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…12€5 000FV = ?

Du legst €5 000 zu 6 % pro Jahr bei stetiger Verzinsung an. Bestimme den Wert FV nach 12 Jahren.

PV = €5 000r = 6%t = 12
FV = €
2.Zeitwert des GeldesSchwer
Monate01…96…300€300 000AB = ?A7,2% / 12

Eine Hypothek von €300 000 wird über 25 Jahre mit gleichen Monatsraten bei 7,2 % pro Jahr und monatlicher Verzinsung getilgt. Wie viel ist direkt nach der Rate am Ende von Jahr 8 noch geschuldet? Bestimme die Restschuld B.

P = €300 0007,2% / 12N = 300k = 96
B = €
3.Kapitalwert & interner ZinsfußMittel
Jahre0123…9−400 00032 000+1%+1%…r = 11%, NPV = ?

Ein Projekt kostet heute €400 000. Es erwirtschaftet am Ende des ersten Jahres €32 000, danach wächst der Zahlungsüberschuss für immer um 1 % pro Jahr. Die Kapitalkosten betragen 11 %. Bestimme den Kapitalwert NPV.

C0 = €400 000CF1 = €32 000g = 1%r = 11%
NPV = €
4.Kapitalwert & interner ZinsfußSchwer
Jahre0123−50 00033 50018 50036 000

Ein Projekt kostet €50 000 und bringt am Ende der Jahre 1 bis 3 €33 500, €18 500, €36 000. Bestimme seinen internen Zinsfuß IRR in Prozent.

CF0 = −50 000CF1 = 33 500CF2 = 18 500CF3 = 36 000
IRR = %
5.Anleihekurs & RenditeMittel
Jahre0123…13€1 052C = ?C = ?C = ? + €1 000

Eine Anleihe mit einem Nennwert von €1 000 wird in 13 Jahren fällig und zahlt jährliche Kupons. Sie wird bei einer Rendite bis zur Fälligkeit von 3,5% für €1 052 verkauft. Bestimme den Kuponsatz c in Prozent.

F = €1 000n = 13P = €1 052YTM = 3,5%
c = %
6.Anleihekurs & RenditeSchwer
Jahre01234567€1 095€40€40 + €1 000

Eine Anleihe mit einem Nennwert von €1 000 und einem jährlichen Kupon von 4% wird in 7 Jahren fällig und kostet €1 095. Bestimme ihre Rendite bis zur Fälligkeit YTM in Prozent.

F = €1 000Kuponsatz = 4%n = 7P = €1 095
YTM = %
7.CAPM & WACCMittel
WACC = ?Eigenkapital€5 000 000re​ = 10%Fremdkapital€5 000 000rd​ = 3%T = 30%

Ein Unternehmen hat Eigenkapital im Wert von €5 000 000 und Fremdkapital im Wert von €5 000 000. Seine Eigenkapitalkosten betragen 10%, seine Fremdkapitalkosten vor Steuern 3% und der Steuersatz 30%. Bestimme den WACC.

E = €5 000 000D = €5 000 000re = 10%rd = 3%T = 30%
WACC = %
8.CAPM & WACCSchwer
WACC = ?Eigenkapital2 000 000 × €46,50D0​ = €1,40g = 5%Fremdkapital€93 000 000rd​ = 4%T = 28%

Ein Unternehmen hat 2 000 000 Aktien mit einem Kurs von €46,50; der Buchwert seines Eigenkapitals beträgt €27 900 000. Es hat gerade eine Dividende von €1,40 pro Aktie gezahlt, und die Dividenden wachsen um 5% pro Jahr. Sein Fremdkapital hat einen Marktwert von €93 000 000 und Kosten vor Steuern von 4%. Der Steuersatz beträgt 28%. Bestimme den WACC, mit dem Dividendenwachstumsmodell für die Eigenkapitalkosten.

N = 2 000 000P0 = €46,50Buchwert des Eigenkapitals = €27 900 000D0 = €1,40g = 5%D = €93 000 000rd = 4%T = 28%
WACC = %
9.Beschreibende StatistikMittel
101520253035

Bestimme die Stichproben-Standardabweichung s der Daten: 10, 36, 30, 21, 25.

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

Prüfungsergebnisse sind normalverteilt mit Mittelwert 50 und Standardabweichung 5. Bestimme den z-Wert z eines Ergebnisses von 45.

μ = 50σ = 5x = 45
z =
11.WahrscheinlichkeitMittel
P(mindestens eine Sechs) = ??1?2?3?4?5?6?7P(Sechs) = 1/6 bei jedem Wurf

Ein fairer Würfel wird 7-mal geworfen. Wie groß ist die Wahrscheinlichkeit P, mindestens eine Sechs zu würfeln?

n = 7
P =
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
105 s101,8 sX + Y?

X ist normalverteilt mit dem Mittelwert 60 s und der Standardabweichung 5 s; Y ist unabhängig und normalverteilt mit dem Mittelwert 45 s und der Standardabweichung 4 s. Bestimme die Wahrscheinlichkeit P, dass X + Y größer als 101,8 s ist. Runde z auf zwei Dezimalstellen.

μX = 60, σX = 5μY = 45, σY = 4X + Y > 101,8 s
P =
14.NormalverteilungSchwer
235240245250255260265goben 5%

Die Gewichte von Beuteln sind normalverteilt mit dem Mittelwert 250 g und der Standardabweichung 5 g. Ziehe die Grenze so, dass die schattierten oberen 5 % rechts davon liegen. Bestimme die Grenze x.

μ = 250 gσ = 5 g5%
x = g
15.KonfidenzintervalleMittel
n = 9, s = 19L = ?Ux̄ = 106,5E99%

Eine Stichprobe von 9 Elementen hat den Mittelwert 106,5 und die Standardabweichung s = 19. Die Grundgesamtheit ist annähernd normalverteilt. Bestimme die untere Grenze des 99-%-Konfidenzintervalls für den Mittelwert.

n = 9x̄ = 106,5s = 1999%t(8) = 3,355
untere Grenze =
16.KonfidenzintervalleSchwer
n = 10σ = ?Us = 8,395%

Die Durchmesser von 10 gefertigten Wellen haben eine Stichprobenstandardabweichung von 8,3 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 = 8,3 µmχ² = 2,7, 19,023
σ = µm
17.Hypothesentests & KonfidenzintervalleMittel
t −2,0302,03

Eine Stichprobe von 36 Studierenden hat einen mittleren Punktwert von 69,5 und eine Stichproben-Standardabweichung von 15. Bestimme die Teststatistik t für H₀: μ = 75.

μ₀ = 75x̄ = 69,5s = 15n = 36
t =
18.Hypothesentests & KonfidenzintervalleSchwer
z −1,64501,645

Eine Stichprobe von 16 Messungen hat den Mittelwert 117,8. Die Standardabweichung der Grundgesamtheit ist 4. Bestimme die untere Grenze L des 90-%-Konfidenzintervalls für den Mittelwert.

x̄ = 117,8σ = 4n = 1690%
L =
19.Lineare Regression und KorrelationMittel
xy348452551660757xy46505560

Die Tabelle enthält 5 Wertepaare von x = Werbeausgaben in k€ und y = Umsatz in k€. Bestimme das Bestimmtheitsmaß r² der Regressionsgeraden.

n = 5
r² =
20.Lineare Regression und KorrelationSchwer
xy25046567489510109xy5106080100ŷ = 86

Die Tabelle enthält 5 Wertepaare von x = Lernstunden und y = Prüfungspunkte. Verwende die Regressionsgerade ŷ = a + b·x nach der Methode der kleinsten Quadrate. Für welchen Wert x sagt die Gerade ŷ = 86 voraus?

n = 5ŷ = 86
x =

3Lösungen

1.Zeitwert des Geldes

Antwort: FV = 10272 €

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 = 0,06·12 = 0,72
e0,72 = 2,054

Endwert

FV = 5 000·2,054 = €10 272,17

Antwort

FV = €10 272,17
2.Zeitwert des Geldes

Antwort: B = 253609 €

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 = 0,006, N = 300
A = 300 000·0,006/(1 − (1 + 0,006)−300) = €2 158,77

Barwert der verbleibenden Raten

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

N − k = 300 − 96 = 204
B = 2159·(1 − (1 + 0,006)−204)/0,006 = €253 608,59

Antwort

B = €253 608,59
3.Kapitalwert & interner Zinsfuß

Antwort: NPV = −80000 €

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.

Wert der Zahlungen

PV = 32 000/(0,11 − 0,01) = 320 000,00

NPV

NPV = 320 000,00 − 400 000 = −€80 000,00

Antwort

NPV = −€80 000,00

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

4.Kapitalwert & interner Zinsfuß

Antwort: IRR = 34,39 %

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(30%) = 3 101,96
NPV(35%) = −402,38

Eingrenzen

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

IRR ≈ 30 + 5·3 101,96/(3 101,96 − (−402,38)) = 34,43%
exakt: NPV(34,39%) = 0 → IRR = 34,39%

Antwort

IRR = 34,39%
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 + 0,035)−13 = €639,40

Kupon

C = (1052 − 639,40)/10,3 = €40,05

Kuponsatz

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

Antwort

c = 4,005%
6.Anleihekurs & Rendite

Antwort: YTM = 2,504 %

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

€1 095 = €40·(1 − (1 + y)⁻⁷)/y + €1 000/(1 + y)⁷

Numerisch lösen

P(2%) = €1 129,44, P(3%) = €1 062,30
YTM = 2,504%

Antwort

YTM = 2,504%
7.CAPM & WACC

Antwort: WACC = 6,05 %

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 = €10 000 000, E/V = 0,5, D/V = 0,5

WACC

WACC = 0,5·10% + 0,5·3%·(1 − 0,3) = 6,05%

Antwort

WACC = 6,05%
8.CAPM & WACC

Antwort: WACC = 5,521 %

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 = 1,4·1,05 = €1,47
re = 1,47/46,5 + 0,05 = 8,161%

Marktwerte

E = 2 000 000·€46,50 = €93 000 000
V = €186 000 000, E/V = 0,5, D/V = 0,5

WACC

WACC = 0,5·8,161% + 0,5·4%·(1 − 0,28) = 5,521%

Antwort

WACC = 5,521%
9.Beschreibende Statistik

Antwort: s = 9,813

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 = 122/5 = 24,4

Quadrierte Abweichungen

Σ(x − x̄)² = (−14,4)² + 11,6² + 5,6² + (−3,4)² + 0,6² = 385,2

Standardabweichung

s = √(385,2/4) = 9,813

Antwort

s = 9,813
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 = (45 − 50)/5 = −1

Antwort

z = −1
11.Wahrscheinlichkeit

Antwort: P = 0,7209

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)7 = 0,2791
P = 1 − 0,2791 = 0,7209

Antwort

P = 0,7209
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: 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

μ = 105 s, σ = √(5² + 4²) = 6,403 s

Standardisieren

z = (101,8 − 105)/6,403 = −0,5

Oberer Rand

P = 1 − Φ(−0,5) = 1 − 0,3085 = 0,6915

Antwort

P = 0,6915
14.Normalverteilung

Antwort: x = 258,2 g

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) = 0,95

z aus der Tabelle

z ≈ 1,64

Zurück zu den ursprünglichen Einheiten

x = 250 + 1,64·5 = 258,2 g

Antwort

x = 258,2 g
15.Konfidenzintervalle

Antwort: untere Grenze = 85,25

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 = 8, t = 3,355

Fehlermarge

E = 3,355·19/√9 = 21,25

Intervall

106,5 ± 21,25 → [85,25, 127,7]

Antwort

untere Grenze = 85,25
16.Konfidenzintervalle

Antwort: σ = 5,709 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 = 9·8,3² = 620

Grenzen für σ²

620/19,023 = 32,59
620/2,7 = 229,6

Grenze für σ

σ = √32,59 = 5,709 µm

Antwort

σ = 5,709 µm

95-%-Intervall für σ: [5,709, 15,15] µm.

17.Hypothesentests & Konfidenzintervalle

Antwort: t = −2,2

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/√36 = 15/6 = 2,5

Teststatistik

t = (69,5 − 75)/2,5 = −2,2

Antwort

t = −2,2
t0,025; df = 35 = 2,03

|t| > 2,03, also wird H₀ auf dem 5-%-Niveau (zweiseitig) verworfen.

18.Hypothesentests & Konfidenzintervalle

Antwort: L = 116,2

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 = 1,645·4/√16 = 1,645

Intervallgrenze

L = 117,8 − 1,645 = 116,2

Antwort

L = 116,2
19.Lineare Regression und Korrelation

Antwort: r² = 0,7253

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 = 268/5 = 53,6

Quadrat- und Produktsummen

Sxx = Σ(x − x̄)² = 10
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 26
Syy = Σ(y − ȳ)² = 93,2

Bestimmtheitsmaß

r² = 26²/(10·93,2) = 0,7253

Antwort

r² = 0,7253

Etwa 72,53 % der Streuung von y werden durch die Gerade erklärt.

20.Lineare Regression und Korrelation

Antwort: x = 7

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 = 393/5 = 78,6

Quadrat- und Produktsummen

Sxx = Σ(x − x̄)² = 40
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 296

Regressionsgerade

b = 296/40 = 7,4
a = 78,6 − 7,4·6 = 34,2
ŷ = 34,2 + 7,4·x

Nach x auflösen

x = (86 − 34,2)/7,4 = 7

Antwort

x = 7

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