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
Jahre012PV = ?€25 000

Du brauchst €25 000 in 2 Jahren. Ein Konto bringt 6 % pro Jahr bei monatlicher Verzinsung. Wie viel musst du heute einzahlen? Bestimme den Barwert PV.

FV = €25 0006% / 12n = 2
PV = €
2.Zeitwert des GeldesSchwer
Monate0123…180€250€250€250FV = ?

Du sparst 15 Jahre lang am Ende jedes Monats €250. Das Konto bringt 2,4 % pro Jahr bei monatlicher Verzinsung. Wie viel hast du am Ende gespart? Bestimme FV.

A = €2502,4% / 12N = 180
FV = €
3.Kapitalwert & interner ZinsfußMittel
Jahre01234−45 00016 00014 00012 00015 000

Eine Investition von €45 000 bringt am Ende der Jahre 1 bis 4 diese Zahlungen: €16 000, €14 000, €12 000, €15 000. Die Kapitalkosten betragen 5 %. Bestimme den Kapitalwert NPV.

r = 5%CF0 = −45 000CF1 = 16 000CF2 = 14 000CF3 = 12 000CF4 = 15 000
NPV = €
4.Kapitalwert & interner ZinsfußSchwer
Jahre012345−20 0006 0006 0006 0006 0006 000

Eine Investition von €20 000 bringt 5 Jahre lang am Ende jedes Jahres €6 000. Bestimme ihren internen Zinsfuß IRR in Prozent.

C0 = €20 000CF = €6 000n = 5
IRR = %
5.Anleihekurs & RenditeMittel
Halbjahre0123…24€20€20€20 + €1 000P = ?

Eine Anleihe mit einem Nennwert von €1 000 zahlt einen jährlichen Kupon von 4% in zwei halbjährlichen Raten und wird in 12 Jahren fällig. Die Rendite bis zur Fälligkeit beträgt 3% pro Jahr. Bestimme den Kurs P der Anleihe.

F = €1 000Kuponsatz = 4%YTM = 3%n = 12
P = €
6.Anleihekurs & RenditeSchwer
Jahre0123P€50€50€50 + €1 000

Eine Anleihe mit einem Nennwert von €1 000 zahlt einen jährlichen Kupon von 5% und wird in 3 Jahren fällig. Die Rendite bis zur Fälligkeit beträgt 3%. Bestimme die Macaulay-Duration D in Jahren.

F = €1 000Kuponsatz = 5%n = 3YTM = 3%
D = Jahre
7.CAPM & WACCMittel
WACC = ?Stammaktien€10 000 000re​ = 11%Vorzugsaktien€1 500 000rp​ = 6%Fremdkapital€3 000 000rd​ = 6%T = 28%

Ein Unternehmen ist finanziert mit Stammaktien im Wert von €10 000 000, Vorzugsaktien im Wert von €1 500 000 und Fremdkapital im Wert von €3 000 000. Die Eigenkapitalkosten betragen 11%, die Kosten der Vorzugsaktien 6% und die Fremdkapitalkosten vor Steuern 6%. Der Steuersatz beträgt 28%. Bestimme den WACC.

E = €10 000 000Ps = €1 500 000D = €3 000 000re = 11%rp = 6%rd = 6%T = 28%
WACC = %
8.CAPM & WACCSchwer
WACC = ?Eigenkapital1 000 000 × €29,00D0​ = €2,30g = 2%Fremdkapital€29 000 000rd​ = 4,5%T = 25%

Ein Unternehmen hat 1 000 000 Aktien mit einem Kurs von €29,00; der Buchwert seines Eigenkapitals beträgt €17 400 000. Es hat gerade eine Dividende von €2,30 pro Aktie gezahlt, und die Dividenden wachsen um 2% pro Jahr. Sein Fremdkapital hat einen Marktwert von €29 000 000 und Kosten vor Steuern von 4,5%. Der Steuersatz beträgt 25%. Bestimme den WACC, mit dem Dividendenwachstumsmodell für die Eigenkapitalkosten.

N = 1 000 000P0 = €29,00Buchwert des Eigenkapitals = €17 400 000D0 = €2,30g = 2%D = €29 000 000rd = 4,5%T = 25%
WACC = %
9.Beschreibende StatistikMittel
2025303540455055

Bestimme die Stichproben-Standardabweichung s der Daten: 57, 33, 26, 57, 17.

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

Eine Größe ist normalverteilt mit Mittelwert 50 und Standardabweichung 10. Welcher Anteil P der Werte liegt unter 60?

μ = 50σ = 10x = 60
P =
11.WahrscheinlichkeitMittel
P(mindestens eine Sechs) = ??1?2P(Sechs) = 1/6 bei jedem Wurf

Ein fairer Würfel wird 2-mal geworfen. Wie groß ist die Wahrscheinlichkeit P, mindestens eine Sechs zu würfeln?

n = 2
P =
12.WahrscheinlichkeitSchwer
n = 5, p = 0,3: P(X = 1) = ?k012345

Ein Test hat 5 Multiple-Choice-Fragen. Eine Studentin, die rät, beantwortet jede unabhängig mit Wahrscheinlichkeit 0,3 richtig. Wie groß ist die Wahrscheinlichkeit P für genau 1 richtige Antworten?

n = 5p = 0,3k = 1
P =
13.NormalverteilungMittel
92,5130,75P = ?

Die IQ-Werte sind normalverteilt mit dem Mittelwert 100 Punkte und der Standardabweichung 15 Punkte. Welcher Anteil liegt zwischen 92,5 und 130,75 Punkte? Gib P als Dezimalzahl an.

μ = 100σ = 15x1 = 92,5x2 = 130,75
P =
14.NormalverteilungSchwer
380420460500540580620hoben 70%

Die Lebensdauern von Batterien sind normalverteilt mit dem Mittelwert 500 h und der Standardabweichung 40 h. Ziehe die Grenze so, dass die schattierten oberen 70 % rechts davon liegen. Bestimme die Grenze x.

μ = 500 hσ = 40 h70%
x = h
15.KonfidenzintervalleMittel
n = 11, sd​ = 5,40LUd̄ = 1E = ?90%

Der Blutdruck von 11 Patienten wird vor und nach einer Behandlung gemessen. Die Differenzen d = vorher − nachher (mmHg) haben den Mittelwert 1 und die Standardabweichung 5,4. Bestimme die Fehlermarge E des 90-%-Konfidenzintervalls für die mittlere Differenz.

n = 11d̄ = 1sd = 5,490%t(10) = 1,812
E = mmHg
16.KonfidenzintervalleSchwer
n = 16Lσ = ?s = 7,495%

Die Durchmesser von 16 gefertigten Wellen haben eine Stichprobenstandardabweichung von 7,4 µm. Bestimme unter der Annahme normalverteilter Durchmesser die obere Grenze σ des 95-%-Konfidenzintervalls für die Standardabweichung der Grundgesamtheit. Bei df = 15 liegen 2,5 % der χ²-Verteilung unter 6,262 und 2,5 % über 27,488.

n = 16s = 7,4 µmχ² = 6,262, 27,488
σ = µm
17.Hypothesentests & KonfidenzintervalleMittel
t −2,0302,03

Eine Stichprobe von 36 Studierenden hat einen mittleren Punktwert von 97,6 und eine Stichproben-Standardabweichung von 8. Bestimme die Teststatistik t für H₀: μ = 100.

μ₀ = 100x̄ = 97,6s = 8n = 36
t =
18.Hypothesentests & KonfidenzintervalleSchwer
μ₀x̄c

Ein einseitiger z-Test von H₀: μ = 50 gegen H₁: μ < 50 wird bei α = 0.01 mit einer Stichprobe von 25 durchgeführt; die Standardabweichung ist bekanntermaßen 2.5. In Wirklichkeit beträgt der Mittelwert 48.95. Bestimme die Teststärke (Power) 1 − β des Tests in Prozent.

μ₀ = 50μ = 48,95σ = 2,5n = 25α = 0,01
1 − β = %
19.Lineare Regression und KorrelationMittel
xy1590179619103211222312425136xy152025100120140

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

n = 6
r =
20.Lineare Regression und KorrelationSchwer
xy128228325422521xy2425ŷ = 28

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. Für welchen Wert x sagt die Gerade ŷ = 28 voraus?

n = 5ŷ = 28
x =

3Lösungen

1.Zeitwert des Geldes

Antwort: PV = 22180 €

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 und Anzahl der Perioden

i = 0,06/12 = 0,005
N = 12·2 = 24

Barwert

PV = FV/(1 + i)N = 25 000/1,127 = €22 179,64

Antwort

PV = €22 179,64
2.Zeitwert des Geldes

Antwort: FV = 54102 €

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 = 0,024/12 = 0,002
N = 12·15 = 180

Endwert der Einzahlungen

FV = A·((1 + i)N − 1)/i = 250·(1,433 − 1)/0,002 = €54 101,77

Antwort

FV = €54 101,77

Du hast selbst €45 000 eingezahlt; der Rest sind Zinsen.

3.Kapitalwert & interner Zinsfuß

Antwort: NPV = 5643 €

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.

Barwert jeder Zahlung

CF0 = −45 000
CF1/(1 + 0,05)1 = 16 000/1,05 = 15 238,10
CF2/(1 + 0,05)2 = 14 000/1,103 = 12 698,41
CF3/(1 + 0,05)3 = 12 000/1,158 = 10 366,05
CF4/(1 + 0,05)4 = 15 000/1,216 = 12 340,54

Addieren

NPV = €5 643,10

Antwort

NPV = €5 643,10

Der Kapitalwert ist positiv, das Projekt verdient also mehr als die geforderte Rendite.

4.Kapitalwert & interner Zinsfuß

Antwort: IRR = 15,24 %

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)−5)/i = 20 000/6 000 = 3,333

Nach dem Zinssatz auflösen

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

i = 15%: 3,352
i = 16%: 3,274
IRR = 15,24%

Antwort

IRR = 15,24%
5.Anleihekurs & Rendite

Antwort: P = 1100 €

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 = €20,00, i = 0,015, N = 24

Barwert der Kupons

€20,00·(1 − 0,6995)/0,015 = €400,61

Barwert des Nennwerts

€1 000·0,6995 = €699,54

Kurs

P = €1 100,15

Antwort

P = €1 100,15

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

6.Anleihekurs & Rendite

Antwort: D = 2,864 Jahre

Duration: Die Macaulay-Duration ist der gewichtete mittlere Zeitpunkt, zu dem eine Anleihe ihre Zahlungen leistet, mit den Barwerten der Zahlungen als Gewichten: D = Σ t·PVₜ/P. Die modifizierte Duration D/(1 + y) schätzt die prozentuale Kursänderung bei einer kleinen Renditeänderung: %ΔP ≈ −Dmod·Δy.

Barwert jeder Zahlung

t = 1: 50/1,03 = 48,54, t·PV = 48,54
t = 2: 50/1,061 = 47,13, t·PV = 94,26
t = 3: 1050/1,093 = 960,90, t·PV = 2 882,70

Duration

P = 1 056,57
D = 3 025,50/1 056,57 = 2,864

Antwort

D = 2,864 Jahre
7.CAPM & WACC

Antwort: WACC = 9,101 %

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 + 1 500 000 + 3 000 000 = €14 500 000
E/V = 0,6897, Ps/V = 0,1034, D/V = 0,2069

WACC

WACC = 0,6897·11% + 0,1034·6% + 0,2069·6%·(1 − 0,28) = 9,101%

Antwort

WACC = 9,101%
8.CAPM & WACC

Antwort: WACC = 6,732 %

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 = 2,3·1,02 = €2,35
re = 2,346/29 + 0,02 = 10,09%

Marktwerte

E = 1 000 000·€29,00 = €29 000 000
V = €58 000 000, E/V = 0,5, D/V = 0,5

WACC

WACC = 0,5·10,09% + 0,5·4,5%·(1 − 0,25) = 6,732%

Antwort

WACC = 6,732%
9.Beschreibende Statistik

Antwort: s = 18,25

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 = 190/5 = 38

Quadrierte Abweichungen

Σ(x − x̄)² = 19² + (−5)² + (−12)² + 19² + (−21)² = 1332

Standardabweichung

s = √(1332/4) = 18,25

Antwort

s = 18,25
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: P = 0,3056

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)2 = 0,6944
P = 1 − 0,6944 = 0,3056

Antwort

P = 0,3056
12.Wahrscheinlichkeit

Antwort: P = 0,3601

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 = 1) = 5·0,31·0,74 = 5·0,3·0,2401 = 0,3601

Antwort

P = 0,3601
13.Normalverteilung

Antwort: P = 0,6713

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 = (92,5 − 100)/15 = −0,5
z₂ = (130,75 − 100)/15 = 2,05

Fläche dazwischen

P = Φ(2,05) − Φ(−0,5) = 0,9798 − 0,3085 = 0,6713

Antwort

P = 0,6713
14.Normalverteilung

Antwort: x = 479 h

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) = 0,3

z aus der Tabelle

z ≈ −0,52

Zurück zu den ursprünglichen Einheiten

x = 500 − 0,52·40 = 479 h

Antwort

x = 479 h
15.Konfidenzintervalle

Antwort: E = 2,95 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 = 10, t = 1,812

Fehlermarge

E = 1,812·5,4/√11 = 2,95

Antwort

E = 2,95 mmHg
16.Konfidenzintervalle

Antwort: σ = 11,45 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 = 15·7,4² = 821,4

Grenzen für σ²

821,4/27,488 = 29,88
821,4/6,262 = 131,2

Grenze für σ

σ = √131,2 = 11,45 µm

Antwort

σ = 11,45 µm

95-%-Intervall für σ: [5,466, 11,45] µm.

17.Hypothesentests & Konfidenzintervalle

Antwort: t = −1,8

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 = 8/√36 = 8/6 = 1,333

Teststatistik

t = (97,6 − 100)/1,333 = −1,8

Antwort

t = −1,8
t0,025; df = 35 = 2,03

|t| < 2.03, also wird H₀ auf dem 5-%-Niveau (zweiseitig) nicht verworfen.

18.Hypothesentests & Konfidenzintervalle

Antwort: 1 − β = 41,06 %

Teststärke: Die Teststärke 1 − β ist die Wahrscheinlichkeit, H₀ zu verwerfen, wenn sie falsch ist. Bestimme die Grenze x̄c aus μ₀ und z_α und berechne dann mit dem wahren Mittelwert die Wahrscheinlichkeit, jenseits von x̄c zu landen: z = (x̄c − μ)/(σ/√n).

Kritischer Stichprobenmittelwert

SE = 2,5/√25 = 0,5
x̄c = 50 − 2,326·0,5 = 48,84

z unter dem wahren Mittelwert

z = (48,84 − 48,95)/0,5 = −0,226

Leistung

Teststärke = P(Z < −0.226) = 41.06%
1 − β = 41,06%

Antwort

1 − β = 41,06%
19.Lineare Regression und Korrelation

Antwort: r = 0,9826

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 = 120/6 = 20
ȳ = 671/6 = 111,8

Quadrat- und Produktsummen

Sxx = Σ(x − x̄)² = 70
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 333
Syy = Σ(y − ȳ)² = 1641

Korrelationskoeffizient

r = 333/√(70·1641) = 0,9826

Antwort

r = 0,9826
20.Lineare Regression und Korrelation

Antwort: x = 1,4

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 = 124/5 = 24,8

Quadrat- und Produktsummen

Sxx = Σ(x − x̄)² = 10
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = −20

Regressionsgerade

b = −20/10 = −2
a = 24,8 − (−2)·3 = 30,8
ŷ = 30,8 − 2·x

Nach x auflösen

x = (28 − 30,8)/(−2) = 1,4

Antwort

x = 1,4

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