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 = ?€6 000+2%+2%…r = 4%

Eine Immobilie soll im nächsten Jahr eine Nettomiete von €6 000 erzielen. Die Miete soll für immer um 2 % pro Jahr wachsen. Die geforderte Rendite beträgt 4 % pro Jahr. Bestimme den heutigen Wert PV der Immobilie.

C1 = €6 000g = 2%r = 4%
PV = €
2.Zeitwert des GeldesSchwer
Monate0123…204€100€100€100FV = ?

Du sparst 17 Jahre lang am Ende jedes Monats €100. Das Konto bringt 7,2 % pro Jahr bei monatlicher Verzinsung. Wie viel hast du am Ende gespart? Bestimme FV.

A = €1007,2% / 12N = 204
FV = €
3.Kapitalwert & interner ZinsfußMittel
Jahre0123…9€60 000€3 000€3 000€3 000€3 000r = 5%, EAC = ?

Eine Maschine kostet heute €60 000, hält 9 Jahre und verursacht €3 000 Betriebskosten pro Jahr (am Ende jedes Jahres gezahlt). Die Kapitalkosten betragen 5 %. Bestimme ihre äquivalenten jährlichen Kosten EAC.

C0 = €60 000M = €3 000n = 9r = 5%
EAC = €
4.Kapitalwert & interner ZinsfußSchwer
Jahre0123−10 0004 5004 0006 000

Ein Projekt kostet €10 000 und bringt am Ende der Jahre 1 bis 3 €4 500, €4 000, €6 000. Bestimme seinen internen Zinsfuß IRR in Prozent.

CF0 = −10 000CF1 = 4 500CF2 = 4 000CF3 = 6 000
IRR = %
5.Anleihekurs & RenditeMittel
Jahre0123…14P€40€40€40 + €1 000

Eine Anleihe mit einem Nennwert von €1 000 zahlt einen jährlichen Kupon von 4% und wird in 14 Jahren fällig. Ihre Rendite bis zur Fälligkeit ändert sich von 7% auf 8%. Um wie viel ΔP ändert sich der Anleihekurs?

F = €1 000Kuponsatz = 4%n = 14y1 = 7%y2 = 8%
ΔP = €
6.Anleihekurs & RenditeSchwer
Jahre0123…10€1 130€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 €1 130. Bestimme ihre Rendite bis zur Fälligkeit YTM in Prozent.

F = €1 000Kuponsatz = 4%n = 10P = €1 130
YTM = %
7.CAPM & WACCMittel
WACC = ?Eigenkapital€2 000 000re​ = 8%Fremdkapital€1 000 000rd​ = 7%T = 30%

Ein Unternehmen hat Eigenkapital im Wert von €2 000 000 und Fremdkapital im Wert von €1 000 000. Seine Eigenkapitalkosten betragen 8%, seine Fremdkapitalkosten vor Steuern 7% und der Steuersatz 30%. Bestimme den WACC.

E = €2 000 000D = €1 000 000re = 8%rd = 7%T = 30%
WACC = %
8.CAPM & WACCSchwer
WACC = ?Eigenkapital4 000 000 × €51,00β = 0,8rf​ = 3%, rm​ = 8%Fremdkapital5 000 × €980rd​ = 4,5%T = 25,8%

Ein Unternehmen hat 4 000 000 Aktien zu je €51,00 und 5 000 Anleihen mit einem Kurs von je €980. Die Fremdkapitalkosten vor Steuern betragen 4,5% und der Steuersatz 25,8%. Das Beta der Aktie ist 0,8, der risikofreie Zinssatz 3% und die Marktrendite 8%. Bestimme den WACC.

β = 0,8rf = 3%rm = 8%rd = 4,5%T = 25,8%
WACC = %
9.Beschreibende StatistikMittel
2025303540455055

Bestimme die Stichproben-Standardabweichung s der Daten: 52, 17, 47, 59, 28, 17.

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

Eine Größe ist normalverteilt mit Mittelwert 50 und Standardabweichung 12. Welcher Anteil P der Werte liegt über 32?

μ = 50σ = 12x = 32
P =
11.WahrscheinlichkeitMittel
rot: 6blau: 4

Ein Beutel enthält 6 rote und 4 blaue Kugeln. Du ziehst zwei Kugeln, ohne die erste zurückzulegen. Wie groß ist die Wahrscheinlichkeit P, dass beide rot sind?

6 / 4
P =
12.WahrscheinlichkeitSchwer
xp(x)100,3200,25300,3400,15μ

X hat die gezeigte Verteilung, und Y = 10X + 4. Bestimme die Standardabweichung σY von Y.

x: 10, 20, 30, 40p(x): 0,3, 0,25, 0,3, 0,15Y = 10X + 4
σY =
13.NormalverteilungMittel
96,25127,75P = ?

Die IQ-Werte sind normalverteilt mit dem Mittelwert 100 Punkte und der Standardabweichung 15 Punkte. Welcher Anteil liegt zwischen 96,25 und 127,75 Punkte? Gib P als Dezimalzahl an.

μ = 100σ = 15x1 = 96,25x2 = 127,75
P =
14.NormalverteilungSchwer
4 s0X − Y?

Die Rundenzeit X von Läufer A und die Rundenzeit Y von Läufer B sind unabhängig und normalverteilt: X hat den Mittelwert 52 s und die Standardabweichung 4 s, Y hat den Mittelwert 48 s und die Standardabweichung 3 s. Bestimme die Wahrscheinlichkeit P, dass X größer als Y ist. Runde z auf zwei Dezimalstellen.

μX = 52 s, σX = 4 sμY = 48 s, σY = 3 s
P =
15.KonfidenzintervalleMittel
n = 9, sd​ = 60LU = ?d̄ = −8,2E99%

Der Blutdruck von 9 Patienten wird vor und nach einer Behandlung gemessen. Die Differenzen d = vorher − nachher (mmHg) haben den Mittelwert −8,2 und die Standardabweichung 6. Bestimme die obere Grenze des 99-%-Konfidenzintervalls für die mittlere Differenz.

n = 9d̄ = −8,2sd = 699%t(8) = 3,355
obere Grenze = mmHg
16.KonfidenzintervalleSchwer
p = 0,5, n = ?p̂ − Ep̂ + Ep̂E = 0,0399%

Über den Anteil fehlerhafter Produkte ist vorab nichts bekannt. Wie viele Produkte n müssen geprüft werden, damit ein 99-%-Konfidenzintervall für den Anteil eine Fehlermarge von höchstens 0,03 hat?

p = 0,5E = 0,0399%
n =
17.Hypothesentests & KonfidenzintervalleMittel
t −2,06402,064

Eine Stichprobe von 25 Studierenden hat einen mittleren Punktwert von 498,9 und eine Stichproben-Standardabweichung von 4. Bestimme die Teststatistik t für H₀: μ = 500.

μ₀ = 500x̄ = 498,9s = 4n = 25
t =
18.Hypothesentests & KonfidenzintervalleSchwer
−1,961,96z = ?

In einer Studie erholen sich 70 von 100 Patienten unter Behandlung A und 123 von 150 Patienten unter Behandlung B. Bestimme mit dem gepoolten Anteil die Teststatistik z für H₀: p₁ = p₂.

x₁ = 70n₁ = 100x₂ = 123n₂ = 150
z =
19.Lineare Regression und KorrelationMittel
xy14741710020116231352615529169xy15202530100150

Die Tabelle enthält 6 Wertepaare von x = Temperatur in °C und y = verkaufte Eiskugeln. Ihre Summen sind gegeben. Bestimme daraus den Korrelationskoeffizienten nach Pearson r.

n = 6Σx = 129Σy = 749Σx² = 2931Σy² = 99743Σxy = 17092
r =
20.Lineare Regression und KorrelationSchwer
xy127222320419519xy242025x = 4,5

Die Tabelle enthält 5 Wertepaare von x = Fahrzeugalter in Jahren und y = Preis in k€. Verwende die Regressionsgerade ŷ = a + b·x nach der Methode der kleinsten Quadrate. Sage ŷ für x = 4,5 voraus.

n = 5x = 4,5
ŷ =

3Lösungen

1.Zeitwert des Geldes

Antwort: PV = 300000 €

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) = 6 000/(0,04 − 0,02) = 6 000/0,02 = €300 000,00

Antwort

PV = €300 000,00
2.Zeitwert des Geldes

Antwort: FV = 39806 €

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 Einzahlungen

i = 0,07200000000000001/12 = 0,006
N = 12·17 = 204

Endwert der Einzahlungen

FV = A·((1 + i)N − 1)/i = 100·(3,388 − 1)/0,006 = €39 805,81

Antwort

FV = €39 805,81

Du hast selbst €20 400 eingezahlt; der Rest sind Zinsen.

3.Kapitalwert & interner Zinsfuß

Antwort: EAC = 11441 €

Äquivalente jährliche Kosten: Verteile den Barwert aller Kosten als gleichen jährlichen Betrag (eine Rente) über die Lebensdauer: EAC = PV·r/(1 − (1 + r)⁻ⁿ). So lassen sich Maschinen mit unterschiedlicher Lebensdauer vergleichen.

Rentenbarwertfaktor

(1 − 1,05−9)/0,05 = 7,108

Annualisierter Kaufpreis

60 000/7,108 = 8 441,40

EAC

EAC = 8 441,40 + 3 000 = €11 441,40

Antwort

EAC = €11 441,40
4.Kapitalwert & interner Zinsfuß

Antwort: IRR = 20 %

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%) = 0,00
NPV(25%) = −768,00

Eingrenzen

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

IRR ≈ 20 + 5·0,00/(0,00 − (−768,00)) = 20%
exakt: NPV(20%) = 0 → IRR = 20%

Antwort

IRR = 20%
5.Anleihekurs & Rendite

Antwort: ΔP = −67,41 €

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 = €40,00, i = 0,07, N = 14
€40,00·(1 − 0,3878)/0,07 + €1 000·0,3878 = €349,82 + €387,82 = €737,64

Kurs bei der neuen Rendite

C = €40,00, i = 0,08, N = 14
€40,00·(1 − 0,3405)/0,08 + €1 000·0,3405 = €329,77 + €340,46 = €670,23

Änderung

ΔP = 670,23 − 737,64 = −€67,41

Antwort

ΔP = −€67,41
6.Anleihekurs & Rendite

Antwort: YTM = 2,514 %

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

€1 130 = €40·(1 − (1 + y)⁻¹⁰)/y + €1 000/(1 + y)¹⁰

Numerisch lösen

P(2%) = €1 179,65, P(3%) = €1 085,30
YTM = 2,514%

Antwort

YTM = 2,514%
7.CAPM & WACC

Antwort: WACC = 6,967 %

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 = €3 000 000, E/V = 0,6667, D/V = 0,3333

WACC

WACC = 0,6667·8% + 0,3333·7%·(1 − 0,3) = 6,967%

Antwort

WACC = 6,967%
8.CAPM & WACC

Antwort: WACC = 6,914 %

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 = 4 000 000·€51,00 = €204 000 000
D = 5 000·€980 = €4 900 000

Eigenkapitalkosten (CAPM)

re = 3% + 0,8·5% = 7%

Gewichte

V = €208 900 000, E/V = 0,9765, D/V = 0,02346

WACC

WACC = 0,9765·7% + 0,02346·4,5%·(1 − 0,258) = 6,914%

Antwort

WACC = 6,914%
9.Beschreibende Statistik

Antwort: s = 18,38

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 = 220/6 = 36,67

Quadrierte Abweichungen

Σ(x − x̄)² = 15,33² + (−19,67)² + 10,33² + 22,33² + (−8,667)² + (−19,67)² = 1689

Standardabweichung

s = √(1689/5) = 18,38

Antwort

s = 18,38
10.Beschreibende Statistik

Antwort: P = 0,9332

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 = −1,5

Standardnormalverteilungstabelle

Φ(−1,5) = 0,06681
P = 1 − 0,06681 = 0,9332

Antwort

P = 0,9332
11.Wahrscheinlichkeit

Antwort: P = 0,3333

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 = 6/10 · 5/9 = 30/90 = 0,3333

Antwort

P = 0,3333
12.Wahrscheinlichkeit

Antwort: σY = 105,4

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 = 23, Var(X) = 111, σX = 10,54

Lineare Änderung

σY = |10|·10,54 = 105,4

Antwort

σY = 105,4

Der Mittelwert verschiebt sich sehr wohl: E(Y) = 10·23 + 4 = 234.

13.Normalverteilung

Antwort: P = 0,5665

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 = (96,25 − 100)/15 = −0,25
z₂ = (127,75 − 100)/15 = 1,85

Fläche dazwischen

P = Φ(1,85) − Φ(−0,25) = 0,9678 − 0,4013 = 0,5665

Antwort

P = 0,5665
14.Normalverteilung

Antwort: P = 0,7881

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 Differenz

μ = 52 − 48 = 4 s, σ = 5 s

Standardisieren

z = (0 − 4)/5 = −0,8

Wahrscheinlichkeit

P = 1 − Φ(−0,8) = 0,7881

Antwort

P = 0,7881
15.Konfidenzintervalle

Antwort: obere Grenze = −1,49 mmHg

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.

Kritischer Wert

df = 8, t = 3,355

Fehlermarge

E = 3,355·6/√9 = 6,71

Intervall

−8,2 ± 6,71 → [−14,91, −1,49]

Antwort

obere Grenze = −1,49 mmHg
16.Konfidenzintervalle

Antwort: n = 1844

Confidence interval for a proportion: p̂ ± z·√(p̂(1 − p̂)/n), where p̂ = x/n. To reach a margin E you need n ≥ z²·p(1 − p)/E², rounded up; without a prior estimate use p = 0,5, which gives the largest n.

Nach n auflösen

n = 2,576²·0,5·0,5/0,03² = 1843

Aufrunden

n = 1844

Antwort

n = 1844
17.Hypothesentests & Konfidenzintervalle

Antwort: t = −1,375

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/√25 = 4/5 = 0,8

Teststatistik

t = (498,9 − 500)/0,8 = −1,375

Antwort

t = −1,375
t0,025; df = 24 = 2,064

|t| < 2.064, also wird H₀ auf dem 5-%-Niveau (zweiseitig) nicht verworfen.

18.Hypothesentests & Konfidenzintervalle

Antwort: z = −2,216

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 = 70/100 = 0,7
p̂₂ = 123/150 = 0,82
p̂ = 193/250 = 0,772

Standardfehler unter H₀

SE = √(0,772·0,228·(1/100 + 1/150)) = 0,05416

Teststatistik

z = (0,7 − 0,82)/0,05416 = −2,216

Antwort

z = −2,216

|z| > 1,96, also wird H₀ auf dem 5-%-Niveau (zweiseitig) verworfen.

19.Lineare Regression und Korrelation

Antwort: r = 0,9969

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 = 17092 − 129·749/6 = 988,5
Sxx = 2931 − 129²/6 = 157,5
Syy = 99743 − 749²/6 = 6243

Korrelationskoeffizient

r = 988,5/√(157,5·6243) = 0,9969

Antwort

r = 0,9969
20.Lineare Regression und Korrelation

Antwort: ŷ = 18,55

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 = 15/5 = 3
ȳ = 107/5 = 21,4

Quadrat- und Produktsummen

Sxx = Σ(x − x̄)² = 10
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = −19

Regressionsgerade

b = −19/10 = −1,9
a = 21,4 − (−1,9)·3 = 27,1
ŷ = 27,1 − 1,9·x

Vorhersage

ŷ = 27,1 + (−1,9)·4,5 = 18,55

Antwort

ŷ = 18,55

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