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
Jahre0123…9PV = ?€10 000

Du brauchst €10 000 in 9 Jahren. Ein Konto bringt 4 % pro Jahr bei monatlicher Verzinsung. Wie viel musst du heute einzahlen? Bestimme den Barwert PV.

FV = €10 0004% / 12n = 9
PV = €
2.Zeitwert des GeldesSchwer
Jahre0123…16€3 000€3 000€3 000FV = ?

Du zahlst 16 Jahre lang am Anfang jedes Jahres €3 000 ein, die erste Einzahlung heute. Das Konto bringt 3 % pro Jahr. Wie viel ist am Ende von Jahr 16 auf dem Konto? Bestimme FV.

A = €3 000i = 3%n = 16
FV = €
3.Kapitalwert & interner ZinsfußMittel
Jahre0123−30 00012 00012 0007 000

Eine Investition von €30 000 bringt am Ende der Jahre 1 bis 3 diese Zahlungen: €12 000, €12 000, €7 000. Die Kapitalkosten betragen 12 %. Bestimme den Kapitalwert NPV.

r = 12%CF0 = −30 000CF1 = 12 000CF2 = 12 000CF3 = 7 000
NPV = €
4.Kapitalwert & interner ZinsfußSchwer
Jahre0123−25 00013 5009 00016 000

Ein Projekt kostet €25 000 und bringt am Ende der Jahre 1 bis 3 €13 500, €9 000, €16 000. Bestimme seinen internen Zinsfuß IRR in Prozent.

CF0 = −25 000CF1 = 13 500CF2 = 9 000CF3 = 16 000
IRR = %
5.Anleihekurs & RenditeMittel
Jahre01234567€792C = ?C = ?C = ? + €1 000

Eine Anleihe mit einem Nennwert von €1 000 wird in 7 Jahren fällig und zahlt jährliche Kupons. Sie wird bei einer Rendite bis zur Fälligkeit von 8% für €792 verkauft. Bestimme den Kuponsatz c in Prozent.

F = €1 000n = 7P = €792YTM = 8%
c = %
6.Anleihekurs & RenditeSchwer
Jahre0123…10€1 180€40€40 + €1 000

Eine Anleihe mit einem Nennwert von €1 000 und einem jährlichen Kupon von 4% wird in 10 Jahren fällig und kostet €1 180. Bestimme ihre Rendite bis zur Fälligkeit YTM in Prozent.

F = €1 000Kuponsatz = 4%n = 10P = €1 180
YTM = %
7.CAPM & WACCMittel
WACC = ?Eigenkapital€2 000 000re​ = 11%Fremdkapital€2 000 000rd​ = 4%T = 20%

Ein Unternehmen hat Eigenkapital im Wert von €2 000 000 und Fremdkapital im Wert von €2 000 000. Seine Eigenkapitalkosten betragen 11%, seine Fremdkapitalkosten vor Steuern 4% und der Steuersatz 20%. Bestimme den WACC.

E = €2 000 000D = €2 000 000re = 11%rd = 4%T = 20%
WACC = %
8.CAPM & WACCSchwer
WACC = ?Eigenkapital1 000 000 × €28,50β = 0,6rf​ = 3%, rm​ = 7,5%Fremdkapital20 000 × €1 050rd​ = 5%T = 25,8%

Ein Unternehmen hat 1 000 000 Aktien zu je €28,50 und 20 000 Anleihen mit einem Kurs von je €1 050. Die Fremdkapitalkosten vor Steuern betragen 5% und der Steuersatz 25,8%. Das Beta der Aktie ist 0,6, der risikofreie Zinssatz 3% und die Marktrendite 7,5%. Bestimme den WACC.

β = 0,6rf = 3%rm = 7,5%rd = 5%T = 25,8%
WACC = %
9.Beschreibende StatistikMittel
253035404550

Bestimme die Stichproben-Standardabweichung s der Daten: 37, 53, 29, 39, 25.

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

Prüfungsergebnisse sind normalverteilt mit Mittelwert 50 und Standardabweichung 10. Bestimme den z-Wert z eines Ergebnisses von 60.

μ = 50σ = 10x = 60
z =
11.WahrscheinlichkeitMittel
n = 11k = 4N = ?

Auf wie viele Arten N kann ein Ausschuss von 4 Personen aus einer Gruppe von 11 gewählt werden? Die Reihenfolge spielt keine Rolle.

n = 11k = 4
N =
12.WahrscheinlichkeitSchwer
n = 6, p = 0,7: P(X = 2) = ?k0123456

Ein Test hat 6 Multiple-Choice-Fragen. Eine Studentin, die rät, beantwortet jede unabhängig mit Wahrscheinlichkeit 0,7 richtig. Wie groß ist die Wahrscheinlichkeit P für genau 2 richtige Antworten?

n = 6p = 0,7k = 2
P =
13.NormalverteilungMittel
−3−2−10123zschattierte Fläche zwischen −z und z = 0,3401

Ziehe z so, dass die schattierte Fläche zwischen −z und z unter der Standardnormalverteilung gleich 0,3401 ist. Bestimme z auf zwei Nachkommastellen.

A = 0,3401
z =
14.NormalverteilungSchwer
μ = 65x = ?10%

Die Prüfungsergebnisse sind normalverteilt mit dem Mittelwert 65 Punkte und der Standardabweichung 10 Punkte. Bestimme den Wert x, unter dem 10 % von ihnen liegen (das 10. Perzentil).

μ = 65σ = 10P = 10%
x = Punkte
15.KonfidenzintervalleMittel
x̄E₁ = 9,490%, n = 100x̄E₂ = ?99%, n = 100

Ein 90-%-Konfidenzintervall für einen Mittelwert, basierend auf 100 Beobachtungen und bekanntem σ, hat eine Fehlermarge von 9,4. Wie groß ist die Fehlermarge E₂ eines 99-%-Intervalls aus denselben Daten?

90%n₁ = 100E₁ = 9,499%
E₂ =
16.KonfidenzintervalleSchwer
μ₁ − μ₂, t(19) = 2,0930L = ?Ux̄₁ − x̄₂E95%

Zwei Dünger werden getestet. Parzellengruppe 1: 10 Parzellen, mittlerer Ertrag 62,5 kg, Standardabweichung 3,5 kg. Parzellengruppe 2: 11 Parzellen, Mittelwert 52,5 kg, Standardabweichung 1,5 kg. Nimm gleiche Varianzen an (gepoolter t-Test, df = n₁ + n₂ − 2). Bestimme die untere Grenze des 95-%-Konfidenzintervalls für μ₁ − μ₂.

n₁ = 10x̄₁ = 62,5s₁ = 3,5n₂ = 11x̄₂ = 52,5s₂ = 1,595%t(19) = 2,093
untere Grenze = kg
17.Hypothesentests & KonfidenzintervalleMittel
2,24p = ?

Der Mittelwert einer Grundgesamtheit soll 100 betragen; die Standardabweichung der Grundgesamtheit ist bekanntermaßen 7,5. Eine Zufallsstichprobe von 25 Beobachtungen hat den Mittelwert 103,36. Teste H₀: μ = 100 gegen H₁: μ > 100. Bestimme den p-Wert p.

μ₀ = 100σ = 7,5n = 25x̄ = 103,36H₁: μ > μ₀
p =
18.Hypothesentests & KonfidenzintervalleSchwer
μ₀x̄c

Ein einseitiger z-Test von H₀: μ = 500 gegen H₁: μ > 500 wird bei α = 0,10 mit einer Stichprobe von 100 durchgeführt; die Standardabweichung ist bekanntermaßen 5. In Wirklichkeit beträgt der Mittelwert 501,5. Bestimme die Wahrscheinlichkeit eines Fehlers 2. Art β in Prozent.

μ₀ = 500μ = 501,5σ = 5n = 100α = 0,10
β = %
19.Lineare Regression und KorrelationMittel
xy2441161882210311235xy510102030

Die Tabelle enthält 6 Wertepaare von x = Last in kN und y = Verlängerung in mm. Ihre Summen sind gegeben. Bestimme daraus den Korrelationskoeffizienten nach Pearson r.

n = 6Σx = 42Σy = 121Σx² = 364Σy² = 3131Σxy = 1066
r =
20.Lineare Regression und KorrelationSchwer
xy153369571786990xy56080x = 2

Die Tabelle enthält 5 Wertepaare von x = Lernstunden und y = Prüfungspunkte. Verwende die Regressionsgerade ŷ = a + b·x nach der Methode der kleinsten Quadrate. Eine neue Beobachtung (2, 55) wird gemacht. Bestimme ihr Residuum e = y − ŷ.

n = 5(2, 55)
e =

3Lösungen

1.Zeitwert des Geldes

Antwort: PV = 6981 €

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 = 0,04/12 = 0,003333
N = 12·9 = 108

Barwert

PV = FV/(1 + i)N = 10 000/1,432 = €6 980,94

Antwort

PV = €6 980,94
2.Zeitwert des Geldes

Antwort: FV = 62285 €

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 + 0,03)16 − 1)/0,03 = 20,16

Vorschüssige Rente

Jede Einzahlung ist ein Jahr länger angelegt.

FV = 3 000·20,16·1,03 = €62 284,76

Antwort

FV = €62 284,76
3.Kapitalwert & interner Zinsfuß

Antwort: NPV = −4737 €

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 = 12 000/1,254 = 9 566,33
CF3/(1 + 0,12)3 = 7 000/1,405 = 4 982,46

Addieren

NPV = €−4 736,93

Antwort

NPV = €−4 736,93

Der Kapitalwert ist negativ, das Projekt verdient also weniger als die geforderte Rendite.

4.Kapitalwert & interner Zinsfuß

Antwort: IRR = 24,34 %

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.

Den IRR eingrenzen

Der Kapitalwert sinkt mit steigendem Zins, also liegt der IRR zwischen einem Zinssatz mit positivem und einem mit negativem Kapitalwert.

NPV(20%) = 1 759,26
NPV(25%) = −248,00

Eingrenzen

Lineare Interpolation liefert eine erste Schätzung; Wiederholen (oder die IRR-Funktion eines Rechners) liefert den genauen Zinssatz.

IRR ≈ 20 + 5·1 759,26/(1 759,26 − (−248,00)) = 24,38%
exakt: NPV(24,34%) = 0 → IRR = 24,34%

Antwort

IRR = 24,34%
5.Anleihekurs & Rendite

Antwort: c = 4,005 %

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.

Barwert des Nennwerts

1000·(1 + 0,08)−7 = €583,49

Kupon

C = (792 − 583,49)/5,206 = €40,05

Kuponsatz

c = 40,05/1000 = 4,005%

Antwort

c = 4,005%
6.Anleihekurs & Rendite

Antwort: YTM = 1,996 %

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

€1 180 = €40·(1 − (1 + y)⁻¹⁰)/y + €1 000/(1 + y)¹⁰

Numerisch lösen

P(1%) = €1 284,14, P(2%) = €1 179,65
YTM = 1,996%

Antwort

YTM = 1,996%
7.CAPM & WACC

Antwort: WACC = 7,1 %

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 = 0,5, D/V = 0,5

WACC

WACC = 0,5·11% + 0,5·4%·(1 − 0,2) = 7,1%

Antwort

WACC = 7,1%
8.CAPM & WACC

Antwort: WACC = 4,856 %

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 = 1 000 000·€28,50 = €28 500 000
D = 20 000·€1 050 = €21 000 000

Eigenkapitalkosten (CAPM)

re = 3% + 0,6·4,5% = 5,7%

Gewichte

V = €49 500 000, E/V = 0,5758, D/V = 0,4242

WACC

WACC = 0,5758·5,7% + 0,4242·5%·(1 − 0,258) = 4,856%

Antwort

WACC = 4,856%
9.Beschreibende Statistik

Antwort: s = 10,81

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 = 183/5 = 36,6

Quadrierte Abweichungen

Σ(x − x̄)² = 0,4² + 16,4² + (−7,6)² + 2,4² + (−11,6)² = 467,2

Standardabweichung

s = √(467,2/4) = 10,81

Antwort

s = 10,81
10.Beschreibende Statistik

Antwort: z = 1

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 − 50)/10 = 1

Antwort

z = 1
11.Wahrscheinlichkeit

Antwort: N = 330

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.

Kombinationen

C(11, 4) = (11·10·9·8)/(4·3·2·1) = 330

Antwort

N = 330
12.Wahrscheinlichkeit

Antwort: P = 0,05954

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) = 15·0,72·0,34 = 15·0,49·0,0081 = 0,05954

Antwort

P = 0,05954
13.Normalverteilung

Antwort: z = 0,44

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 + 0,3401)/2 = 0,6700

Die z-Tabelle rückwärts lesen

Finde 0,6700 in der Tabelle und lies z ab.

z = 0,44

Antwort

z = 0,44
14.Normalverteilung

Antwort: x = 52,18 Punkte

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) = 0,1 → z = −1,282

Zurück zu x

x = 65 + −1,282·10 = 52,18 Punkte

Antwort

x = 52,18 Punkte
15.Konfidenzintervalle

Antwort: E₂ = 14,72

Confidence interval for a mean: x̄ ± margin of error. With a known population σ the margin is z·σ/√n; with only the sample standard deviation s, use t with n − 1 degrees of freedom: t·s/√n. Critical values: z = 1,645 (90%), 1,96 (95%), 2,576 (99%). To get a margin E or smaller, you need n ≥ (z·σ/E)², rounded up.

Verhältnis der Fehlermargen

E₂/E₁ = (2,576/1,645)·√(100/100) = 1,566

Neue Fehlermarge

E₂ = 9,4·1,566 = 14,72

Antwort

E₂ = 14,72
16.Konfidenzintervalle

Antwort: untere Grenze = 7,583 kg

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.

Gepoolte Standardabweichung

sp² = (9·3,5² + 10·1,5²)/19 = 6,987
sp = 2,643

Fehlermarge

E = 2,093·2,643·√(1/10 + 1/11) = 2,417

Intervall

10 ± 2,417 → [7,583, 12,42]

Antwort

untere Grenze = 7,583 kg
17.Hypothesentests & Konfidenzintervalle

Antwort: p = 0,01255

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.

Teststatistik

SE = σ/√n = 7,5/√25 = 1,5
z = (103,36 − 100)/1,5 = 2,24

Endfläche

Φ(2,24) = 0,9875
1 − Φ(2,24) = 0,0125

p-Wert

p = 0,01255

Antwort

p = 0,01255

p ≤ 0,05, also wird H₀ auf dem 5-%-Niveau verworfen.

18.Hypothesentests & Konfidenzintervalle

Antwort: β = 4,29 %

Teststärke: Die Teststärke 1 − β ist die Wahrscheinlichkeit, H₀ zu verwerfen, wenn sie falsch ist. Bestimme die Grenze x̄c aus μ₀ und z_α und berechne dann mit dem wahren Mittelwert die Wahrscheinlichkeit, jenseits von x̄c zu landen: z = (x̄c − μ)/(σ/√n).

Kritischer Stichprobenmittelwert

SE = 5/√100 = 0,5
x̄c = 500 + 1,282·0,5 = 500,6

z unter dem wahren Mittelwert

z = (500,6 − 501,5)/0,5 = −1,718

Fehler 2. Art

Teststärke = P(Z > −1,718) = 95,71%
β = 100% − 95,71% = 4,29%

Antwort

β = 4,29%
19.Lineare Regression und Korrelation

Antwort: r = 0,9959

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.

Zentrierte Summen

Sxy = 1066 − 42·121/6 = 219
Sxx = 364 − 42²/6 = 70
Syy = 3131 − 121²/6 = 690,8

Korrelationskoeffizient

r = 219/√(70·690,8) = 0,9959

Antwort

r = 0,9959
20.Lineare Regression und Korrelation

Antwort: e = −5,15

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 = 25/5 = 5
ȳ = 369/5 = 73,8

Quadrat- und Produktsummen

Sxx = Σ(x − x̄)² = 40
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 182

Regressionsgerade

b = 182/40 = 4,55
a = 73,8 − 4,55·5 = 51,05
ŷ = 51,05 + 4,55·x

Vorhergesagter Wert

ŷ = 51,05 + 4,55·2 = 60,15

Residuum

e = 55 − 60,15 = −5,15

Antwort

e = −5,15

Der Punkt liegt unter der Geraden.

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