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
Perioden0123…1211 + EAR = ?21% / 12

Eine Kreditkarte berechnet einen nominalen Zinssatz von 21 % pro Jahr bei monatlicher Verzinsung. Bestimme den effektiven Jahreszins EAR in Prozent.

r = 21%m = 12
EAR = %
2.Zeitwert des GeldesSchwer
Monate01…108…360€250 000AB = ?A4,8% / 12

Eine Hypothek von €250 000 wird über 30 Jahre mit gleichen Monatsraten bei 4,8 % pro Jahr und monatlicher Verzinsung getilgt. Wie viel ist direkt nach der Rate am Ende von Jahr 9 noch geschuldet? Bestimme die Restschuld B.

P = €250 0004,8% / 12N = 360k = 108
B = €
3.Kapitalwert & interner ZinsfußMittel
Jahre0123456−40 00011 00013 50010 0009 50011 00012 000

Ein Projekt kostet heute €40 000 und bringt am Ende der Jahre 1 bis 6 jeweils €11 000, €13 500, €10 000, €9 500, €11 000, €12 000. Die Kapitalkosten betragen 6 %. Nimm an, dass die Zahlungen gleichmäßig über jedes Jahr eingehen. Bestimme die dynamische Amortisationsdauer DPB in Jahren.

r = 6%CF0 = −40 000CF1 = 11 000CF2 = 13 500CF3 = 10 000CF4 = 9 500CF5 = 11 000CF6 = 12 000
DPB = Jahre
4.Kapitalwert & interner ZinsfußSchwer
Jahre01234567−20 0005 5005 5005 5005 5005 5005 5005 500

Eine Investition von €20 000 bringt 7 Jahre lang am Ende jedes Jahres €5 500. Bestimme ihren internen Zinsfuß IRR in Prozent.

C0 = €20 000CF = €5 500n = 7
IRR = %
5.Anleihekurs & RenditeMittel
Halbjahre0123…20€15€15€15 + €1 000P = ?

Eine Anleihe mit einem Nennwert von €1 000 zahlt einen jährlichen Kupon von 3% in zwei halbjährlichen Raten und wird in 10 Jahren fällig. Die Rendite bis zur Fälligkeit beträgt 6% pro Jahr. Bestimme den Kurs P der Anleihe.

F = €1 000Kuponsatz = 3%YTM = 6%n = 10
P = €
6.Anleihekurs & RenditeSchwer
Jahre01234€1 075€50€50 + €1 000

Eine Anleihe mit einem Nennwert von €1 000 und einem jährlichen Kupon von 5% wird in 4 Jahren fällig und kostet €1 075. Bestimme ihre Rendite bis zur Fälligkeit YTM in Prozent.

F = €1 000Kuponsatz = 5%n = 4P = €1 075
YTM = %
7.CAPM & WACCMittel
WACC = ?Eigenkapital€3 000 000re​ = 11%Fremdkapital€1 000 000rd​ = 4%T = 28%

Ein Unternehmen hat Eigenkapital im Wert von €3 000 000 und Fremdkapital im Wert von €1 000 000. Seine Eigenkapitalkosten betragen 11%, seine Fremdkapitalkosten vor Steuern 4% und der Steuersatz 28%. Bestimme den WACC.

E = €3 000 000D = €1 000 000re = 11%rd = 4%T = 28%
WACC = %
8.CAPM & WACCSchwer
WACC = ?Eigenkapital5 000 000 × €26,00D0​ = €1,40g = 4%Fremdkapital€130 000 000rd​ = 4%T = 30%

Ein Unternehmen hat 5 000 000 Aktien mit einem Kurs von €26,00; der Buchwert seines Eigenkapitals beträgt €39 000 000. Es hat gerade eine Dividende von €1,40 pro Aktie gezahlt, und die Dividenden wachsen um 4% pro Jahr. Sein Fremdkapital hat einen Marktwert von €130 000 000 und Kosten vor Steuern von 4%. Der Steuersatz beträgt 30%. Bestimme den WACC, mit dem Dividendenwachstumsmodell für die Eigenkapitalkosten.

N = 5 000 000P0 = €26,00Buchwert des Eigenkapitals = €39 000 000D0 = €1,40g = 4%D = €130 000 000rd = 4%T = 30%
WACC = %
9.Beschreibende StatistikMittel
15202530354045505560

Bestimme die Stichproben-Standardabweichung s der Daten: 21, 60, 26, 15, 36.

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

Eine Größe ist normalverteilt mit Mittelwert 70 und Standardabweichung 8. Welcher Anteil P der Werte liegt über 74,8?

μ = 70σ = 8x = 74,8
P =
11.WahrscheinlichkeitMittel
P(mindestens eine Sechs) = ??1?2?3P(Sechs) = 1/6 bei jedem Wurf

Ein fairer Würfel wird 3-mal geworfen. Wie groß ist die Wahrscheinlichkeit P, mindestens eine Sechs zu würfeln?

n = 3
P =
12.WahrscheinlichkeitSchwer
n = 5, p = 0,25: P(X ≤ 1) = ?k012345

5 Bauteile werden geprüft, und jedes fällt unabhängig mit Wahrscheinlichkeit 0,25 aus. Wie groß ist die Wahrscheinlichkeit P, dass höchstens eines ausfällt?

n = 5p = 0,25
P =
13.NormalverteilungMittel
2043,1P = ?

Die Lieferzeiten sind normalverteilt mit dem Mittelwert 32 min und der Standardabweichung 6 min. Welcher Anteil liegt zwischen 20 und 43,1 min? Gib P als Dezimalzahl an.

μ = 32σ = 6x1 = 20x2 = 43,1
P =
14.NormalverteilungSchwer
μ = 32x = ?20%

Die Lieferzeiten sind normalverteilt mit dem Mittelwert 32 min und der Standardabweichung 6 min. Bestimme den Wert x, unter dem 20 % von ihnen liegen (das 20. Perzentil).

μ = 32σ = 6P = 20%
x = min
15.KonfidenzintervalleMittel
n = 30, s = 7LU = ?x̄ = 21,5E95%

Eine Stichprobe von 30 Elementen hat den Mittelwert 21,5 und die Standardabweichung s = 7. Die Grundgesamtheit ist annähernd normalverteilt. Bestimme die obere Grenze des 95-%-Konfidenzintervalls für den Mittelwert.

n = 30x̄ = 21,5s = 795%t(29) = 2,045
obere Grenze =
16.KonfidenzintervalleSchwer
σ = 34, n = ?x̄ − Ex̄ + Ex̄E = 590%

Die Standardabweichung der Grundgesamtheit ist 34. Wie groß muss die Stichprobe n sein, damit ein 90-%-Konfidenzintervall für den Mittelwert eine Fehlermarge von höchstens 5 hat?

σ = 34E = 590%
n =
17.Hypothesentests & KonfidenzintervalleMittel
t −2,13102,131

Eine Stichprobe von 16 Studierenden hat einen mittleren Punktwert von 127,9 und eine Stichproben-Standardabweichung von 15. Bestimme die Teststatistik t für H₀: μ = 120.

μ₀ = 120x̄ = 127,9s = 15n = 16
t =
18.Hypothesentests & KonfidenzintervalleSchwer
H₀H₁μ₀x̄cμ₀ + 5α = 0,05βσ = 17, Teststärke 80%, n = ?

Ein einseitiger z-Test bei α = 0,05 soll eine Verschiebung des Mittelwerts um 5 Einheiten mit einer Teststärke von 80 % erkennen. Die Standardabweichung beträgt 17. Bestimme den Mindeststichprobenumfang n.

α = 0,05Teststärke = 80%δ = 5σ = 17zα = 1,645zβ = 0,842
n =
19.Lineare Regression und KorrelationMittel
xy143243346456553xy24455055

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

n = 5Σx = 15Σy = 241Σx² = 55Σy² = 11759Σxy = 756
r =
20.Lineare Regression und KorrelationSchwer
xy284156228281035xy510102030x = 3

Die Tabelle enthält 5 Wertepaare von x = Last in kN und y = Verlängerung in mm. Verwende die Regressionsgerade ŷ = a + b·x nach der Methode der kleinsten Quadrate. Sage ŷ für x = 3 voraus.

n = 5x = 3
ŷ =

3Lösungen

1.Zeitwert des Geldes

Antwort: EAR = 23,14 %

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 pro Periode

r/m = 0,21/12 = 0,0175

Über ein Jahr aufzinsen

EAR = (1 + 0,0175)12 − 1 = 1,231 − 1 = 23,14%

Antwort

EAR = 23,14%

Der effektive Jahreszins liegt immer über dem Nominalzins, wenn die Zinsen mehr als einmal im Jahr gutgeschrieben werden.

2.Zeitwert des Geldes

Antwort: B = 208003 €

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 = 360
A = 250 000·0,004/(1 − (1 + 0,004)−360) = €1 311,66

Barwert der verbleibenden Raten

Was noch geschuldet wird, muss genau durch die verbleibenden Raten getilgt werden.

N − k = 360 − 108 = 252
B = 1312·(1 − (1 + 0,004)−252)/0,004 = €208 002,71

Antwort

B = €208 002,71
3.Kapitalwert & interner Zinsfuß

Antwort: DPB = 4,205 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: 11 000/1,06 = 10 377,36 → Σ = 10 377,36
Jahr 2: 13 500/1,124 = 12 014,95 → Σ = 22 392,31
Jahr 3: 10 000/1,191 = 8 396,19 → Σ = 30 788,50
Jahr 4: 9 500/1,262 = 7 524,89 → Σ = 38 313,39
Jahr 5: 11 000/1,338 = 8 219,84 → Σ = 46 533,23

Bruchteil des letzten Jahres

DPB = 4 + 1 686,61/8 219,84 = 4,205

Antwort

DPB = 4,205 Jahre

Die dynamische Amortisationsdauer ist immer länger als die statische (3,579 Jahre).

4.Kapitalwert & interner Zinsfuß

Antwort: IRR = 19,68 %

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)−7)/i = 20 000/5 500 = 3,636

Nach dem Zinssatz auflösen

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

i = 19%: 3,706
i = 20%: 3,605
IRR = 19,68%

Antwort

IRR = 19,68%
5.Anleihekurs & Rendite

Antwort: P = 776,8 €

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 = €15,00, i = 0,03, N = 20

Barwert der Kupons

€15,00·(1 − 0,5537)/0,03 = €223,16

Barwert des Nennwerts

€1 000·0,5537 = €553,68

Kurs

P = €776,84

Antwort

P = €776,84

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

6.Anleihekurs & Rendite

Antwort: YTM = 2,983 %

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

€1 075 = €50·(1 − (1 + y)⁻⁴)/y + €1 000/(1 + y)⁴

Numerisch lösen

P(2%) = €1 114,23, P(3%) = €1 074,34
YTM = 2,983%

Antwort

YTM = 2,983%
7.CAPM & WACC

Antwort: WACC = 8,97 %

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 = 0,75·11% + 0,25·4%·(1 − 0,28) = 8,97%

Antwort

WACC = 8,97%
8.CAPM & WACC

Antwort: WACC = 6,2 %

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).

Eigenkapitalkosten

D1 = 1,4·1,04 = €1,46
re = 1,456/26 + 0,04 = 9,6%

Marktwerte

E = 5 000 000·€26,00 = €130 000 000
V = €260 000 000, E/V = 0,5, D/V = 0,5

WACC

WACC = 0,5·9,6% + 0,5·4%·(1 − 0,3) = 6,2%

Antwort

WACC = 6,2%
9.Beschreibende Statistik

Antwort: s = 17,64

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 = 158/5 = 31,6

Quadrierte Abweichungen

Σ(x − x̄)² = (−10,6)² + 28,4² + (−5,6)² + (−16,6)² + 4,4² = 1245

Standardabweichung

s = √(1245/4) = 17,64

Antwort

s = 17,64
10.Beschreibende Statistik

Antwort: P = 0,2743

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 = 0,6

Standardnormalverteilungstabelle

Φ(0,6) = 0,7257
P = 1 − 0,7257 = 0,2743

Antwort

P = 0,2743
11.Wahrscheinlichkeit

Antwort: P = 0,4213

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)3 = 0,5787
P = 1 − 0,5787 = 0,4213

Antwort

P = 0,4213
12.Wahrscheinlichkeit

Antwort: P = 0,6328

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.

Null und ein Ausfall

P(X = 0) = 0,755 = 0,2373
P(X = 1) = 5·0,25·0,754 = 0,3955

Addieren

P = 0,2373 + 0,3955 = 0,6328

Antwort

P = 0,6328
13.Normalverteilung

Antwort: P = 0,9451

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-Werte

z₁ = (20 − 32)/6 = −2
z₂ = (43,1 − 32)/6 = 1,85

Fläche dazwischen

P = Φ(1,85) − Φ(−2) = 0,9678 − 0,02275 = 0,9451

Antwort

P = 0,9451
14.Normalverteilung

Antwort: x = 26,95 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) = 0,2 → z = −0,8416

Zurück zu x

x = 32 + −0,8416·6 = 26,95 min

Antwort

x = 26,95 min
15.Konfidenzintervalle

Antwort: obere Grenze = 24,11

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 = 2,045·7/√30 = 2,614

Intervall

21,5 ± 2,614 → [18,89, 24,11]

Antwort

obere Grenze = 24,11
16.Konfidenzintervalle

Antwort: n = 126

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 = (1,645·34/5)² = 125,1

Aufrunden

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

n = 126

Antwort

n = 126
17.Hypothesentests & Konfidenzintervalle

Antwort: t = 2,107

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 = 15/√16 = 15/4 = 3,75

Teststatistik

t = (127,9 − 120)/3,75 = 2,107

Antwort

t = 2,107
t0,025; df = 15 = 2,131

|t| < 2.131, also wird H₀ auf dem 5-%-Niveau (zweiseitig) nicht verworfen.

18.Hypothesentests & Konfidenzintervalle

Antwort: n = 72

Stichprobenumfang für einen Test: Um eine wahre Verschiebung δ mit der Teststärke 1 − β in einem einseitigen z-Test zum Niveau α zu erkennen, muss der Standardfehler δ = (z_α + z_β)·σ/√n erfüllen, also n = ((z_α + z_β)·σ/δ)², aufgerundet.

Nach n auflösen

n = ((1,645 + 0,842)·17/5)² = 71,5

Aufrunden

n = 72

Antwort

n = 72
19.Lineare Regression und Korrelation

Antwort: r = 0,8733

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 = 756 − 15·241/5 = 33
Sxx = 55 − 15²/5 = 10
Syy = 11759 − 241²/5 = 142,8

Korrelationskoeffizient

r = 33/√(10·142,8) = 0,8733

Antwort

r = 0,8733
20.Lineare Regression und Korrelation

Antwort: ŷ = 11,55

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 = 30/5 = 6
ȳ = 108/5 = 21,6

Quadrat- und Produktsummen

Sxx = Σ(x − x̄)² = 40
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 134

Regressionsgerade

b = 134/40 = 3,35
a = 21,6 − 3,35·6 = 1,5
ŷ = 1,5 + 3,35·x

Vorhersage

ŷ = 1,5 + 3,35·3 = 11,55

Antwort

ŷ = 11,55

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