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€20 000FV = ?

Du legst €20 000 zu 7 % pro Jahr bei stetiger Verzinsung an. Bestimme den Wert FV nach 3 Jahren.

PV = €20 000r = 7%t = 3
FV = €
2.Zeitwert des GeldesSchwer
Monate0123…48€15 000A?AAA

Ein Darlehen von €15 000 wird über 4 Jahre in gleichen Monatsraten zurückgezahlt. Der Zinssatz beträgt 2,4 % pro Jahr bei monatlicher Verzinsung. Bestimme die Monatsrate A.

P = €15 0002,4% / 12N = 48
A = €
3.Kapitalwert & interner ZinsfußMittel
Jahre012345−60 00013 00026 50022 50015 50015 500

Ein Projekt kostet heute €60 000 und bringt am Ende der Jahre 1 bis 5 jeweils €13 000, €26 500, €22 500, €15 500, €15 500. Die Kapitalkosten betragen 8 %. Nimm an, dass die Zahlungen gleichmäßig über jedes Jahr eingehen. Bestimme die dynamische Amortisationsdauer DPB in Jahren.

r = 8%CF0 = −60 000CF1 = 13 000CF2 = 26 500CF3 = 22 500CF4 = 15 500CF5 = 15 500
DPB = Jahre
4.Kapitalwert & interner ZinsfußSchwer
Jahre0123−25 00011 0009 50016 000

Ein Projekt kostet €25 000 und bringt am Ende der Jahre 1 bis 3 €11 000, €9 500, €16 000. Bestimme seinen internen Zinsfuß IRR in Prozent.

CF0 = −25 000CF1 = 11 000CF2 = 9 500CF3 = 16 000
IRR = %
5.Anleihekurs & RenditeMittel
Halbjahre0123…16€40€40€40 + €1 000P = ?

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

F = €1 000Kuponsatz = 8%YTM = 4%n = 8
P = €
6.Anleihekurs & RenditeSchwer
Jahre012345€940€80€80 + €1 000

Eine Anleihe mit einem Nennwert von €1 000 und einem jährlichen Kupon von 8% wird in 5 Jahren fällig und kostet €940. Bestimme ihre Rendite bis zur Fälligkeit YTM in Prozent.

F = €1 000Kuponsatz = 8%n = 5P = €940
YTM = %
7.CAPM & WACCMittel
WACC = ?Stammaktien€8 000 000re​ = 11%Vorzugsaktien€1 000 000rp​ = 6%Fremdkapital€6 000 000rd​ = 5%T = 21%

Ein Unternehmen ist finanziert mit Stammaktien im Wert von €8 000 000, Vorzugsaktien im Wert von €1 000 000 und Fremdkapital im Wert von €6 000 000. Die Eigenkapitalkosten betragen 11%, die Kosten der Vorzugsaktien 6% und die Fremdkapitalkosten vor Steuern 5%. Der Steuersatz beträgt 21%. Bestimme den WACC.

E = €8 000 000Ps = €1 000 000D = €6 000 000re = 11%rp = 6%rd = 5%T = 21%
WACC = %
8.CAPM & WACCSchwer
rf​ = 1,5%, rm​ − rf​ = 5%keine SchuldenEigenkapitalβU​ = 1,1D/E = 1Eigenkapitalre​ = ?FremdkapitalT = 25%

Das Geschäft eines Unternehmens hat ein unverschuldetes Beta (Asset-Beta) von 1,1. Es plant einen Verschuldungsgrad D/E von 1. Der Steuersatz beträgt 25%, der risikolose Zinssatz 1,5% und die Marktrisikoprämie 5%. Bestimme die Eigenkapitalkosten re bei der neuen Kapitalstruktur.

βU = 1,1D/E = 1T = 25%rf = 1,5%rm − rf = 5%
re = %
9.Beschreibende StatistikMittel
1214161820222426

Bestimme die Stichproben-Standardabweichung s der Daten: 21, 18, 18, 26, 11, 18.

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

Eine Größe ist normalverteilt mit Mittelwert 70 und Standardabweichung 10. Welcher Anteil P der Werte liegt unter 80?

μ = 70σ = 10x = 80
P =
11.WahrscheinlichkeitMittel
xp(x)10,320,0530,340,35μ = 2,7

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

x: 1, 2, 3, 4p(x): 0,3, 0,05, 0,3, 0,35
Var(X) =
12.WahrscheinlichkeitSchwer
n = 8, p = 0,2: P(X = 3) = ?k012345678

Ein Test hat 8 Multiple-Choice-Fragen. Eine Studentin, die rät, beantwortet jede unabhängig mit Wahrscheinlichkeit 0,2 richtig. Wie groß ist die Wahrscheinlichkeit P für genau 3 richtige Antworten?

n = 8p = 0,2k = 3
P =
13.NormalverteilungMittel
−3−2−10123zschattierte Fläche rechts von z = 0,0934

Ziehe z so, dass die schattierte Fläche unter der Standardnormalverteilung rechts von z gleich 0,0934 ist. Bestimme z auf zwei Nachkommastellen.

A = 0,0934
z =
14.NormalverteilungSchwer
557085100115130145Punkteunten 80%

Die IQ-Werte sind normalverteilt mit dem Mittelwert 100 Punkte und der Standardabweichung 15 Punkte. Ziehe die Grenze so, dass die schattierten unteren 80 % links davon liegen. Bestimme die Grenze x.

μ = 100 Punkteσ = 15 Punkte80%
x = Punkte
15.KonfidenzintervalleMittel
x̄E₁ = 2,899%, n = 100x̄E₂ = ?99%, n = 25

Ein 99-%-Konfidenzintervall für einen Mittelwert, basierend auf 100 Beobachtungen und bekanntem σ, hat eine Fehlermarge von 2,8. Wie groß ist die Fehlermarge E₂, wenn dieselbe Studie stattdessen 25 Beobachtungen verwendet?

99%n₁ = 100E₁ = 2,8n₂ = 25
E₂ =
16.KonfidenzintervalleSchwer
σ = 31, n = ?x̄ − Ex̄ + Ex̄E = 295%

Die Standardabweichung der Grundgesamtheit ist 31. Wie groß muss die Stichprobe n sein, damit ein 95-%-Konfidenzintervall für den Mittelwert eine Fehlermarge von höchstens 2 hat?

σ = 31E = 295%
n =
17.Hypothesentests & KonfidenzintervalleMittel
t −2,01102,011

Eine Stichprobe von 49 Studierenden hat einen mittleren Punktwert von 76,2 und eine Stichproben-Standardabweichung von 4. Bestimme die Teststatistik t für H₀: μ = 75.

μ₀ = 75x̄ = 76,2s = 4n = 49
t =
18.Hypothesentests & KonfidenzintervalleSchwer
−1,961,96z = ?

In einer Studie erholen sich 65 von 100 Patienten unter Behandlung A und 207 von 300 Patienten unter Behandlung B. Bestimme mit dem gepoolten Anteil die Teststatistik z für H₀: p₁ = p₂.

x₁ = 65n₁ = 100x₂ = 207n₂ = 300
z =
19.Lineare Regression und KorrelationMittel
xy15501751196121602374xy1520506070

Die Tabelle enthält 5 Wertepaare von x = Temperatur in °C und y = verkaufte Eiskugeln. Bestimme das Bestimmtheitsmaß r² der Regressionsgeraden.

n = 5
r² =
20.Lineare Regression und KorrelationSchwer
xy1610119107221252514228166xy2025100150x = 26,5

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 (26,5, 149) wird gemacht. Bestimme ihr Residuum e = y − ŷ.

n = 5(26,5, 149)
e =

3Lösungen

1.Zeitwert des Geldes

Antwort: FV = 24674 €

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.

Exponent

r·t = 0,07·3 = 0,21
e0,21 = 1,234

Endwert

FV = 20 000·1,234 = €24 673,56

Antwort

FV = €24 673,56
2.Zeitwert des Geldes

Antwort: A = 328,1 €

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.

Monatszins und Anzahl der Raten

i = 0,024/12 = 0,002
N = 12·4 = 48

Rate

Der Barwert von N gleichen Raten A ist A·(1 − (1 + i)⁻ᴺ)/i. Setze ihn gleich dem Darlehen und löse nach A auf.

(1 + i)−N = 0,9086
A = 15 000·0,002/(1 − 0,9086) = €328,05

Antwort

A = €328,05
3.Kapitalwert & interner Zinsfuß

Antwort: DPB = 3,648 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: 13 000/1,08 = 12 037,04 → Σ = 12 037,04
Jahr 2: 26 500/1,166 = 22 719,48 → Σ = 34 756,52
Jahr 3: 22 500/1,26 = 17 861,23 → Σ = 52 617,74
Jahr 4: 15 500/1,36 = 11 392,96 → Σ = 64 010,70

Bruchteil des letzten Jahres

DPB = 3 + 7 382,26/11 392,96 = 3,648

Antwort

DPB = 3,648 Jahre

Die dynamische Amortisationsdauer ist immer länger als die statische (2,911 Jahre).

4.Kapitalwert & interner Zinsfuß

Antwort: IRR = 20,06 %

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%) = 23,15
NPV(25%) = −1 928,00

Eingrenzen

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

IRR ≈ 20 + 5·23,15/(23,15 − (−1 928,00)) = 20,06%
exakt: NPV(20,06%) = 0 → IRR = 20,06%

Antwort

IRR = 20,06%
5.Anleihekurs & Rendite

Antwort: P = 1272 €

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 = €40,00, i = 0,02, N = 16

Barwert der Kupons

€40,00·(1 − 0,7284)/0,02 = €543,11

Barwert des Nennwerts

€1 000·0,7284 = €728,45

Kurs

P = €1 271,55

Antwort

P = €1 271,55

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

6.Anleihekurs & Rendite

Antwort: YTM = 9,565 %

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

€940 = €80·(1 − (1 + y)⁻⁵)/y + €1 000/(1 + y)⁵

Numerisch lösen

P(9%) = €961,10, P(10%) = €924,18
YTM = 9,565%

Antwort

YTM = 9,565%
7.CAPM & WACC

Antwort: WACC = 7,847 %

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 = 8 000 000 + 1 000 000 + 6 000 000 = €15 000 000
E/V = 0,5333, Ps/V = 0,06667, D/V = 0,4

WACC

WACC = 0,5333·11% + 0,06667·6% + 0,4·5%·(1 − 0,21) = 7,847%

Antwort

WACC = 7,847%
8.CAPM & WACC

Antwort: re = 11,13 %

Levered Beta (Hamada): Fremdkapital macht das Eigenkapital riskanter. βL = βU·(1 + (1 − T)·D/E), wobei βU das Beta des Geschäfts ohne Fremdkapital ist. Um ein Beta auf eine andere Kapitalstruktur zu übertragen, entschulde es zuerst und verschulde es dann beim neuen D/E wieder.

Verschuldetes Beta

βL = 1,1·(1 + 0,75·1) = 1,925

Eigenkapitalkosten (CAPM)

re = 1,5% + 1,925·5% = 11,13%

Antwort

re = 11,13%
9.Beschreibende Statistik

Antwort: s = 4,885

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 = 112/6 = 18,67

Quadrierte Abweichungen

Σ(x − x̄)² = 2,333² + (−0,6667)² + (−0,6667)² + 7,333² + (−7,667)² + (−0,6667)² = 119,3

Standardabweichung

s = √(119,3/5) = 4,885

Antwort

s = 4,885
10.Beschreibende Statistik

Antwort: P = 0,8413

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 = 1

Standardnormalverteilungstabelle

Φ(1) = 0,8413
P = 0,8413

Antwort

P = 0,8413
11.Wahrscheinlichkeit

Antwort: Var(X) = 1,51

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 = 1·0,3 + 2·0,05 + 3·0,3 + 4·0,35 = 2,7

Mittelwert der Quadrate

E(X²) = 1·0,3 + 4·0,05 + 9·0,3 + 16·0,35 = 8,8

Varianz

Var(X) = 8,8 − 2,7² = 1,51

Antwort

Var(X) = 1,51
12.Wahrscheinlichkeit

Antwort: P = 0,1468

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 = 3) = 56·0,23·0,85 = 56·0,008·0,3277 = 0,1468

Antwort

P = 0,1468
13.Normalverteilung

Antwort: z = 1,32

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 − 0,0934 = 0,9066

Die z-Tabelle rückwärts lesen

Finde 0,9066 in der Tabelle und lies z ab.

z = 1,32

Antwort

z = 1,32
14.Normalverteilung

Antwort: x = 112,6 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) = 0,8

z aus der Tabelle

z ≈ 0,84

Zurück zu den ursprünglichen Einheiten

x = 100 + 0,84·15 = 112,6 Punkte

Antwort

x = 112,6 Punkte
15.Konfidenzintervalle

Antwort: E₂ = 5,6

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 = (2,576/2,576)·√(100/25) = 2

Neue Fehlermarge

E₂ = 2,8·2 = 5,6

Antwort

E₂ = 5,6
16.Konfidenzintervalle

Antwort: n = 923

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 = (1,96·31/2)² = 922,9

Aufrunden

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

n = 923

Antwort

n = 923
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 = 4/√49 = 4/7 = 0,5714

Teststatistik

t = (76,2 − 75)/0,5714 = 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: z = −0,7426

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.

Stichprobenanteile

p̂₁ = 65/100 = 0,65
p̂₂ = 207/300 = 0,69
p̂ = 272/400 = 0,68

Standardfehler unter H₀

SE = √(0,68·0,32·(1/100 + 1/300)) = 0,05386

Teststatistik

z = (0,65 − 0,69)/0,05386 = −0,7426

Antwort

z = −0,7426

|z| < 1.96, also wird H₀ auf dem 5-%-Niveau (zweiseitig) nicht verworfen.

19.Lineare Regression und Korrelation

Antwort: r² = 0,8669

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 = 95/5 = 19
ȳ = 296/5 = 59,2

Quadrat- und Produktsummen

Sxx = Σ(x − x̄)² = 40
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 114
Syy = Σ(y − ȳ)² = 374,8

Bestimmtheitsmaß

r² = 114²/(40·374,8) = 0,8669

Antwort

r² = 0,8669

Etwa 86,69 % der Streuung von y werden durch die Gerade erklärt.

20.Lineare Regression und Korrelation

Antwort: e = −3,95

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 = 641/5 = 128,2

Quadrat- und Produktsummen

Sxx = Σ(x − x̄)² = 90
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 495

Regressionsgerade

b = 495/90 = 5,5
a = 128,2 − 5,5·22 = 7,2
ŷ = 7,2 + 5,5·x

Vorhergesagter Wert

ŷ = 7,2 + 5,5·26,5 = 152,9

Residuum

e = 149 − 152,9 = −3,95

Antwort

e = −3,95

Der Punkt liegt unter der Geraden.

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