Übungsaufgaben für CFA Level I: Quantitative Methods und Fixed Income: Lernpaket

Formelsammlungen, die wichtigsten Lösungsschritte zu jedem Thema und 20 Übungsaufgaben, mit vollständigen Lösungen am Ende.

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1Formeln und Methoden

Zeitwert des Geldes

Endwert
FV = PV·(1 + i)n
Barwert
PV = FV/(1 + i)n
Mehrere Perioden pro Jahr
i = r/m, N = m·n
Rente, Barwert
PV = PMT·[1 − (1 + i)−n]/i
Rente, Endwert
FV = PMT·[(1 + i)n − 1]/i

Methode

  1. Zeichne einen Zeitstrahl mit jeder Zahlung und ihrem Zeitpunkt.
  2. Passe den Zinssatz an die Periode an: ein Monatszins für monatliche Zahlungen.
  3. Verwende FV = PV·(1 + i)ⁿ für Einzelbeträge und die Rentenformeln für gleich hohe Zahlungen.
  4. Prüfe Vorzeichen und Größenordnung des Ergebnisses.

Kapitalwert & interner Zinsfuß

Kapitalwert
NPV = −C0 + Σ CFt/(1 + r)t
Gleiche Zahlungen
NPV = −C0 + CF·[1 − (1 + r)−n]/r
Interner Zinsfuß
das r, bei dem NPV = 0
Entscheidung
annehmen, wenn NPV > 0 (oder IRR > geforderte Rendite)

Methode

  1. Liste alle Zahlungen mit ihrem Jahr auf; die Investition in Jahr 0 ist negativ.
  2. Zinse jede Zahlung ab: CFt/(1 + r)t.
  3. Addiere sie zum Kapitalwert (NPV). Positiv bedeutet, dass das Projekt mehr als r erwirtschaftet.
  4. Für den internen Zinsfuß (IRR) suchst du durch Probieren oder Interpolation den Zinssatz, bei dem der Kapitalwert null ist.

Anleihekurs & Rendite

Anleihekurs
P = C·(1 − (1 + y)−n)/y + F/(1 + y)n
Halbjährlich
C/2, y/2 und 2n Perioden
Laufende Rendite
C/P
Kurs und Rendite
Rendite steigt → Kurs fällt

Methode

  1. Bestimme den Kupon pro Periode und die Rendite pro Periode.
  2. Kurs = Barwert der Kupons (eine Rente) + Barwert des Nennwerts.
  3. Bei halbjährlichen Kupons verwendest du den halben Kupon, die halbe Rendite und die doppelte Anzahl Perioden.
  4. Kontrolle: Liegt die Rendite über dem Kuponsatz, liegt der Kurs unter dem Nennwert.

CAPM & WACC

CAPM
re = rf + β·(rm − rf)
WACC
E/V·re + D/V·rd·(1 − T)
Unternehmenswert
V = E + D

Beschreibende Statistik

Mittelwert
x̄ = Σx/n
Stichproben-Standardabweichung
s = √(Σ(x − x̄)²/(n − 1))
Median
mittlerer Wert der sortierten Daten
z-Wert
z = (x − μ)/σ
Normalverteilung
68% innerhalb ±1σ, 95% innerhalb ±2σ

Wahrscheinlichkeit

Gegenereignis
P(not A) = 1 − P(A)
Additionssatz
P(A ∪ B) = P(A) + P(B) − P(A ∩ B)
Unabhängige Ereignisse
P(A ∩ B) = P(A)·P(B)
Bedingte Wahrscheinlichkeit
P(A|B) = P(A ∩ B)/P(B)
Binomialverteilung
P(X = k) = C(n,k)·pk(1 − p)n−k

Normalverteilung

z-Wert
z = (x − μ)/σ
Unterhalb von x
P(X < x) = Φ(z)
Oberhalb von x
P(X > x) = 1 − Φ(z)
Dazwischen
Φ(z2) − Φ(z1)
Perzentil
x = μ + z·σ

Methode

  1. Rechne den Wert in einen z-Wert um: z = (x − μ)/σ.
  2. Lies Φ(z) ab, die Fläche links von z.
  3. Für die Fläche rechts verwende 1 − Φ(z); für ein Intervall subtrahiere die beiden linken Flächen.
  4. Für ein Perzentil rechnest du rückwärts: Bestimme z zur Fläche, dann x = μ + z·σ.

Konfidenzintervalle

σ bekannt
x̄ ± z·σ/√n
σ unbekannt
x̄ ± t·s/√n, df = n − 1
Kritischer z-Wert
90%: 1,645, 95%: 1,96, 99%: 2,576
Stichprobenumfang
n = (z·σ/E)², rounded up

Methode

  1. Entscheide zwischen z (σ der Grundgesamtheit bekannt) und t (nur die Stichproben-Standardabweichung s, mit n − 1 Freiheitsgraden).
  2. Bestimme den kritischen Wert für das Konfidenzniveau.
  3. Fehlerspanne: E = kritischer Wert × Standardabweichung/√n.
  4. Intervall: x̄ ± E.

Hypothesentests & Konfidenzintervalle

z-Test für einen Mittelwert
z = (x̄ − μ0)/(σ/√n)
t-Test für einen Mittelwert
t = (x̄ − μ0)/(s/√n), df = n − 1
Zweiseitig bei 5%
H0 ablehnen, wenn |z| > 1,96
Konfidenzintervall
x̄ ± z·σ/√n

Methode

  1. Formuliere H₀ und H₁ und entscheide, ob der Test einseitig oder zweiseitig ist.
  2. Berechne die Teststatistik: (x̄ − μ₀)/(σ/√n), oder mit s und t.
  3. Vergleiche mit dem kritischen Wert oder bestimme den p-Wert.
  4. Verwirf H₀, wenn die Statistik jenseits des kritischen Werts liegt (p kleiner als α), und formuliere die Schlussfolgerung in Worten.

Lineare Regression und Korrelation

Quadratsummen
Sxx = Σ(x − x̄)² = Σx² − (Σx)²/n, Sxy = Σxy − ΣxΣy/n
Steigung
b = Sxy/Sxx
Achsenabschnitt
a = ȳ − b·x̄
Korrelation
r = Sxy/√(SxxSyy)
Residuum
e = y − ŷ

2Übungsaufgaben

1.Zeitwert des GeldesMittel
Jahre01234PV = ?€25 000

Du brauchst €25 000 in 4 Jahren. Ein Konto bringt 3 % pro Jahr bei vierteljährlicher Verzinsung. Wie viel musst du heute einzahlen? Bestimme den Barwert PV.

FV = €25 0003% / 4n = 4
PV = €
2.Zeitwert des GeldesSchwer
Jahre0123…27€3 000€3 000€3 000FV = ?

Du zahlst 27 Jahre lang am Anfang jedes Jahres €3 000 ein, die erste Einzahlung heute. Das Konto bringt 5 % pro Jahr. Wie viel ist am Ende von Jahr 27 auf dem Konto? Bestimme FV.

A = €3 000i = 5%n = 27
FV = €
3.Kapitalwert & interner ZinsfußMittel
Jahre01234−30 00012 0009 0009 00014 000

Eine Investition von €30 000 bringt am Ende der Jahre 1 bis 4 diese Zahlungen: €12 000, €9 000, €9 000, €14 000. Die Kapitalkosten betragen 12 %. Bestimme den Kapitalwert NPV.

r = 12%CF0 = −30 000CF1 = 12 000CF2 = 9 000CF3 = 9 000CF4 = 14 000
NPV = €
4.Kapitalwert & interner ZinsfußSchwer
Jahre0123−10 0006 0006 0005 500

Ein Projekt kostet €10 000 und bringt am Ende der Jahre 1 bis 3 jeweils €6 000, €6 000, €5 500. Die Zahlungen können zu den Kapitalkosten von 6 % wieder angelegt werden. Bestimme den modifizierten internen Zinsfuß MIRR in Prozent.

r = 6%CF0 = −10 000CF1 = 6 000CF2 = 6 000CF3 = 5 500
MIRR = %
5.Anleihekurs & RenditeMittel

Du kaufst eine Anleihe mit 11 Jahren Restlaufzeit (Nennwert €1 000, jährlicher Kupon 4,5%), wenn ihre Rendite bis zur Fälligkeit 7% beträgt. Ein Jahr später, direkt nach Erhalt des ersten Kupons, verkaufst du sie bei einer Rendite bis zur Fälligkeit von 6,5%. Bestimme deine Haltedauerrendite HPR in Prozent.

F = €1 000Kuponsatz = 4,5%n = 11y0 = 7%y1 = 6,5%
HPR = %
6.Anleihekurs & RenditeSchwer
Jahre01234567€860€30€30 + €1 000

Eine Anleihe mit einem Nennwert von €1 000 und einem jährlichen Kupon von 3% wird in 7 Jahren fällig und kostet €860. Bestimme ihre Rendite bis zur Fälligkeit YTM in Prozent.

F = €1 000Kuponsatz = 3%n = 7P = €860
YTM = %
7.CAPM & WACCMittel
WACC = ?EigenkapitalEre​ = 11%FremdkapitalD = 0,75·Erd​ = 4%T = 25,8%

Ein Unternehmen hat einen Verschuldungsgrad (zu Marktwerten) von D/E = 0,75. Seine Eigenkapitalkosten betragen 11%, seine Fremdkapitalkosten vor Steuern 4% und der Steuersatz 25,8%. Bestimme den WACC.

D/E = 0,75re = 11%rd = 4%T = 25,8%
WACC = %
8.CAPM & WACCSchwer
WACC = ?Eigenkapital4 000 000 × €22,00β = 1,3rf​ = 3%, rm​ = 7%Fremdkapital20 000 × €980rd​ = 7%T = 21%

Ein Unternehmen hat 4 000 000 Aktien zu je €22,00 und 20 000 Anleihen mit einem Kurs von je €980. Die Fremdkapitalkosten vor Steuern betragen 7% und der Steuersatz 21%. Das Beta der Aktie ist 1,3, der risikofreie Zinssatz 3% und die Marktrendite 7%. Bestimme den WACC.

β = 1,3rf = 3%rm = 7%rd = 7%T = 21%
WACC = %
9.Beschreibende StatistikMittel
262830323436

Bestimme die Stichproben-Standardabweichung s der Daten: 32, 25, 37, 32, 35.

n = 5
s =
10.Beschreibende StatistikSchwer
z −2−1012

Eine Größe ist normalverteilt mit Mittelwert 100 und Standardabweichung 10. Welcher Anteil P der Werte liegt unter 80?

μ = 100σ = 10x = 80
P =
11.WahrscheinlichkeitMittel
xp(x)10,120,330,340,3μ = 2,8

Bestimme für die gezeigte Verteilung die Varianz Var(X) von X.

x: 1, 2, 3, 4p(x): 0,1, 0,3, 0,3, 0,3
Var(X) =
12.WahrscheinlichkeitSchwer
n = 11, p = 0,2: P(X = 2) = ?k01234567891011

Ein Test hat 11 Multiple-Choice-Fragen. Eine Studentin, die rät, beantwortet jede unabhängig mit Wahrscheinlichkeit 0,2 richtig. Wie groß ist die Wahrscheinlichkeit P für genau 2 richtige Antworten?

n = 11p = 0,2k = 2
P =
13.NormalverteilungMittel
−3−2−10123zschattierte Fläche zwischen −z und z = 0,8415

Ziehe z so, dass die schattierte Fläche zwischen −z und z unter der Standardnormalverteilung gleich 0,8415 ist. Bestimme z auf zwei Nachkommastellen.

A = 0,8415
z =
14.NormalverteilungSchwer
μ = 32x = ?97,5%

Die Lieferzeiten sind normalverteilt mit dem Mittelwert 32 min und der Standardabweichung 6 min. Bestimme den Wert x, unter dem 97,5 % von ihnen liegen (das 97,5. Perzentil).

μ = 32σ = 6P = 97,5%
x = min
15.KonfidenzintervalleMittel
n = 13, sd​ = 4,50LUd̄ = 5,2E = ?99%

Der Blutdruck von 13 Patienten wird vor und nach einer Behandlung gemessen. Die Differenzen d = vorher − nachher (mmHg) haben den Mittelwert 5,2 und die Standardabweichung 4,5. Bestimme die Fehlermarge E des 99-%-Konfidenzintervalls für die mittlere Differenz.

n = 13d̄ = 5,2sd = 4,599%t(12) = 3,055
E = mmHg
16.KonfidenzintervalleSchwer
n = 10Lσ = ?s = 8,195%

Die Durchmesser von 10 gefertigten Wellen haben eine Stichprobenstandardabweichung von 8,1 µm. Bestimme unter der Annahme normalverteilter Durchmesser die obere Grenze σ des 95-%-Konfidenzintervalls für die Standardabweichung der Grundgesamtheit. Bei df = 9 liegen 2,5 % der χ²-Verteilung unter 2,7 und 2,5 % über 19,023.

n = 10s = 8,1 µmχ² = 2,7, 19,023
σ = µm
17.Hypothesentests & KonfidenzintervalleMittel
t −2,01102,011

Eine Stichprobe von 49 Studierenden hat einen mittleren Punktwert von 51,5 und eine Stichproben-Standardabweichung von 5. Bestimme die Teststatistik t für H₀: μ = 50.

μ₀ = 50x̄ = 51,5s = 5n = 49
t =
18.Hypothesentests & KonfidenzintervalleSchwer
σ = 15, n = ?x̄ − Ex̄ + Ex̄E = 1,599%

Wie groß muss eine Stichprobe sein, damit das 99-%-Konfidenzintervall für einen Mittelwert eine Fehlermarge von höchstens 1,5 hat? Die Standardabweichung ist 15. Bestimme den kleinsten Stichprobenumfang n.

σ = 15E = 1,599%
n =
19.Lineare Regression und KorrelationMittel
xy231329430539636xy246303540

Die Tabelle enthält 5 Wertepaare von x = Werbeausgaben in k€ und y = Umsatz in k€. Bestimme den Korrelationskoeffizienten nach Pearson r.

n = 5
r =
20.Lineare Regression und KorrelationSchwer
xy189820107221222412126144xy2025100120140x = 21

Die Tabelle enthält 5 Wertepaare von x = Temperatur in °C und y = verkaufte Eiskugeln. Verwende die Regressionsgerade ŷ = a + b·x nach der Methode der kleinsten Quadrate. Eine neue Beobachtung (21, 117) wird gemacht. Bestimme ihr Residuum e = y − ŷ.

n = 5(21, 117)
e =

3Lösungen

1.Zeitwert des Geldes

Antwort: PV = 22183 €

Zeitwert des Geldes: Geld heute ist mehr wert als derselbe Betrag später, weil es Zinsen bringen kann. Bei einem Zinssatz i pro Periode wächst ein Betrag auf FV = PV·(1 + i)n. Eine Reihe gleicher Zahlungen (eine Annuität) wird bewertet, indem man alle Zahlungen aufsummiert; daraus ergeben sich die Rentenformeln.

Zinssatz und Anzahl der Perioden

i = 0,03/4 = 0,0075
N = 4·4 = 16

Barwert

PV = FV/(1 + i)N = 25 000/1,127 = €22 182,94

Antwort

PV = €22 182,94
2.Zeitwert des Geldes

Antwort: FV = 172208 €

Zeitwert des Geldes: Geld heute ist mehr wert als derselbe Betrag später, weil es Zinsen bringen kann. Bei einem Zinssatz i pro Periode wächst ein Betrag auf FV = PV·(1 + i)n. Eine Reihe gleicher Zahlungen (eine Annuität) wird bewertet, indem man alle Zahlungen aufsummiert; daraus ergeben sich die Rentenformeln.

Endwertfaktor der nachschüssigen Rente

((1 + 0,05)27 − 1)/0,05 = 54,67

Vorschüssige Rente

Jede Einzahlung ist ein Jahr länger angelegt.

FV = 3 000·54,67·1,05 = €172 207,75

Antwort

FV = €172 207,75
3.Kapitalwert & interner Zinsfuß

Antwort: NPV = 3192 €

Kapitalwert: Zinse jeden Zahlungsstrom mit der geforderten Rendite r auf heute ab und addiere alle: NPV = Σ CFₜ/(1 + r)ᵗ. Ein Projekt mit NPV > 0 verdient mehr als r und schafft Wert. Der interne Zinsfuß (IRR) ist der Zinssatz, bei dem NPV = 0 ist.

Barwert jeder Zahlung

CF0 = −30 000
CF1/(1 + 0,12)1 = 12 000/1,12 = 10 714,29
CF2/(1 + 0,12)2 = 9 000/1,254 = 7 174,74
CF3/(1 + 0,12)3 = 9 000/1,405 = 6 406,02
CF4/(1 + 0,12)4 = 14 000/1,574 = 8 897,25

Addieren

NPV = €3 192,31

Antwort

NPV = €3 192,31

Der Kapitalwert ist positiv, das Projekt verdient also mehr als die geforderte Rendite.

4.Kapitalwert & interner Zinsfuß

Antwort: MIRR = 22,98 %

Modifizierter interner Zinsfuß: Zinse jede Einzahlung mit dem Wiederanlagezins (meist den Kapitalkosten) bis zum Projektende auf, um den Endwert TV zu erhalten. Der MIRR ist der Zinssatz, der die Anfangsinvestition in TV überführt: MIRR = (TV/C₀)^(1/n) − 1.

Endwert der Einzahlungen

6 000·1,062 = 6 741,60
6 000·1,061 = 6 360,00
5 500·1,060 = 5 500,00
TV = 18 601,60

MIRR

MIRR = (18 601,60/10 000)1/3 − 1 = 22,98%

Antwort

MIRR = 22,98%
5.Anleihekurs & Rendite

Antwort: HPR = 10,92 %

Anleihebewertung: Der Kurs einer Anleihe ist der Barwert ihrer Zahlungen, abgezinst mit der Rendite bis zur Fälligkeit (YTM): Die Kupons bilden eine Annuität, und der Nennwert wird bei Fälligkeit zurückgezahlt. P = C·(1 − (1 + y)⁻ⁿ)/y + F/(1 + y)ⁿ. Liegt die Rendite über dem Kuponsatz, notiert die Anleihe unter dem Nennwert, und umgekehrt.

Kaufpreis

C = €45,00, i = 0,07, N = 11
€45,00·(1 − 0,4751)/0,07 + €1 000·0,4751 = €337,44 + €475,09 = €812,53

Verkaufspreis

C = €45,00, i = 0,065, N = 10
€45,00·(1 − 0,5327)/0,065 + €1 000·0,5327 = €323,50 + €532,73 = €856,22

Haltedauerrendite

HPR = (45 + 856,22 − 812,53)/812,53 = 10,92%

Antwort

HPR = 10,92%
6.Anleihekurs & Rendite

Antwort: YTM = 5,46 %

Anleihebewertung: Der Kurs einer Anleihe ist der Barwert ihrer Zahlungen, abgezinst mit der Rendite bis zur Fälligkeit (YTM): Die Kupons bilden eine Annuität, und der Nennwert wird bei Fälligkeit zurückgezahlt. P = C·(1 − (1 + y)⁻ⁿ)/y + F/(1 + y)ⁿ. Liegt die Rendite über dem Kuponsatz, notiert die Anleihe unter dem Nennwert, und umgekehrt.

Gleichung für die Rendite

€860 = €30·(1 − (1 + y)⁻⁷)/y + €1 000/(1 + y)⁷

Numerisch lösen

P(5%) = €884,27, P(6%) = €832,53
YTM = 5,46%

Antwort

YTM = 5,46%
7.CAPM & WACC

Antwort: WACC = 7,558 %

Kapitalkosten: Das CAPM liefert die Rendite, die Aktionäre fordern: re = rf + β·(rm − rf). Die gewichteten durchschnittlichen Kapitalkosten mischen Eigen- und Fremdkapital nach ihren Marktwerten: WACC = E/V·re + D/V·rd·(1 − T), mit V = E + D. Zinsen sind steuerlich abzugsfähig, daher der Faktor (1 − T).

Gewichte aus D/E

E/V = 1/(1 + 0,75) = 0,5714
D/V = 0,75/(1 + 0,75) = 0,4286

WACC

WACC = 0,5714·11% + 0,4286·4%·(1 − 0,258) = 7,558%

Antwort

WACC = 7,558%
8.CAPM & WACC

Antwort: WACC = 7,714 %

Kapitalkosten: Das CAPM liefert die Rendite, die Aktionäre fordern: re = rf + β·(rm − rf). Die gewichteten durchschnittlichen Kapitalkosten mischen Eigen- und Fremdkapital nach ihren Marktwerten: WACC = E/V·re + D/V·rd·(1 − T), mit V = E + D. Zinsen sind steuerlich abzugsfähig, daher der Faktor (1 − T).

Marktwerte

E = 4 000 000·€22,00 = €88 000 000
D = 20 000·€980 = €19 600 000

Eigenkapitalkosten (CAPM)

re = 3% + 1,3·4% = 8,2%

Gewichte

V = €107 600 000, E/V = 0,8178, D/V = 0,1822

WACC

WACC = 0,8178·8,2% + 0,1822·7%·(1 − 0,21) = 7,714%

Antwort

WACC = 7,714%
9.Beschreibende Statistik

Antwort: s = 4,55

Beschreibende Statistik: Der Mittelwert ist die Summe geteilt durch n; der Median ist der mittlere Wert der sortierten Daten (bei geradem n der Mittelwert der beiden mittleren Werte). Die Stichproben-Standardabweichung ist s = √(Σ(x − x̄)²/(n − 1)). Ein z-Wert z = (x − μ)/σ gibt an, wie viele Standardabweichungen ein Wert vom Mittelwert entfernt liegt.

Mittelwert

x̄ = 161/5 = 32,2

Quadrierte Abweichungen

Σ(x − x̄)² = (−0,2)² + (−7,2)² + 4,8² + (−0,2)² + 2,8² = 82,8

Standardabweichung

s = √(82,8/4) = 4,55

Antwort

s = 4,55
10.Beschreibende Statistik

Antwort: P = 0,02275

Beschreibende Statistik: Der Mittelwert ist die Summe geteilt durch n; der Median ist der mittlere Wert der sortierten Daten (bei geradem n der Mittelwert der beiden mittleren Werte). Die Stichproben-Standardabweichung ist s = √(Σ(x − x̄)²/(n − 1)). Ein z-Wert z = (x − μ)/σ gibt an, wie viele Standardabweichungen ein Wert vom Mittelwert entfernt liegt.

Standardisieren

z = −2

Standardnormalverteilungstabelle

Φ(−2) = 0,02275
P = 0,02275

Antwort

P = 0,02275
11.Wahrscheinlichkeit

Antwort: Var(X) = 0,96

Diskrete Zufallsvariablen: Eine Wahrscheinlichkeitsverteilung listet jeden Wert x, den eine Variable annehmen kann, mit seiner Wahrscheinlichkeit p(x) auf; die Wahrscheinlichkeiten liegen zwischen 0 und 1 und summieren sich zu 1. Der Erwartungswert (Mittelwert) ist E(X) = Σx·p(x), der Durchschnitt auf lange Sicht. Die Varianz ist Var(X) = Σ(x − μ)²·p(x) = E(X²) − μ², und die Standardabweichung ist σ = √Var(X). Für eine lineare Änderung Y = aX + b gilt: E(Y) = a·E(X) + b, Var(Y) = a²·Var(X) und σY = |a|·σX; das Addieren einer Konstanten ändert die Streuung nicht.

Mittelwert

μ = 1·0,1 + 2·0,3 + 3·0,3 + 4·0,3 = 2,8

Mittelwert der Quadrate

E(X²) = 1·0,1 + 4·0,3 + 9·0,3 + 16·0,3 = 8,8

Varianz

Var(X) = 8,8 − 2,8² = 0,96

Antwort

Var(X) = 0,96
12.Wahrscheinlichkeit

Antwort: P = 0,2953

Wahrscheinlichkeit: Bei gleich wahrscheinlichen Ergebnissen gilt P(A) = günstige/mögliche. Bei unabhängigen Ereignissen wird multipliziert: P(A und B) = P(A)·P(B). Das Gegenereignis hilft oft: P(mindestens eins) = 1 − P(keins). Binomial: Bei n unabhängigen Versuchen mit Erfolgswahrscheinlichkeit p gilt P(X = k) = C(n, k)·pᵏ·(1 − p)ⁿ⁻ᵏ.

Binomialformel

P(X = 2) = 55·0,22·0,89 = 55·0,04·0,1342 = 0,2953

Antwort

P = 0,2953
13.Normalverteilung

Antwort: z = 1,41

Von einer Fläche zurück zu z: Φ(z) ist die Fläche links von z. Für eine linke Randfläche A suche in der Tabelle z mit Φ(z) = A. Eine rechte Randfläche A bedeutet Φ(z) = 1 − A. Eine zentrale Fläche A zwischen −z und z lässt (1 − A)/2 auf jedem Rand übrig, also Φ(z) = (1 + A)/2. Für einen Wert x verwende x = μ + zσ.

Fläche links von z

Φ(z) = (1 + 0,8415)/2 = 0,9207

Die z-Tabelle rückwärts lesen

Finde 0,9207 in der Tabelle und lies z ab.

z = 1,41

Antwort

z = 1,41
14.Normalverteilung

Antwort: x = 43,76 min

Normalverteilung: Rechne einen Wert x in einen z-Wert um, z = (x − μ)/σ; er gibt an, wie viele Standardabweichungen x vom Mittelwert entfernt liegt. Eine z-Tabelle (oder Φ(z)) liefert die Fläche links von z, also P(X < x). Die Fläche rechts ist 1 − Φ(z), und die Fläche zwischen zwei Werten ist die Differenz ihrer beiden Flächen.

z für das Perzentil

Φ(z) = 0,975 → z = 1,96

Zurück zu x

x = 32 + 1,96·6 = 43,76 min

Antwort

x = 43,76 min
15.Konfidenzintervalle

Antwort: E = 3,813 mmHg

Interval for a difference: estimate ± critical value × standard error. For two independent means with known σ: SE = √(σ₁²/n₁ + σ₂²/n₂) and z. With equal unknown variances: pooled s_p and t with n₁ + n₂ − 2 degrees of freedom. For paired data, work with the differences: d̄ ± t·s_d/√n.

Kritischer Wert

df = 12, t = 3,055

Fehlermarge

E = 3,055·4,5/√13 = 3,813

Antwort

E = 3,813 mmHg
16.Konfidenzintervalle

Antwort: σ = 14,79 µm

Intervall für eine Varianz: (n − 1)s²/σ² ist χ²-verteilt mit n − 1 Freiheitsgraden. Das 95-%-Intervall für σ² reicht von (n − 1)s² geteilt durch den oberen χ²-Wert (2,5 % darüber) bis (n − 1)s² geteilt durch den unteren χ²-Wert (2,5 % darunter); das Intervall für σ ist die Wurzel beider Grenzen. Es ist nicht symmetrisch um s.

Quadratsumme

(n − 1)s² = 9·8,1² = 590,5

Grenzen für σ²

590,5/19,023 = 31,04
590,5/2,7 = 218,7

Grenze für σ

σ = √218,7 = 14,79 µm

Antwort

σ = 14,79 µm

95-%-Intervall für σ: [5,571, 14,79] µm.

17.Hypothesentests & Konfidenzintervalle

Antwort: t = 2,1

Test eines Mittelwerts: Die Teststatistik misst, wie viele Standardfehler der Stichprobenmittelwert vom in H₀ behaupteten Wert entfernt liegt: z = (x̄ − μ₀)/(σ/√n), wenn σ bekannt ist, t = (x̄ − μ₀)/(s/√n), wenn es aus der Stichprobe geschätzt wird. Ein Konfidenzintervall ist x̄ ± (kritischer Wert)·(Standardfehler).

Standardfehler

SE = 5/√49 = 5/7 = 0,7143

Teststatistik

t = (51,5 − 50)/0,7143 = 2,1

Antwort

t = 2,1
t0,025; df = 48 = 2,011

|t| > 2,011, also wird H₀ auf dem 5-%-Niveau (zweiseitig) verworfen.

18.Hypothesentests & Konfidenzintervalle

Antwort: n = 664

Test eines Mittelwerts: Die Teststatistik misst, wie viele Standardfehler der Stichprobenmittelwert vom in H₀ behaupteten Wert entfernt liegt: z = (x̄ − μ₀)/(σ/√n), wenn σ bekannt ist, t = (x̄ − μ₀)/(s/√n), wenn es aus der Stichprobe geschätzt wird. Ein Konfidenzintervall ist x̄ ± (kritischer Wert)·(Standardfehler).

Nach n auflösen

n = (2,576·15/1,5)² = 663,6

Aufrunden

n = 664

Antwort

n = 664
19.Lineare Regression und Korrelation

Antwort: r = 0,7352

Regression nach der Methode der kleinsten Quadrate: Mit den Mittelwerten x̄ und ȳ, Sxx = Σ(x − x̄)², Syy = Σ(y − ȳ)² und Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) hat die Gerade ŷ = a + b·x die Steigung b = Sxy/Sxx und den Achsenabschnitt a = ȳ − b·x̄; sie geht also immer durch (x̄, ȳ). Der Korrelationskoeffizient nach Pearson r = Sxy/√(Sxx·Syy) liegt zwischen −1 und 1; r² ist der Anteil der Streuung von y, der durch die Gerade erklärt wird.

Mittelwerte

x̄ = 20/5 = 4
ȳ = 165/5 = 33

Quadrat- und Produktsummen

Sxx = Σ(x − x̄)² = 10
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 20
Syy = Σ(y − ȳ)² = 74

Korrelationskoeffizient

r = 20/√(10·74) = 0,7352

Antwort

r = 0,7352
20.Lineare Regression und Korrelation

Antwort: e = 3,9

Regression nach der Methode der kleinsten Quadrate: Mit den Mittelwerten x̄ und ȳ, Sxx = Σ(x − x̄)², Syy = Σ(y − ȳ)² und Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) hat die Gerade ŷ = a + b·x die Steigung b = Sxy/Sxx und den Achsenabschnitt a = ȳ − b·x̄; sie geht also immer durch (x̄, ȳ). Der Korrelationskoeffizient nach Pearson r = Sxy/√(Sxx·Syy) liegt zwischen −1 und 1; r² ist der Anteil der Streuung von y, der durch die Gerade erklärt wird.

Mittelwerte

x̄ = 110/5 = 22
ȳ = 592/5 = 118,4

Quadrat- und Produktsummen

Sxx = Σ(x − x̄)² = 40
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 212

Regressionsgerade

b = 212/40 = 5,3
a = 118,4 − 5,3·22 = 1,8
ŷ = 1,8 + 5,3·x

Vorhergesagter Wert

ŷ = 1,8 + 5,3·21 = 113,1

Residuum

e = 117 − 113,1 = 3,9

Antwort

e = 3,9

Der Punkt liegt über der Geraden.

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