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 = ?€5 000+2,5%+2,5%…r = 7,5%

Eine Immobilie soll im nächsten Jahr eine Nettomiete von €5 000 erzielen. Die Miete soll für immer um 2,5 % pro Jahr wachsen. Die geforderte Rendite beträgt 7,5 % pro Jahr. Bestimme den heutigen Wert PV der Immobilie.

C1 = €5 000g = 2,5%r = 7,5%
PV = €
2.Zeitwert des GeldesSchwer
Monate0123…36€15 000AAAA4,8% / 12, I = ?

Ein Darlehen von €15 000 wird über 3 Jahre mit gleichen Monatsraten bei 4,8 % pro Jahr und monatlicher Verzinsung getilgt. Wie viel Zinsen I werden über die gesamte Laufzeit gezahlt?

P = €15 0004,8% / 12N = 36
I = €
3.Kapitalwert & interner ZinsfußMittel
Jahre012345−50 00014 50014 50014 50014 50014 500

Ein Projekt kostet heute €50 000 und bringt 5 Jahre lang am Ende jedes Jahres €14 500. Die Kapitalkosten betragen 10 %. Nimm an, dass die Zahlungen gleichmäßig über jedes Jahr eingehen. Bestimme die dynamische Amortisationsdauer DPB in Jahren.

r = 10%CF0 = −50 000CF1 = 14 500CF2 = 14 500CF3 = 14 500CF4 = 14 500CF5 = 14 500
DPB = Jahre
4.Kapitalwert & interner ZinsfußSchwer
Jahre0123…8−40 0009 0009 0009 0009 000

Eine Investition von €40 000 bringt 8 Jahre lang am Ende jedes Jahres €9 000. Bestimme ihren internen Zinsfuß IRR in Prozent.

C0 = €40 000CF = €9 000n = 8
IRR = %
5.Anleihekurs & RenditeMittel
Jahre0123…15P€45€45€45 + €1 000

Eine Anleihe mit einem Nennwert von €1 000 zahlt einen jährlichen Kupon von 4,5% und wird in 15 Jahren fällig. Ihre Rendite bis zur Fälligkeit ändert sich von 5,5% auf 3,5%. Um wie viel ΔP ändert sich der Anleihekurs?

F = €1 000Kuponsatz = 4,5%n = 15y1 = 5,5%y2 = 3,5%
ΔP = €
6.Anleihekurs & RenditeSchwer
Jahre0123…8€1 155€30€30 + €1 000

Eine Anleihe mit einem Nennwert von €1 000 und einem jährlichen Kupon von 3% wird in 8 Jahren fällig und kostet €1 155. Bestimme ihre Rendite bis zur Fälligkeit YTM in Prozent.

F = €1 000Kuponsatz = 3%n = 8P = €1 155
YTM = %
7.CAPM & WACCMittel
WACC = ?Eigenkapital€2 000 000re​ = 9%Fremdkapital€3 000 000rd​ = 3,5%T = 30%

Ein Unternehmen hat Eigenkapital im Wert von €2 000 000 und Fremdkapital im Wert von €3 000 000. Seine Eigenkapitalkosten betragen 9%, seine Fremdkapitalkosten vor Steuern 3,5% und der Steuersatz 30%. Bestimme den WACC.

E = €2 000 000D = €3 000 000re = 9%rd = 3,5%T = 30%
WACC = %
8.CAPM & WACCSchwer
WACC = ?Eigenkapital5 000 000 × €43,00β = 1,3rf​ = 3,5%, rm​ = 8%Fremdkapital5 000 × €960rd​ = 6%T = 25%

Ein Unternehmen hat 5 000 000 Aktien zu je €43,00 und 5 000 Anleihen mit einem Kurs von je €960. Die Fremdkapitalkosten vor Steuern betragen 6% und der Steuersatz 25%. Das Beta der Aktie ist 1,3, der risikofreie Zinssatz 3,5% und die Marktrendite 8%. Bestimme den WACC.

β = 1,3rf = 3,5%rm = 8%rd = 6%T = 25%
WACC = %
9.Beschreibende StatistikMittel
2025303540455055

Bestimme die Stichproben-Standardabweichung s der Daten: 46, 45, 16, 59, 18.

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

Prüfungsergebnisse sind normalverteilt mit Mittelwert 170 und Standardabweichung 20. Bestimme den z-Wert z eines Ergebnisses von 178.

μ = 170σ = 20x = 178
z =
11.WahrscheinlichkeitMittel
rot: 5blau: 5

Ein Beutel enthält 5 rote und 5 blaue Kugeln. Du ziehst zwei Kugeln, ohne die erste zurückzulegen. Wie groß ist die Wahrscheinlichkeit P, dass beide rot sind?

5 / 5
P =
12.WahrscheinlichkeitSchwer
xp(x)10,320,1530,3540,2μ

X hat die gezeigte Verteilung, und Y = 2X − 3. Bestimme die Standardabweichung σY von Y.

x: 1, 2, 3, 4p(x): 0,3, 0,15, 0,35, 0,2Y = 2X − 3
σY =
13.NormalverteilungMittel
−3−2−10123zschattierte Fläche zwischen −z und z = 0,9586

Ziehe z so, dass die schattierte Fläche zwischen −z und z unter der Standardnormalverteilung gleich 0,9586 ist. Bestimme z auf zwei Nachkommastellen.

A = 0,9586
z =
14.NormalverteilungSchwer
35455565758595Punkteoben 15%

Die Prüfungsergebnisse sind normalverteilt mit dem Mittelwert 65 Punkte und der Standardabweichung 10 Punkte. Ziehe die Grenze so, dass die schattierten oberen 15 % rechts davon liegen. Bestimme die Grenze x.

μ = 65 Punkteσ = 10 Punkte15%
x = Punkte
15.KonfidenzintervalleMittel
x̄E₁ = 6,990%, n = 100x̄E₂ = ?95%, n = 200

Ein 90-%-Konfidenzintervall für einen Mittelwert, basierend auf 100 Beobachtungen und bekanntem σ, hat eine Fehlermarge von 6,9. Wie groß ist die Fehlermarge E₂ eines 95-%-Intervalls auf Basis von 200 Beobachtungen?

90%n₁ = 100E₁ = 6,995%n₂ = 200
E₂ =
16.KonfidenzintervalleSchwer
n = 10σ = ?Us = 6,795%

Die Durchmesser von 10 gefertigten Wellen haben eine Stichprobenstandardabweichung von 6,7 µm. Bestimme unter der Annahme normalverteilter Durchmesser die untere 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 = 6,7 µmχ² = 2,7, 19,023
σ = µm
17.Hypothesentests & KonfidenzintervalleMittel
−2,2282,228t = ?df = 10

Zwei Lehrmethoden werden verglichen. Gruppe 1: 7 Studierende, mittlere Punktzahl 49,5, Standardabweichung 4. Gruppe 2: 5 Studierende, mittlere Punktzahl 47,9, Standardabweichung 3,5. Nimm gleiche Varianzen der Grundgesamtheiten an und verwende den gepoolten Zweistichproben-t-Test. Bestimme die Teststatistik t für H₀: μ₁ = μ₂, mit der Differenz x̄₁ − x̄₂ (Gruppe 1 minus Gruppe 2).

n₁ = 7x̄₁ = 49,5s₁ = 4n₂ = 5x̄₂ = 47,9s₂ = 3,5
t =
18.Hypothesentests & KonfidenzintervalleSchwer
σ = 5, n = ?x̄ − Ex̄ + Ex̄E = 299%

Wie groß muss eine Stichprobe sein, damit das 99-%-Konfidenzintervall für einen Mittelwert eine Fehlermarge von höchstens 2 hat? Die Standardabweichung ist 5. Bestimme den kleinsten Stichprobenumfang n.

σ = 5E = 299%
n =
19.Lineare Regression und KorrelationMittel
xy1564187321982410727119xy1520256080100120

Die Tabelle enthält 5 Wertepaare von x = Temperatur in °C und y = verkaufte Eiskugeln. Bestimme den Korrelationskoeffizienten nach Pearson r.

n = 5
r =
20.Lineare Regression und KorrelationSchwer
xy138347552756965xy5405060x = 6

Die Tabelle enthält 5 Wertepaare von x = Lernstunden und y = Prüfungspunkte. Verwende die Regressionsgerade ŷ = a + b·x nach der Methode der kleinsten Quadrate. Sage ŷ für x = 6 voraus.

n = 5x = 6
ŷ =

3Lösungen

1.Zeitwert des Geldes

Antwort: PV = 100000 €

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.

Wachsende ewige Rente

PV = C1/(r − g) = 5 000/(0,075 − 0,025) = 5 000/0,05 = €100 000,00

Antwort

PV = €100 000,00
2.Zeitwert des Geldes

Antwort: I = 1136 €

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 = 0,004, N = 36
A = 15 000·0,004/(1 − (1 + 0,004)−36) = €448,22

Gesamtzinsen

I = N·A − P = 36·448,2 − 15 000 = €1 135,84

Antwort

I = €1 135,84
3.Kapitalwert & interner Zinsfuß

Antwort: DPB = 4,448 Jahre

Amortisationsdauer: die Zeit, bis die kumulierten Zahlungsüberschüsse die Anfangsinvestition zurückgezahlt haben. Man nimmt an, dass das Geld gleichmäßig über jedes Jahr eingeht, der letzte Teil ist also ein Bruchteil eines Jahres. Die statische Amortisationsdauer vernachlässigt den Zeitwert des Geldes; die dynamische Amortisationsdauer verwendet stattdessen die abgezinsten Zahlungen.

Abgezinste und kumulierte Zahlungen

Jahr 1: 14 500/1,1 = 13 181,82 → Σ = 13 181,82
Jahr 2: 14 500/1,21 = 11 983,47 → Σ = 25 165,29
Jahr 3: 14 500/1,331 = 10 894,06 → Σ = 36 059,35
Jahr 4: 14 500/1,464 = 9 903,70 → Σ = 45 963,05
Jahr 5: 14 500/1,611 = 9 003,36 → Σ = 54 966,41

Bruchteil des letzten Jahres

DPB = 4 + 4 036,95/9 003,36 = 4,448

Antwort

DPB = 4,448 Jahre

Die dynamische Amortisationsdauer ist immer länger als die statische (3,448 Jahre).

4.Kapitalwert & interner Zinsfuß

Antwort: IRR = 15,29 %

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.

Erforderlicher Rentenbarwertfaktor

(1 − (1 + i)−8)/i = 40 000/9 000 = 4,444

Nach dem Zinssatz auflösen

Der Rentenbarwertfaktor sinkt, wenn der Zinssatz steigt; schließe den Zinssatz ein und grenze ihn ein.

i = 15%: 4,487
i = 16%: 4,344
IRR = 15,29%

Antwort

IRR = 15,29%
5.Anleihekurs & Rendite

Antwort: ΔP = 215,5 €

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.

Kurs bei der alten Rendite

C = €45,00, i = 0,055, N = 15
€45,00·(1 − 0,4479)/0,055 + €1 000·0,4479 = €451,69 + €447,93 = €899,62

Kurs bei der neuen Rendite

C = €45,00, i = 0,035, N = 15
€45,00·(1 − 0,5969)/0,035 + €1 000·0,5969 = €518,28 + €596,89 = €1 115,17

Änderung

ΔP = 1 115,17 − 899,62 = €215,55

Antwort

ΔP = €215,55
6.Anleihekurs & Rendite

Antwort: YTM = 0,9764 %

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

€1 155 = €30·(1 − (1 + y)⁻⁸)/y + €1 000/(1 + y)⁸

Numerisch lösen

P(1%) = €1 153,03, P(1%) = €1 153,03
YTM = 0,9764%

Antwort

YTM = 0,9764%
7.CAPM & WACC

Antwort: WACC = 5,07 %

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 = €5 000 000, E/V = 0,4, D/V = 0,6

WACC

WACC = 0,4·9% + 0,6·3,5%·(1 − 0,3) = 5,07%

Antwort

WACC = 5,07%
8.CAPM & WACC

Antwort: WACC = 9,244 %

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·€43,00 = €215 000 000
D = 5 000·€960 = €4 800 000

Eigenkapitalkosten (CAPM)

re = 3,5% + 1,3·4,5% = 9,35%

Gewichte

V = €219 800 000, E/V = 0,9782, D/V = 0,02184

WACC

WACC = 0,9782·9,35% + 0,02184·6%·(1 − 0,25) = 9,244%

Antwort

WACC = 9,244%
9.Beschreibende Statistik

Antwort: s = 18,91

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 = 184/5 = 36,8

Quadrierte Abweichungen

Σ(x − x̄)² = 9,2² + 8,2² + (−20,8)² + 22,2² + (−18,8)² = 1431

Standardabweichung

s = √(1431/4) = 18,91

Antwort

s = 18,91
10.Beschreibende Statistik

Antwort: z = 0,4

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 = (178 − 170)/20 = 0,4

Antwort

z = 0,4
11.Wahrscheinlichkeit

Antwort: P = 0,2222

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.

Erster und zweiter Zug

P = 5/10 · 4/9 = 20/90 = 0,2222

Antwort

P = 0,2222
12.Wahrscheinlichkeit

Antwort: σY = 2,234

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.

Streuung von X

μ = 2,45, Var(X) = 1,247, σX = 1,117

Lineare Änderung

σY = |2|·1,117 = 2,234

Antwort

σY = 2,234

Der Mittelwert verschiebt sich sehr wohl: E(Y) = 2·2,45 − 3 = 1,9.

13.Normalverteilung

Antwort: z = 2,04

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 + 0,9586)/2 = 0,9793

Die z-Tabelle rückwärts lesen

Finde 0,9793 in der Tabelle und lies z ab.

z = 2,04

Antwort

z = 2,04
14.Normalverteilung

Antwort: x = 75,4 Punkte

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) = 0,85

z aus der Tabelle

z ≈ 1,04

Zurück zu den ursprünglichen Einheiten

x = 65 + 1,04·10 = 75,4 Punkte

Antwort

x = 75,4 Punkte
15.Konfidenzintervalle

Antwort: E₂ = 5,813

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 = (1,96/1,645)·√(100/200) = 0,8425

Neue Fehlermarge

E₂ = 6,9·0,8425 = 5,813

Antwort

E₂ = 5,813
16.Konfidenzintervalle

Antwort: σ = 4,608 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 = 9·6,7² = 404

Grenzen für σ²

404/19,023 = 21,24
404/2,7 = 149,6

Grenze für σ

σ = √21,24 = 4,608 µm

Antwort

σ = 4,608 µm

95-%-Intervall für σ: [4,608, 12,23] µm.

17.Hypothesentests & Konfidenzintervalle

Antwort: t = 0,7176

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.

Gepoolte Varianz

sp² = (6·4² + 4·3,5²)/10 = 14,5
sp = 3,808

Standardfehler

SE = 3,808·√(1/7 + 1/5) = 2,23

Teststatistik

t = (49,5 − 47,9)/2,23 = 0,7176

Antwort

t = 0,7176

Bei df = 10 ist der zweiseitige kritische 5-%-Wert 2,228; |t| ist kleiner, also wird H₀ nicht verworfen.

18.Hypothesentests & Konfidenzintervalle

Antwort: n = 42

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 = (2,576·5/2)² = 41,47

Aufrunden

n = 42

Antwort

n = 42
19.Lineare Regression und Korrelation

Antwort: r = 0,9856

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 = 105/5 = 21
ȳ = 461/5 = 92,2

Quadrat- und Produktsummen

Sxx = Σ(x − x̄)² = 90
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 432
Syy = Σ(y − ȳ)² = 2135

Korrelationskoeffizient

r = 432/√(90·2135) = 0,9856

Antwort

r = 0,9856
20.Lineare Regression und Korrelation

Antwort: ŷ = 54,75

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 = 258/5 = 51,6

Quadrat- und Produktsummen

Sxx = Σ(x − x̄)² = 40
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 126

Regressionsgerade

b = 126/40 = 3,15
a = 51,6 − 3,15·5 = 35,85
ŷ = 35,85 + 3,15·x

Vorhersage

ŷ = 35,85 + 3,15·6 = 54,75

Antwort

ŷ = 54,75

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