aus Teilinformationen die optimale Entscheidung des Restproblems treffen kann Gefangenenparadoxon Odds Strategie Sekretarinnenproblem Ziegenproblem Zwei Zettel SpielWeblinks BearbeitenRuma Falk Das unerbittliche Tauschparadoxon PDF 236 kB In Stochastik in der Schule 29 3 2009 S 18 20 Stefan Bartz Denkfallen vermeiden Am Beispiel des Umtauschproblems PDF 442 kB In Stochastik in der Schule 30 2010 3 S 25 29 Einzelnachweise Bearbeiten Maurice Kraitchik La mathematique des jeux ou recreations mathematiques 1953 Martin Gardner Aha Gotcha 1982 Barry Nalebuff Puzzles the other person s envelope is always greener In Journal of Economic Perspectives Band 3 1989 yale edu PDF 205 kB Denkfallen und Paradoxa Denkfallen und Paradoxa Umtauschparadoxon Briefumschlag Paradoxon Denkfallen Umtauschparadoxon PDF hs fulda de a b c d David J Chalmers The Two Envelope Paradox A Complete Analysis Robert B Ash Real Analysis and Probability Academic Press New York 1972 ISBN 0 12 065201 3 S 246 6 3 5 2 Michael Clark Nicholas Shackel PhilArchive The Two envelope Paradox Christoph Luchsinger Einfuhrung in die Statistik Lemma 3 12 S 70 Franz Thomas Bruss Der Ungewissheit ein Schnippchen schlagen In Spektrum der Wissenschaft Band 6 2000 S 106 107 R Christensen J Utts Bayesian Resolution of the Exchange Paradox In The American Statistician 1992 Dov Samet Iddo Samet David Schmeidler One Observation behind Two Envelope Puzzles PDF 89 kB Abgerufen von https de wikipedia org w index php title Umtauschparadoxon amp oldid 234670386