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 = ?€20 000

Du brauchst €20 000 in 9 Jahren. Ein Konto bringt 4 % pro Jahr bei monatlicher Verzinsung. Wie viel musst du heute einzahlen? Bestimme den Barwert PV.

FV = €20 0004% / 12n = 9
PV = €
2.Zeitwert des GeldesSchwer
Monate0123…168A?AA€50 000

Du möchtest in 14 Jahren €50 000 haben. Du sparst am Ende jedes Monats denselben Betrag auf einem Konto mit 4,8 % pro Jahr bei monatlicher Verzinsung. Bestimme die monatliche Einzahlung A.

FV = €50 0004,8% / 12N = 168
A = €
3.Kapitalwert & interner ZinsfußMittel
Jahre0123−30 00010 00011 00011 000

Eine Investition von €30 000 bringt am Ende der Jahre 1 bis 3 diese Zahlungen: €10 000, €11 000, €11 000. Die Kapitalkosten betragen 9 %. Bestimme den Kapitalwert NPV.

r = 9%CF0 = −30 000CF1 = 10 000CF2 = 11 000CF3 = 11 000
NPV = €
4.Kapitalwert & interner ZinsfußSchwer
Jahre012−20 00013 50010 500

Ein Projekt kostet €20 000 und bringt am Ende der Jahre 1 bis 2 €13 500, €10 500. Bestimme seinen internen Zinsfuß IRR in Prozent.

CF0 = −20 000CF1 = 13 500CF2 = 10 500
IRR = %
5.Anleihekurs & RenditeMittel
Halbjahre0123…20€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 10 Jahren fällig. Die Rendite bis zur Fälligkeit beträgt 9% pro Jahr. Bestimme den Kurs P der Anleihe.

F = €1 000Kuponsatz = 8%YTM = 9%n = 10
P = €
6.Anleihekurs & RenditeSchwer
Jahre0123€960€30€30 + €1 000

Eine Anleihe mit einem Nennwert von €1 000 und einem jährlichen Kupon von 3% wird in 3 Jahren fällig und kostet €960. Bestimme ihre Rendite bis zur Fälligkeit YTM in Prozent.

F = €1 000Kuponsatz = 3%n = 3P = €960
YTM = %
7.CAPM & WACCMittel
WACC = ?EigenkapitalEre​ = 14%FremdkapitalD = 0,6·Erd​ = 7%T = 25%

Ein Unternehmen hat einen Verschuldungsgrad (zu Marktwerten) von D/E = 0,6. Seine Eigenkapitalkosten betragen 14%, seine Fremdkapitalkosten vor Steuern 7% und der Steuersatz 25%. Bestimme den WACC.

D/E = 0,6re = 14%rd = 7%T = 25%
WACC = %
8.CAPM & WACCSchwer
WACC = ?Eigenkapital4 000 000 × €59,00β = 0,9rf​ = 3%, rm​ = 8,5%Fremdkapital20 000 × €960rd​ = 6%T = 28%

Ein Unternehmen hat 4 000 000 Aktien zu je €59,00 und 20 000 Anleihen mit einem Kurs von je €960. Die Fremdkapitalkosten vor Steuern betragen 6% und der Steuersatz 28%. Das Beta der Aktie ist 0,9, der risikofreie Zinssatz 3% und die Marktrendite 8,5%. Bestimme den WACC.

β = 0,9rf = 3%rm = 8,5%rd = 6%T = 28%
WACC = %
9.Beschreibende StatistikMittel
1520253035

Bestimme die Stichproben-Standardabweichung s der Daten: 29, 35, 30, 19, 13.

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

Eine Größe ist normalverteilt mit Mittelwert 60 und Standardabweichung 10. Welcher Anteil P der Werte liegt unter 80?

μ = 60σ = 10x = 80
P =
11.WahrscheinlichkeitMittel
n = 12k = 5N = ?

Auf wie viele Arten N kann ein Ausschuss von 5 Personen aus einer Gruppe von 12 gewählt werden? Die Reihenfolge spielt keine Rolle.

n = 12k = 5
N =
12.WahrscheinlichkeitSchwer
n = 12, p = 0,4: P(X ≤ 1) = ?k0123456789101112

12 Bauteile werden geprüft, und jedes fällt unabhängig mit Wahrscheinlichkeit 0,4 aus. Wie groß ist die Wahrscheinlichkeit P, dass höchstens eines ausfällt?

n = 12p = 0,4
P =
13.NormalverteilungMittel
245,25256,25P = ?

Die Gewichte von Beuteln sind normalverteilt mit dem Mittelwert 250 g und der Standardabweichung 5 g. Welcher Anteil liegt zwischen 245,25 und 256,25 g? Gib P als Dezimalzahl an.

μ = 250σ = 5x1 = 245,25x2 = 256,25
P =
14.NormalverteilungSchwer
μ = 178x = ?25%

Die Körpergrößen erwachsener Männer sind normalverteilt mit dem Mittelwert 178 cm und der Standardabweichung 7 cm. Bestimme den Wert x, unter dem 25 % von ihnen liegen (das 25. Perzentil).

μ = 178σ = 7P = 25%
x = cm
15.KonfidenzintervalleMittel
n = 12, s = 15LU = ?x̄ = 117,5E90%

Eine Stichprobe von 12 Elementen hat den Mittelwert 117,5 und die Standardabweichung s = 15. Die Grundgesamtheit ist annähernd normalverteilt. Bestimme die obere Grenze des 90-%-Konfidenzintervalls für den Mittelwert.

n = 12x̄ = 117,5s = 1590%t(11) = 1,796
obere Grenze =
16.KonfidenzintervalleSchwer
σ = 32, n = ?x̄ − Ex̄ + Ex̄E = 195%

Die Standardabweichung der Grundgesamtheit ist 32. Wie groß muss die Stichprobe n sein, damit ein 95-%-Konfidenzintervall für den Mittelwert eine Fehlermarge von höchstens 1 hat?

σ = 32E = 195%
n =
17.Hypothesentests & KonfidenzintervalleMittel
t −2,06402,064

Eine Stichprobe von 25 Studierenden hat einen mittleren Punktwert von 61,6 und eine Stichproben-Standardabweichung von 20. Bestimme die Teststatistik t für H₀: μ = 50.

μ₀ = 50x̄ = 61,6s = 20n = 25
t =
18.Hypothesentests & KonfidenzintervalleSchwer
z −2,57602,576

Eine Stichprobe von 64 Messungen hat den Mittelwert 99,9. Die Standardabweichung der Grundgesamtheit ist 10. Bestimme die obere Grenze U des 99-%-Konfidenzintervalls für den Mittelwert.

x̄ = 99,9σ = 10n = 6499%
U =
19.Lineare Regression und KorrelationMittel
xy2541261581910221228xy510102030

Die Tabelle enthält 6 Wertepaare von x = Last in kN und y = Verlängerung in mm. Bestimme den Korrelationskoeffizienten nach Pearson r.

n = 6
r =
20.Lineare Regression und KorrelationSchwer
xy274106188221032xy510102030x = 3

Die Tabelle enthält 5 Wertepaare von x = Last in kN und y = Verlängerung in mm. Verwende die Regressionsgerade ŷ = a + b·x nach der Methode der kleinsten Quadrate. Eine neue Beobachtung (3, 5) wird gemacht. Bestimme ihr Residuum e = y − ŷ.

n = 5(3, 5)
e =

3Lösungen

1.Zeitwert des Geldes

Antwort: PV = 13962 €

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 = 0,04/12 = 0,003333
N = 12·9 = 108

Barwert

PV = FV/(1 + i)N = 20 000/1,432 = €13 961,88

Antwort

PV = €13 961,88
2.Zeitwert des Geldes

Antwort: A = 209,3 €

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 = 0,048/12 = 0,004
N = 12·14 = 168

Einzahlung

A = FV·i/((1 + i)N − 1) = 50 000·0,004/(1,956 − 1) = €209,31

Antwort

A = €209,31
3.Kapitalwert & interner Zinsfuß

Antwort: NPV = −3073 €

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 = −30 000
CF1/(1 + 0,09)1 = 10 000/1,09 = 9 174,31
CF2/(1 + 0,09)2 = 11 000/1,188 = 9 258,48
CF3/(1 + 0,09)3 = 11 000/1,295 = 8 494,02

Addieren

NPV = €−3 073,19

Antwort

NPV = €−3 073,19

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

4.Kapitalwert & interner Zinsfuß

Antwort: IRR = 13,68 %

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(10%) = 950,41
NPV(15%) = −321,36

Eingrenzen

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

IRR ≈ 10 + 5·950,41/(950,41 − (−321,36)) = 13,74%
exakt: NPV(13,68%) = 0 → IRR = 13,68%

Antwort

IRR = 13,68%
5.Anleihekurs & Rendite

Antwort: P = 935 €

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 = 0,045, N = 20

Barwert der Kupons

€40,00·(1 − 0,4146)/0,045 = €520,32

Barwert des Nennwerts

€1 000·0,4146 = €414,64

Kurs

P = €934,96

Antwort

P = €934,96

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

6.Anleihekurs & Rendite

Antwort: YTM = 4,454 %

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

€960 = €30·(1 − (1 + y)⁻³)/y + €1 000/(1 + y)³

Numerisch lösen

P(4%) = €972,25, P(5%) = €945,54
YTM = 4,454%

Antwort

YTM = 4,454%
7.CAPM & WACC

Antwort: WACC = 10,72 %

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 aus D/E

E/V = 1/(1 + 0,6) = 0,625
D/V = 0,6/(1 + 0,6) = 0,375

WACC

WACC = 0,625·14% + 0,375·7%·(1 − 0,25) = 10,72%

Antwort

WACC = 10,72%
8.CAPM & WACC

Antwort: WACC = 7,677 %

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·€59,00 = €236 000 000
D = 20 000·€960 = €19 200 000

Eigenkapitalkosten (CAPM)

re = 3% + 0,9·5,5% = 7,95%

Gewichte

V = €255 200 000, E/V = 0,9248, D/V = 0,07524

WACC

WACC = 0,9248·7,95% + 0,07524·6%·(1 − 0,28) = 7,677%

Antwort

WACC = 7,677%
9.Beschreibende Statistik

Antwort: s = 8,955

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 = 126/5 = 25,2

Quadrierte Abweichungen

Σ(x − x̄)² = 3,8² + 9,8² + 4,8² + (−6,2)² + (−12,2)² = 320,8

Standardabweichung

s = √(320,8/4) = 8,955

Antwort

s = 8,955
10.Beschreibende Statistik

Antwort: P = 0,9772

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 = 2

Standardnormalverteilungstabelle

Φ(2) = 0,9772
P = 0,9772

Antwort

P = 0,9772
11.Wahrscheinlichkeit

Antwort: N = 792

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.

Kombinationen

C(12, 5) = (12·11·10·9·8)/(5·4·3·2·1) = 792

Antwort

N = 792
12.Wahrscheinlichkeit

Antwort: P = 0,01959

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.

Null und ein Ausfall

P(X = 0) = 0,612 = 0,002177
P(X = 1) = 12·0,4·0,611 = 0,01741

Addieren

P = 0,002177 + 0,01741 = 0,01959

Antwort

P = 0,01959
13.Normalverteilung

Antwort: P = 0,7233

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 = (245,25 − 250)/5 = −0,95
z₂ = (256,25 − 250)/5 = 1,25

Fläche dazwischen

P = Φ(1,25) − Φ(−0,95) = 0,8944 − 0,1711 = 0,7233

Antwort

P = 0,7233
14.Normalverteilung

Antwort: x = 173,3 cm

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 für das Perzentil

Φ(z) = 0,25 → z = −0,6745

Zurück zu x

x = 178 + −0,6745·7 = 173,28 cm

Antwort

x = 173,28 cm
15.Konfidenzintervalle

Antwort: obere Grenze = 125,3

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 = 11, t = 1,796

Fehlermarge

E = 1,796·15/√12 = 7,777

Intervall

117,5 ± 7,777 → [109,7, 125,3]

Antwort

obere Grenze = 125,3
16.Konfidenzintervalle

Antwort: n = 3934

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 = (1,96·32/1)² = 3934

Aufrunden

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

n = 3934

Antwort

n = 3934
17.Hypothesentests & Konfidenzintervalle

Antwort: t = 2,9

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 = 20/√25 = 20/5 = 4

Teststatistik

t = (61,6 − 50)/4 = 2,9

Antwort

t = 2,9
t0,025; df = 24 = 2,064

|t| > 2,064, also wird H₀ auf dem 5-%-Niveau (zweiseitig) verworfen.

18.Hypothesentests & Konfidenzintervalle

Antwort: U = 103,1

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).

Fehlermarge

E = 2,576·10/√64 = 3,22

Intervallgrenze

U = 99,9 + 3,22 = 103,1

Antwort

U = 103,1
19.Lineare Regression und Korrelation

Antwort: r = 0,9912

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 = 101/6 = 16,83

Quadrat- und Produktsummen

Sxx = Σ(x − x̄)² = 70
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 149
Syy = Σ(y − ȳ)² = 322,8

Korrelationskoeffizient

r = 149/√(70·322,8) = 0,9912

Antwort

r = 0,9912
20.Lineare Regression und Korrelation

Antwort: e = −3,5

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 = 89/5 = 17,8

Quadrat- und Produktsummen

Sxx = Σ(x − x̄)² = 40
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 124

Regressionsgerade

b = 124/40 = 3,1
a = 17,8 − 3,1·6 = −0,8
ŷ = −0,8 + 3,1·x

Vorhergesagter Wert

ŷ = −0,8 + 3,1·3 = 8,5

Residuum

e = 5 − 8,5 = −3,5

Antwort

e = −3,5

Der Punkt liegt unter der Geraden.

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