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\documentclass[uebung]{../../../lecture}
\title{Einführung in die Wahrscheinlichkeitstheorie und Statistik: Übungsblatt 1}
\author{Christian Merten}
\title{Wtheo 0: Übungsblatt 1}
\author{Josua Kugler, Christian Merten}
\newcommand{\IP}{\mathbb{P}}
\usepackage[]{mathrsfs}
\begin{document}
@@ -134,31 +136,50 @@
\begin{aufgabe}
Sei $(\Omega, \mathcal{A}, \mathbb{P})$ ein Wahrscheinlichkeitsraum.
\begin{enumerate}[(a)]
\item Sei $n \in \N$ und $A_1, \ldots, A_n \in \mathcal{A}$.
Beh.:
\item Der Induktionsanfang ist offensichtlich wahr, $\IP(A_1) = (-1)^0 \cdot \IP(A_1)$. Gelte die Behauptung also für ein $n\in \N$. Dann folgern wir
\begin{align*}
\IP\left(\bigcup_{j=1}^{n+1} A_j\right) =& \IP\left(\bigcup_{j=1}^{n} A_j\right) + \IP(A_{n+1}) - \IP\left(\bigcup_{j=1}^{n} A_j \cap A_{n+1}\right)\\
=& \sum_{j = 1}^{n} \left((-1)^{j-1} \cdot \sum_{\{k_1, \dots, k_n\} \subset \{1,\dots, n\}} \IP(A_{k_1} \cap \dots \cap A_{k_j})\right) + \IP(A_{n+1})\\
&- \IP\left(\bigcup_{j=1}^{n} (A_j \cap A_{n+1})\right)\\
=& \sum_{j = 1}^{n} \left((-1)^{j-1} \cdot \sum_{\{k_1, \dots, k_n\} \subset \{1,\dots, n\}} \IP(A_{k_1} \cap \dots \cap A_{k_j})\right) + \IP(A_{n+1})\\
&- \sum_{j = 1}^{n} \left((-1)^{j-1} \cdot \sum_{\{k_1,\dots, k_j\} \subset \{1,\dots, n\}} \IP((A_{k_1} \cap A_{n+1}) \cap \dots \cap (A_{k_j} \cap A_{n+1}))\right)\\
=& \sum_{j = 1}^{n} \left((-1)^{j-1} \cdot \sum_{\{k_1, \dots, k_n\} \subset \{1,\dots, n\}} \IP(A_{k_1} \cap \dots \cap A_{k_j})\right) + \IP(A_{n+1})\\
&- \sum_{j = 1}^{n} \left((-1)^{j-1} \cdot \sum_{\{k_1, \dots, k_j\} \subset \{1,\dots, n\}} \IP(A_{k_1} \cap \dots \cap A_{k_j} \cap A_{n+1})\right)\\
=& \sum_{j = 1}^{n} \left((-1)^{j-1} \cdot \sum_{\substack{\{k_1, \dots, k_n\} \subset \{1,\dots, n+1\}\\\forall i\colon k_i \neq n+1}} \IP(A_{k_1} \cap \dots \cap A_{k_j})\right) + \IP(A_{n+1})\\
&+ \sum_{j = 2}^{n+1} \left((-1)^{j-1} \cdot \sum_{\substack{\{k_1, \dots, k_j\} \subset \{1,\dots, n+1\}\\\exists i\colon k_i = n+1}} \IP(A_{k_1} \cap \dots \cap A_{k_j})\right)\\
=& \sum_{j = 1}^{n} \left((-1)^{j-1} \cdot \sum_{\substack{\{k_1, \dots, k_n\} \subset \{1,\dots, n+1\}\\\forall i\colon k_i \neq n+1}} \IP(A_{k_1} \cap \dots \cap A_{k_j})\right)\\
&+ \sum_{j = 1}^{n+1} \left((-1)^{j-1} \cdot \sum_{\substack{\{k_1, \dots, k_j\} \subset \{1,\dots, n+1\}\\\exists i\colon k_i = n+1}} \IP(A_{k_1} \cap \dots \cap A_{k_j})\right)\\
\end{align*}
Für $j = n+1$ gilt $\{k_1,\dots, k_j\} = \{1,\dots, n+1\}$. Daher können wir die beiden Summen im letzten Schritt einfach zusammenfassen und erhalten
\[
\mathbb{P}\left( \bigcup_{j=1}^{n} A_n \right)
= \sum_{j=1}^{n} \left( (-1)^{j-1} \cdot \sum_{\{k_1, \ldots, k_j\} \subseteq \{1, \ldots, n\} }
\mathbb{P}(A_{k_1} \cap \ldots \cap A_{k_j}) \right)
.\]
\begin{proof}
Per Induktion über $n$. Sei $n=1$: Dann ist $\mathbb{P}(\bigcup_{j=1}^{1} A_j) = \mathbb{P}(A_1)$.
Sei nun $n \in \N$ und Behauptung gezeigt für $k \le n$. Dann gilt
\begin{salign*}
\mathbb{P}\left( \bigcup_{j=1}^{n+1} A_j \right)
=& \mathbb{P}\left(\bigcup_{j=1}^{n} A_j \cup A_{n+1}\right) \\
\stackrel{(*)}{=}& \mathbb{P}\left( \bigcup_{j=1}^{n} A_j \right)
+ \mathbb{P}(A_{n+1}) - \mathbb{P}\left( \bigcup_{j=1}^{n} A_j \cap A_{n+1} \right) \\
\stackrel{\text{I.V.}}{=}&
\sum_{j=1}^{n} \left( (-1)^{j-1} \sum_{\{k_1, \ldots, k_j\} \subseteq \{1, \ldots, n\}}
\mathbb{P}(A_{k_1} \cap \ldots \cap A_{k_j})\right)
+ \mathbb{P}(A_{n+1}) \\
&- \sum_{j=1}^{n} \left( (-1)^{j-1} \sum_{\{k_1, \ldots, k_j\} \subseteq \{1, \ldots, n\} }
\mathbb{P}(A_{k_1} \cap A_{n+1} \cap \ldots \cap A_{k_j} \cap A_{n+1}) \right) \\
=& \sum_{j=1}^{n+1} \left( (-1)^{j-1} \sum_{\{k_1, \ldots, k_j\}\subseteq \{1, \ldots, n\} }
\mathbb{P}(A_{k_1} \cap \ldots \cap A_{k_j})\right)
.\end{salign*}
\end{proof}
\IP\left(\bigcup_{j=1}^{n+1} A_j\right) = \sum_{j = 1}^{n+1} \left((-1)^{j-1} \cdot \sum_{\{k_1, \dots, k_n\} \subset \{1,\dots, n\}} \IP(A_{k_1} \cap \dots \cap A_{k_j})\right),
\]
was zu zeigen war.
% \item Sei $n \in \N$ und $A_1, \ldots, A_n \in \mathcal{A}$.
% Beh.:
% \[
% \mathbb{P}\left( \bigcup_{j=1}^{n} A_n \right)
% = \sum_{j=1}^{n} \left( (-1)^{j-1} \cdot \sum_{\{k_1, \ldots, k_j\} \subseteq \{1, \ldots, n\} }
% \mathbb{P}(A_{k_1} \cap \ldots \cap A_{k_j}) \right)
% .\]
% \begin{proof}
% Per Induktion über $n$. Sei $n=1$: Dann ist $\mathbb{P}(\bigcup_{j=1}^{1} A_j) = \mathbb{P}(A_1)$.
% Sei nun $n \in \N$ und Behauptung gezeigt für $k \le n$. Dann gilt
% \begin{salign*}
% \mathbb{P}\left( \bigcup_{j=1}^{n+1} A_j \right)
% =& \mathbb{P}\left(\bigcup_{j=1}^{n} A_j \cup A_{n+1}\right) \\
% \stackrel{(*)}{=}& \mathbb{P}\left( \bigcup_{j=1}^{n} A_j \right)
% + \mathbb{P}(A_{n+1}) - \mathbb{P}\left( \bigcup_{j=1}^{n} A_j \cap A_{n+1} \right) \\
% \stackrel{\text{I.V.}}{=}&
% \sum_{j=1}^{n} \left( (-1)^{j-1} \sum_{\{k_1, \ldots, k_j\} \subseteq \{1, \ldots, n\}}
% \mathbb{P}(A_{k_1} \cap \ldots \cap A_{k_j})\right)
% + \mathbb{P}(A_{n+1}) \\
% &- \sum_{j=1}^{n} \left( (-1)^{j-1} \sum_{\{k_1, \ldots, k_j\} \subseteq \{1, \ldots, n\} }
% \mathbb{P}(A_{k_1} \cap A_{n+1} \cap \ldots \cap A_{k_j} \cap A_{n+1}) \right) \\
% =& \sum_{j=1}^{n+1} \left( (-1)^{j-1} \sum_{\{k_1, \ldots, k_j\}\subseteq \{1, \ldots, n\} }
% \mathbb{P}(A_{k_1} \cap \ldots \cap A_{k_j})\right)
% .\end{salign*}
% \end{proof}
\item Beh.: Die Wahrscheinlichkeit für $n \to \infty$ ist $1 - \frac{1}{e}$.
\begin{proof}
Setze $\Omega \coloneqq \{ (g_1, \ldots, g_n) \mid g_1, \ldots, g_n \in \{1, \ldots, n\},