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
Jahre01234567€3 000FV = ?

Du legst €3 000 zu einem Nominalzins von 2 % pro Jahr mit monatlicher Verzinsung an. Bestimme den Wert FV der Anlage nach 7 Jahren.

PV = €3 0002% / 12n = 7
FV = €
2.Zeitwert des GeldesSchwer
Monate0123…36€15 000AAAA3,6% / 12, I = ?

Ein Darlehen von €15 000 wird über 3 Jahre mit gleichen Monatsraten bei 3,6 % pro Jahr und monatlicher Verzinsung getilgt. Wie viel Zinsen I werden über die gesamte Laufzeit gezahlt?

P = €15 0003,6% / 12N = 36
I = €
3.Kapitalwert & interner ZinsfußMittel
Jahre01234567−50 0007 0007 0007 0007 0007 0007 00019 500

Eine Maschine kostet heute €50 000. Sie erwirtschaftet 7 Jahre lang am Ende jedes Jahres €7 000 und kann danach für €12 500 verkauft werden. Die Kapitalkosten betragen 6 %. Bestimme den Kapitalwert NPV.

C0 = €50 000CF = €7 000S = €12 500n = 7r = 6%
NPV = €
4.Kapitalwert & interner ZinsfußSchwer
Jahre01234−10 0006 0005 5004 0003 000

Ein Projekt kostet €10 000 und bringt am Ende der Jahre 1 bis 4 jeweils €6 000, €5 500, €4 000, €3 000. Die Zahlungen können zu den Kapitalkosten von 12 % wieder angelegt werden. Bestimme den modifizierten internen Zinsfuß MIRR in Prozent.

r = 12%CF0 = −10 000CF1 = 6 000CF2 = 5 500CF3 = 4 000CF4 = 3 000
MIRR = %
5.Anleihekurs & RenditeMittel
Halbjahre0123…22€22,50€22,50€22,50 + €1 000P = ?

Eine Anleihe mit einem Nennwert von €1 000 zahlt einen jährlichen Kupon von 4,5% in zwei halbjährlichen Raten und wird in 11 Jahren fällig. Die Rendite bis zur Fälligkeit beträgt 8% pro Jahr. Bestimme den Kurs P der Anleihe.

F = €1 000Kuponsatz = 4,5%YTM = 8%n = 11
P = €
6.Anleihekurs & RenditeSchwer
Jahre0123€1 040€50€50 + €1 000

Eine Anleihe mit einem Nennwert von €1 000 und einem jährlichen Kupon von 5% wird in 3 Jahren fällig und kostet €1 040. Bestimme ihre Rendite bis zur Fälligkeit YTM in Prozent.

F = €1 000Kuponsatz = 5%n = 3P = €1 040
YTM = %
7.CAPM & WACCMittel
WACC = ?Eigenkapital€3 000 000re​ = 13%Fremdkapital€1 000 000rd​ = 6%T = 21%

Ein Unternehmen hat Eigenkapital im Wert von €3 000 000 und Fremdkapital im Wert von €1 000 000. Seine Eigenkapitalkosten betragen 13%, seine Fremdkapitalkosten vor Steuern 6% und der Steuersatz 21%. Bestimme den WACC.

E = €3 000 000D = €1 000 000re = 13%rd = 6%T = 21%
WACC = %
8.CAPM & WACCSchwer
WACC = ?Eigenkapital5 000 000 × €17,00β = 0,8rf​ = 4%, rm​ = 8,5%Fremdkapital5 000 × €980rd​ = 6%T = 20%

Ein Unternehmen hat 5 000 000 Aktien zu je €17,00 und 5 000 Anleihen mit einem Kurs von je €980. Die Fremdkapitalkosten vor Steuern betragen 6% und der Steuersatz 20%. Das Beta der Aktie ist 0,8, der risikofreie Zinssatz 4% und die Marktrendite 8,5%. Bestimme den WACC.

β = 0,8rf = 4%rm = 8,5%rd = 6%T = 20%
WACC = %
9.Beschreibende StatistikMittel
2025303540455055

Bestimme die Stichproben-Standardabweichung s der Daten: 40, 20, 49, 16, 58, 53.

n = 6
s =
10.Beschreibende StatistikSchwer
z −2−1012

Prüfungsergebnisse sind normalverteilt mit Mittelwert 70 und Standardabweichung 20. Bestimme den z-Wert z eines Ergebnisses von 60.

μ = 70σ = 20x = 60
z =
11.WahrscheinlichkeitMittel
P(mindestens eine Sechs) = ??1?2?3?4?5P(Sechs) = 1/6 bei jedem Wurf

Ein fairer Würfel wird 5-mal geworfen. Wie groß ist die Wahrscheinlichkeit P, mindestens eine Sechs zu würfeln?

n = 5
P =
12.WahrscheinlichkeitSchwer
n = 7, p = 0,25: P(X = 5) = ?k01234567

Ein Test hat 7 Multiple-Choice-Fragen. Eine Studentin, die rät, beantwortet jede unabhängig mit Wahrscheinlichkeit 0,25 richtig. Wie groß ist die Wahrscheinlichkeit P für genau 5 richtige Antworten?

n = 7p = 0,25k = 5
P =
13.NormalverteilungMittel
108 kg106,8 kgT = X₁ + … + X₉?

Gegeben sind Kartons; ihre Massen sind unabhängig und normalverteilt mit dem Mittelwert 12 kg und der Standardabweichung 0,8 kg. Bestimme die Wahrscheinlichkeit P, dass die Gesamtmasse von 9 davon 106,8 kg übersteigt. Runde z auf zwei Dezimalstellen.

μ = 12 kgσ = 0,8 kgn = 9> 106,8 kg
P =
14.NormalverteilungSchwer
157164171178185192199cmoben 75%

Die Körpergrößen erwachsener Männer sind normalverteilt mit dem Mittelwert 178 cm und der Standardabweichung 7 cm. Ziehe die Grenze so, dass die schattierten oberen 75 % rechts davon liegen. Bestimme die Grenze x.

μ = 178 cmσ = 7 cm75%
x = cm
15.KonfidenzintervalleMittel
n = 30, s = 8L = ?Ux̄ = 80,5E95%

Eine Stichprobe von 30 Elementen hat den Mittelwert 80,5 und die Standardabweichung s = 8. Die Grundgesamtheit ist annähernd normalverteilt. Bestimme die untere Grenze des 95-%-Konfidenzintervalls für den Mittelwert.

n = 30x̄ = 80,5s = 895%t(29) = 2,045
untere Grenze =
16.KonfidenzintervalleSchwer
σ = 25, n = ?x̄ − Ex̄ + Ex̄E = 295%

Die Standardabweichung der Grundgesamtheit ist 25. Wie groß muss die Stichprobe n sein, damit ein 95-%-Konfidenzintervall für den Mittelwert eine Fehlermarge von höchstens 2 hat?

σ = 25E = 295%
n =
17.Hypothesentests & KonfidenzintervalleMittel
−1,961,96z = ?

Zwei Fertigungslinien stellen dasselbe Teil her. Linie 1: Eine Stichprobe von 60 Teilen hat die mittlere Länge 45 mm, und die bekannte Standardabweichung der Linie ist 18 mm. Linie 2: Eine Stichprobe von 60 Teilen hat den Mittelwert 53 mm, bekannte Standardabweichung 20 mm. Bestimme die Teststatistik z für H₀: μ₁ = μ₂, mit der Differenz x̄₁ − x̄₂ (Linie 1 minus Linie 2).

n₁ = 60x̄₁ = 45 mmσ₁ = 18 mmn₂ = 60x̄₂ = 53 mmσ₂ = 20 mm
z =
18.Hypothesentests & KonfidenzintervalleSchwer
z −1,64501,645

Eine Stichprobe von 25 Messungen hat den Mittelwert 51. Die Standardabweichung der Grundgesamtheit ist 5. Bestimme die untere Grenze L des 90-%-Konfidenzintervalls für den Mittelwert.

x̄ = 51σ = 5n = 2590%
L =
19.Lineare Regression und KorrelationMittel
xy164319442258256928853190xy15202530406080

Die Tabelle enthält 6 Wertepaare von x = Temperatur in °C und y = verkaufte Eiskugeln. Bestimme den Korrelationskoeffizienten nach Pearson r.

n = 6
r =
20.Lineare Regression und KorrelationSchwer
xy125221319419514xy24152025x = 1,5

Die Tabelle enthält 5 Wertepaare von x = Fahrzeugalter in Jahren und y = Preis in k€. Verwende die Regressionsgerade ŷ = a + b·x nach der Methode der kleinsten Quadrate. Sage ŷ für x = 1,5 voraus.

n = 5x = 1,5
ŷ =

3Lösungen

1.Zeitwert des Geldes

Antwort: FV = 3450 €

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 = r/m = 0,02/12 = 0,001667
N = m·n = 12·7 = 84

Endwert

FV = 3 000·(1 + 0,001667)84 = 3 000·1,15 = €3 450,42

Antwort

FV = €3 450,42
2.Zeitwert des Geldes

Antwort: I = 847 €

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.

Monatliche Rate

i = 0,003, N = 36
A = 15 000·0,003/(1 − (1 + 0,003)−36) = €440,20

Gesamtzinsen

I = N·A − P = 36·440,2 − 15 000 = €847,04

Antwort

I = €847,04
3.Kapitalwert & interner Zinsfuß

Antwort: NPV = −2610 €

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 der jährlichen Zahlungen

7 000·5,582 = 39 076,67

Barwert des Restwerts

12 500/1,504 = 8 313,21

NPV

NPV = −50 000 + 39 076,67 + 8 313,21 = −€2 610,12

Antwort

NPV = −€2 610,12
4.Kapitalwert & interner Zinsfuß

Antwort: MIRR = 22,89 %

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

6 000·1,123 = 8 429,57
5 500·1,122 = 6 899,20
4 000·1,121 = 4 480,00
3 000·1,120 = 3 000,00
TV = 22 808,77

MIRR

MIRR = (22 808,77/10 000)1/4 − 1 = 22,89%

Antwort

MIRR = 22,89%
5.Anleihekurs & Rendite

Antwort: P = 747,1 €

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.

Pro Periode

C = €22,50, i = 0,04, N = 22

Barwert der Kupons

€22,50·(1 − 0,422)/0,04 = €325,15

Barwert des Nennwerts

€1 000·0,422 = €421,96

Kurs

P = €747,11

Antwort

P = €747,11

Die Rendite liegt über dem Kuponsatz, also notiert die Anleihe unter pari.

6.Anleihekurs & Rendite

Antwort: YTM = 3,57 %

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

€1 040 = €50·(1 − (1 + y)⁻³)/y + €1 000/(1 + y)³

Numerisch lösen

P(3%) = €1 056,57, P(4%) = €1 027,75
YTM = 3,57%

Antwort

YTM = 3,57%
7.CAPM & WACC

Antwort: WACC = 10,94 %

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

V = €4 000 000, E/V = 0,75, D/V = 0,25

WACC

WACC = 0,75·13% + 0,25·6%·(1 − 0,21) = 10,94%

Antwort

WACC = 10,94%
8.CAPM & WACC

Antwort: WACC = 7,447 %

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 = 5 000 000·€17,00 = €85 000 000
D = 5 000·€980 = €4 900 000

Eigenkapitalkosten (CAPM)

re = 4% + 0,8·4,5% = 7,6%

Gewichte

V = €89 900 000, E/V = 0,9455, D/V = 0,05451

WACC

WACC = 0,9455·7,6% + 0,05451·6%·(1 − 0,2) = 7,447%

Antwort

WACC = 7,447%
9.Beschreibende Statistik

Antwort: s = 17,59

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 = 236/6 = 39,33

Quadrierte Abweichungen

Σ(x − x̄)² = 0,6667² + (−19,33)² + 9,667² + (−23,33)² + 18,67² + 13,67² = 1547

Standardabweichung

s = √(1547/5) = 17,59

Antwort

s = 17,59
10.Beschreibende Statistik

Antwort: z = −0,5

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 = (60 − 70)/20 = −0,5

Antwort

z = −0,5
11.Wahrscheinlichkeit

Antwort: P = 0,5981

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.

Gegenereignis

P(keine Sechs) = (5/6)5 = 0,4019
P = 1 − 0,4019 = 0,5981

Antwort

P = 0,5981
12.Wahrscheinlichkeit

Antwort: P = 0,01154

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 = 5) = 21·0,255·0,752 = 21·0,0009766·0,5625 = 0,01154

Antwort

P = 0,01154
13.Normalverteilung

Antwort: P = 0,6915

Summen und Differenzen normalverteilter Variablen: Sind X und Y unabhängig und normalverteilt, sind auch X + Y und X − Y normalverteilt. Die Mittelwerte werden addiert oder subtrahiert: E(X ± Y) = μX ± μY. Die Varianzen addieren sich immer, auch bei einer Differenz: Var(X ± Y) = σX² + σY², also σ = √(σX² + σY²). Standardabweichungen werden nie direkt addiert. Die Summe von n unabhängigen Objekten mit derselben Verteilung hat den Mittelwert n·μ und die Standardabweichung σ·√n. Standardisiere dann wie gewohnt: z = (x − Mittelwert)/σ und lies Φ(z) ab.

Verteilung der Summe

μT = 108 kg, σT = 0,8·√9 = 2,4 kg

Standardisieren

z = (106,8 − 108)/2,4 = −0,5

Wahrscheinlichkeit

P = 1 − Φ(−0,5) = 0,6915

Antwort

P = 0,6915
14.Normalverteilung

Antwort: x = 173,3 cm

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

Φ(z) = 0,25

z aus der Tabelle

z ≈ −0,67

Zurück zu den ursprünglichen Einheiten

x = 178 − 0,67·7 = 173,3 cm

Antwort

x = 173,3 cm
15.Konfidenzintervalle

Antwort: untere Grenze = 77,51

Konfidenzintervall für einen Mittelwert: x̄ ± Fehlermarge. Bei bekanntem σ der Grundgesamtheit ist die Fehlermarge z·σ/√n; ist nur die Stichproben-Standardabweichung s bekannt, nimm t mit n − 1 Freiheitsgraden: t·s/√n. Kritische Werte: z = 1,645 (90 %), 1,96 (95 %), 2,576 (99 %). Für eine Fehlermarge von höchstens E brauchst du n ≥ (z·σ/E)², aufgerundet.

Kritischer Wert

df = n − 1 = 29, t = 2,045

Fehlermarge

E = 2,045·8/√30 = 2,987

Intervall

80,5 ± 2,987 → [77,51, 83,49]

Antwort

untere Grenze = 77,51
16.Konfidenzintervalle

Antwort: n = 601

Konfidenzintervall für einen Mittelwert: x̄ ± Fehlermarge. Bei bekanntem σ der Grundgesamtheit ist die Fehlermarge z·σ/√n; ist nur die Stichproben-Standardabweichung s bekannt, nimm t mit n − 1 Freiheitsgraden: t·s/√n. Kritische Werte: z = 1,645 (90 %), 1,96 (95 %), 2,576 (99 %). Für eine Fehlermarge von höchstens E brauchst du n ≥ (z·σ/E)², aufgerundet.

Nach n auflösen

n = (1,96·25/2)² = 600,3

Aufrunden

Ein Stichprobenumfang ist eine ganze Zahl, und Abrunden würde die Fehlermarge zu groß machen.

n = 601

Antwort

n = 601
17.Hypothesentests & Konfidenzintervalle

Antwort: z = −2,303

Hypothesis test: the test statistic = (estimate − value under H₀)/(standard error under H₀). The p-value is the probability, assuming H₀ is true, of a statistic at least as extreme as the one observed: the area in one tail for a one-sided H₁, twice the tail area for a two-sided H₁. Reject H₀ when p ≤ α.

Standardfehler der Differenz

SE = √(18²/60 + 20²/60) = √12,07 = 3,474

Teststatistik

z = (45 − 53)/3,474 = −2,303

Antwort

z = −2,303

|z| > 1,96, also wird H₀ auf dem 5-%-Niveau (zweiseitig) verworfen.

18.Hypothesentests & Konfidenzintervalle

Antwort: L = 49,35

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).

Fehlermarge

E = 1,645·5/√25 = 1,645

Intervallgrenze

L = 51 − 1,645 = 49,35

Antwort

L = 49,35
19.Lineare Regression und Korrelation

Antwort: r = 0,9826

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 = 141/6 = 23,5
ȳ = 389/6 = 64,83

Quadrat- und Produktsummen

Sxx = Σ(x − x̄)² = 157,5
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 553,5
Syy = Σ(y − ȳ)² = 2015

Korrelationskoeffizient

r = 553,5/√(157,5·2015) = 0,9826

Antwort

r = 0,9826
20.Lineare Regression und Korrelation

Antwort: ŷ = 23,2

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 = 15/5 = 3
ȳ = 98/5 = 19,6

Quadrat- und Produktsummen

Sxx = Σ(x − x̄)² = 10
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = −24

Regressionsgerade

b = −24/10 = −2,4
a = 19,6 − (−2,4)·3 = 26,8
ŷ = 26,8 − 2,4·x

Vorhersage

ŷ = 26,8 + (−2,4)·1,5 = 23,2

Antwort

ŷ = 23,2

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