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…13€5 000FV = ?

Du legst €5 000 zu 3 % pro Jahr bei stetiger Verzinsung an. Bestimme den Wert FV nach 13 Jahren.

PV = €5 000r = 3%t = 13
FV = €
2.Zeitwert des GeldesSchwer
Monate0123…N = ?€5 000€100€100€100€1003,6% / 12

Du leihst dir €5 000 zu 3,6 % pro Jahr bei monatlicher Verzinsung und zahlst am Ende jedes Monats €100 zurück. Wie viele Monate dauert es, bis das Darlehen getilgt ist (die letzte Rate darf kleiner sein)? Gib die Anzahl der Raten N an.

P = €5 000A = €1003,6% / 12
N = Raten
3.Kapitalwert & interner ZinsfußMittel
Jahre01234−30 0009 0009 0009 0009 000

Ein Projekt kostet heute €30 000 und bringt 4 Jahre lang am Ende jedes Jahres €9 000. Die Kapitalkosten betragen 6 %. Nimm an, dass die Zahlungen gleichmäßig über jedes Jahr eingehen. Bestimme die dynamische Amortisationsdauer DPB in Jahren.

r = 6%CF0 = −30 000CF1 = 9 000CF2 = 9 000CF3 = 9 000CF4 = 9 000
DPB = Jahre
4.Kapitalwert & interner ZinsfußSchwer
Jahre0123−20 00011 5007 50014 000

Ein Projekt kostet €20 000 und bringt am Ende der Jahre 1 bis 3 €11 500, €7 500, €14 000. Bestimme seinen internen Zinsfuß IRR in Prozent.

CF0 = −20 000CF1 = 11 500CF2 = 7 500CF3 = 14 000
IRR = %
5.Anleihekurs & RenditeMittel
Jahre0123…15€749C = ?C = ?C = ? + €1 000

Eine Anleihe mit einem Nennwert von €1 000 wird in 15 Jahren fällig und zahlt jährliche Kupons. Sie wird bei einer Rendite bis zur Fälligkeit von 5,5% für €749 verkauft. Bestimme den Kuponsatz c in Prozent.

F = €1 000n = 15P = €749YTM = 5,5%
c = %
6.Anleihekurs & RenditeSchwer
Jahre0123€1 060€40€40 + €1 000

Eine Anleihe mit einem Nennwert von €1 000 und einem jährlichen Kupon von 4% wird in 3 Jahren fällig und kostet €1 060. Bestimme ihre Rendite bis zur Fälligkeit YTM in Prozent.

F = €1 000Kuponsatz = 4%n = 3P = €1 060
YTM = %
7.CAPM & WACCMittel
WACC = ?Eigenkapital€2 000 000re​ = 13%Fremdkapital€6 000 000rd​ = 3%T = 21%

Ein Unternehmen hat Eigenkapital im Wert von €2 000 000 und Fremdkapital im Wert von €6 000 000. Seine Eigenkapitalkosten betragen 13%, seine Fremdkapitalkosten vor Steuern 3% und der Steuersatz 21%. Bestimme den WACC.

E = €2 000 000D = €6 000 000re = 13%rd = 3%T = 21%
WACC = %
8.CAPM & WACCSchwer
WACC = ?Eigenkapital4 000 000 × €38,50β = 0,9rf​ = 2,5%, rm​ = 8%Fremdkapital10 000 × €1 000rd​ = 5%T = 20%

Ein Unternehmen hat 4 000 000 Aktien zu je €38,50 und 10 000 Anleihen mit einem Kurs von je €1 000. Die Fremdkapitalkosten vor Steuern betragen 5% und der Steuersatz 20%. Das Beta der Aktie ist 0,9, der risikofreie Zinssatz 2,5% und die Marktrendite 8%. Bestimme den WACC.

β = 0,9rf = 2,5%rm = 8%rd = 5%T = 20%
WACC = %
9.Beschreibende StatistikMittel
25303540

Bestimme die Stichproben-Standardabweichung s der Daten: 25, 30, 36, 31, 32, 21, 44.

n = 7
s =
10.Beschreibende StatistikSchwer
z −2−1012

Prüfungsergebnisse sind normalverteilt mit Mittelwert 60 und Standardabweichung 5. Bestimme den z-Wert z eines Ergebnisses von 63.

μ = 60σ = 5x = 63
z =
11.WahrscheinlichkeitMittel
P(mindestens eine Sechs) = ??1?2?3?4P(Sechs) = 1/6 bei jedem Wurf

Ein fairer Würfel wird 4-mal geworfen. Wie groß ist die Wahrscheinlichkeit P, mindestens eine Sechs zu würfeln?

n = 4
P =
12.WahrscheinlichkeitSchwer
n = 6, p = 0,2: P(X = 5) = ?k0123456

Ein Test hat 6 Multiple-Choice-Fragen. Eine Studentin, die rät, beantwortet jede unabhängig mit Wahrscheinlichkeit 0,2 richtig. Wie groß ist die Wahrscheinlichkeit P für genau 5 richtige Antworten?

n = 6p = 0,2k = 5
P =
13.NormalverteilungMittel
−3−2−10123zschattierte Fläche rechts von z = 0,7794

Ziehe z so, dass die schattierte Fläche unter der Standardnormalverteilung rechts von z gleich 0,7794 ist. Bestimme z auf zwei Nachkommastellen.

A = 0,7794
z =
14.NormalverteilungSchwer
157164171178185192199cmoben 10%

Die Körpergrößen erwachsener Männer sind normalverteilt mit dem Mittelwert 178 cm und der Standardabweichung 7 cm. Ziehe die Grenze so, dass die schattierten oberen 10 % rechts davon liegen. Bestimme die Grenze x.

μ = 178 cmσ = 7 cm10%
x = cm
15.KonfidenzintervalleMittel
n = 6, sd​ = 4,80LUd̄ = −9E = ?99%

Der Blutdruck von 6 Patienten wird vor und nach einer Behandlung gemessen. Die Differenzen d = vorher − nachher (mmHg) haben den Mittelwert −9 und die Standardabweichung 4,8. Bestimme die Fehlermarge E des 99-%-Konfidenzintervalls für die mittlere Differenz.

n = 6d̄ = −9sd = 4,899%t(5) = 4,032
E = mmHg
16.KonfidenzintervalleSchwer
n = 10Lσ = ?s = 11,495%

Die Durchmesser von 10 gefertigten Wellen haben eine Stichprobenstandardabweichung von 11,4 µm. Bestimme unter der Annahme normalverteilter Durchmesser die obere 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 = 11,4 µmχ² = 2,7, 19,023
σ = µm
17.Hypothesentests & KonfidenzintervalleMittel
−1,961,96z = ?

Zwei Fertigungslinien stellen dasselbe Teil her. Linie 1: Eine Stichprobe von 50 Teilen hat die mittlere Länge 65,5 mm, und die bekannte Standardabweichung der Linie ist 5 mm. Linie 2: Eine Stichprobe von 100 Teilen hat den Mittelwert 67,8 mm, bekannte Standardabweichung 6 mm. Bestimme die Teststatistik z für H₀: μ₁ = μ₂, mit der Differenz x̄₁ − x̄₂ (Linie 1 minus Linie 2).

n₁ = 50x̄₁ = 65,5 mmσ₁ = 5 mmn₂ = 100x̄₂ = 67,8 mmσ₂ = 6 mm
z =
18.Hypothesentests & KonfidenzintervalleSchwer
σ = 8, n = ?x̄ − Ex̄ + Ex̄E = 2,590%

Wie groß muss eine Stichprobe sein, damit das 90-%-Konfidenzintervall für einen Mittelwert eine Fehlermarge von höchstens 2,5 hat? Die Standardabweichung ist 8. Bestimme den kleinsten Stichprobenumfang n.

σ = 8E = 2,590%
n =
19.Lineare Regression und KorrelationMittel
xy16361831204222502451xy20304050

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

n = 5Σx = 100Σy = 210Σx² = 2040Σy² = 9122Σxy = 4298
r =
20.Lineare Regression und KorrelationSchwer
xy2941461882110291233xy510102030ŷ = 25

Die Tabelle enthält 6 Wertepaare von x = Last in kN und y = Verlängerung in mm. Verwende die Regressionsgerade ŷ = a + b·x nach der Methode der kleinsten Quadrate. Für welchen Wert x sagt die Gerade ŷ = 25 voraus?

n = 6ŷ = 25
x =

3Lösungen

1.Zeitwert des Geldes

Antwort: FV = 7385 €

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 = 0,03·13 = 0,39
e0,39 = 1,477

Endwert

FV = 5 000·1,477 = €7 384,90

Antwort

FV = €7 384,90
2.Zeitwert des Geldes

Antwort: N = 55 Raten

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.

Die Rentenformel umstellen

i = 0,003
(1 + i)−N = 1 − 5 000·0,003/100 = 0,85

Mit Logarithmen lösen

N = −ln(0,85)/ln(1,003) = 54,25

Auf ganze Raten aufrunden

54 volle Raten lassen eine kleine Restschuld, die die letzte, kleinere Rate tilgt.

N = 55

Antwort

N = 55 Raten
3.Kapitalwert & interner Zinsfuß

Antwort: DPB = 3,834 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: 9 000/1,06 = 8 490,57 → Σ = 8 490,57
Jahr 2: 9 000/1,124 = 8 009,97 → Σ = 16 500,53
Jahr 3: 9 000/1,191 = 7 556,57 → Σ = 24 057,11
Jahr 4: 9 000/1,262 = 7 128,84 → Σ = 31 185,95

Bruchteil des letzten Jahres

DPB = 3 + 5 942,89/7 128,84 = 3,834

Antwort

DPB = 3,834 Jahre

Die dynamische Amortisationsdauer ist immer länger als die statische (3,333 Jahre).

4.Kapitalwert & interner Zinsfuß

Antwort: IRR = 28,81 %

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(25%) = 1 168,00
NPV(30%) = −343,65

Eingrenzen

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

IRR ≈ 25 + 5·1 168,00/(1 168,00 − (−343,65)) = 28,86%
exakt: NPV(28,81%) = 0 → IRR = 28,81%

Antwort

IRR = 28,81%
5.Anleihekurs & Rendite

Antwort: c = 2,999 %

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 + 0,055)−15 = €447,93

Kupon

C = (749 − 447,93)/10,04 = €29,99

Kuponsatz

c = 29,99/1000 = 2,999%

Antwort

c = 2,999%
6.Anleihekurs & Rendite

Antwort: YTM = 1,923 %

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

€1 060 = €40·(1 − (1 + y)⁻³)/y + €1 000/(1 + y)³

Numerisch lösen

P(1%) = €1 088,23, P(2%) = €1 057,68
YTM = 1,923%

Antwort

YTM = 1,923%
7.CAPM & WACC

Antwort: WACC = 5,027 %

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, E/V = 0,25, D/V = 0,75

WACC

WACC = 0,25·13% + 0,75·3%·(1 − 0,21) = 5,027%

Antwort

WACC = 5,027%
8.CAPM & WACC

Antwort: WACC = 7,24 %

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·€38,50 = €154 000 000
D = 10 000·€1 000 = €10 000 000

Eigenkapitalkosten (CAPM)

re = 2,5% + 0,9·5,5% = 7,45%

Gewichte

V = €164 000 000, E/V = 0,939, D/V = 0,06098

WACC

WACC = 0,939·7,45% + 0,06098·5%·(1 − 0,2) = 7,24%

Antwort

WACC = 7,24%
9.Beschreibende Statistik

Antwort: s = 7,432

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 = 219/7 = 31,29

Quadrierte Abweichungen

Σ(x − x̄)² = (−6,286)² + (−1,286)² + 4,714² + (−0,2857)² + 0,7143² + (−10,29)² + 12,71² = 331,4

Standardabweichung

s = √(331,4/6) = 7,432

Antwort

s = 7,432
10.Beschreibende Statistik

Antwort: z = 0,6

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 = (63 − 60)/5 = 0,6

Antwort

z = 0,6
11.Wahrscheinlichkeit

Antwort: P = 0,5177

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)4 = 0,4823
P = 1 − 0,4823 = 0,5177

Antwort

P = 0,5177
12.Wahrscheinlichkeit

Antwort: P = 0,001536

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 = 5) = 6·0,25·0,81 = 6·0,00032·0,8 = 0,001536

Antwort

P = 0,001536
13.Normalverteilung

Antwort: z = −0,77

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 − 0,7794 = 0,2206

Die z-Tabelle rückwärts lesen

Finde 0,2206 in der Tabelle und lies z ab.

z = −0,77

Antwort

z = −0,77
14.Normalverteilung

Antwort: x = 187 cm

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) = 0,9

z aus der Tabelle

z ≈ 1,28

Zurück zu den ursprünglichen Einheiten

x = 178 + 1,28·7 = 187 cm

Antwort

x = 187 cm
15.Konfidenzintervalle

Antwort: E = 7,901 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 = 5, t = 4,032

Fehlermarge

E = 4,032·4,8/√6 = 7,901

Antwort

E = 7,901 mmHg
16.Konfidenzintervalle

Antwort: σ = 20,81 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 = 9·11,4² = 1170

Grenzen für σ²

1170/19,023 = 61,49
1170/2,7 = 433,2

Grenze für σ

σ = √433,2 = 20,81 µm

Antwort

σ = 20,81 µm

95-%-Intervall für σ: [7,841, 20,81] µm.

17.Hypothesentests & Konfidenzintervalle

Antwort: z = −2,48

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.

Standardfehler der Differenz

SE = √(5²/50 + 6²/100) = √0,86 = 0,9274

Teststatistik

z = (65,5 − 67,8)/0,9274 = −2,48

Antwort

z = −2,48

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

18.Hypothesentests & Konfidenzintervalle

Antwort: n = 28

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 = (1,645·8/2,5)² = 27,71

Aufrunden

n = 28

Antwort

n = 28
19.Lineare Regression und Korrelation

Antwort: r = 0,8916

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 = 4298 − 100·210/5 = 98
Sxx = 2040 − 100²/5 = 40
Syy = 9122 − 210²/5 = 302

Korrelationskoeffizient

r = 98/√(40·302) = 0,8916

Antwort

r = 0,8916
20.Lineare Regression und Korrelation

Antwort: x = 8,806

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 = 42/6 = 7
ȳ = 124/6 = 20,67

Quadrat- und Produktsummen

Sxx = Σ(x − x̄)² = 70
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 168

Regressionsgerade

b = 168/70 = 2,4
a = 20,67 − 2,4·7 = 3,867
ŷ = 3,867 + 2,4·x

Nach x auflösen

x = (25 − 3,867)/2,4 = 8,806

Antwort

x = 8,806

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