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…12PV = ?€8 000€8 000€8 000€8 000

Eine Rente zahlt am Ende jedes Jahres €8 000, 12 Jahre lang. Der Zinssatz beträgt 3 % pro Jahr. Bestimme den Barwert PV der Rente.

A = €8 000i = 3%n = 12
PV = €
2.Zeitwert des GeldesSchwer
Monate0123…84€25 000AAAA3% / 12, I = ?

Ein Darlehen von €25 000 wird über 7 Jahre mit gleichen Monatsraten bei 3 % pro Jahr und monatlicher Verzinsung getilgt. Wie viel Zinsen I werden über die gesamte Laufzeit gezahlt?

P = €25 0003% / 12N = 84
I = €
3.Kapitalwert & interner ZinsfußMittel
Jahre01234−60 00012 00027 00017 00028 000

Eine Investition von €60 000 bringt am Ende der Jahre 1 bis 4 diese Zahlungen: €12 000, €27 000, €17 000, €28 000. Die Kapitalkosten betragen 12 %. Bestimme den Kapitalwert NPV.

r = 12%CF0 = −60 000CF1 = 12 000CF2 = 27 000CF3 = 17 000CF4 = 28 000
NPV = €
4.Kapitalwert & interner ZinsfußSchwer
Jahre01234−25 00011 50011 50011 0008 000

Ein Projekt kostet €25 000 und bringt am Ende der Jahre 1 bis 4 jeweils €11 500, €11 500, €11 000, €8 000. Die Zahlungen können zu den Kapitalkosten von 6 % wieder angelegt werden. Bestimme den modifizierten internen Zinsfuß MIRR in Prozent.

r = 6%CF0 = −25 000CF1 = 11 500CF2 = 11 500CF3 = 11 000CF4 = 8 000
MIRR = %
5.Anleihekurs & RenditeMittel
Halbjahre0123…12€25€25€25 + €1 000P = ?

Eine Anleihe mit einem Nennwert von €1 000 zahlt einen jährlichen Kupon von 5% in zwei halbjährlichen Raten und wird in 6 Jahren fällig. Die Rendite bis zur Fälligkeit beträgt 8% pro Jahr. Bestimme den Kurs P der Anleihe.

F = €1 000Kuponsatz = 5%YTM = 8%n = 6
P = €
6.Anleihekurs & RenditeSchwer
Jahre0123€960€70€70 + €1 000

Eine Anleihe mit einem Nennwert von €1 000 und einem jährlichen Kupon von 7% wird in 3 Jahren fällig und kostet €960. Bestimme ihre Rendite bis zur Fälligkeit YTM in Prozent.

F = €1 000Kuponsatz = 7%n = 3P = €960
YTM = %
7.CAPM & WACCMittel
WACC = ?Stammaktien€10 000 000re​ = 9%Vorzugsaktien€2 000 000rp​ = 8%Fremdkapital€6 000 000rd​ = 4,5%T = 28%

Ein Unternehmen ist finanziert mit Stammaktien im Wert von €10 000 000, Vorzugsaktien im Wert von €2 000 000 und Fremdkapital im Wert von €6 000 000. Die Eigenkapitalkosten betragen 9%, die Kosten der Vorzugsaktien 8% und die Fremdkapitalkosten vor Steuern 4,5%. Der Steuersatz beträgt 28%. Bestimme den WACC.

E = €10 000 000Ps = €2 000 000D = €6 000 000re = 9%rp = 8%rd = 4,5%T = 28%
WACC = %
8.CAPM & WACCSchwer
WACC = ?Eigenkapital2 500 000 × €16,50β = 1,8rf​ = 2,5%, rm​ = 9%Fremdkapital10 000 × €1 000rd​ = 5%T = 21%

Ein Unternehmen hat 2 500 000 Aktien zu je €16,50 und 10 000 Anleihen mit einem Kurs von je €1 000. Die Fremdkapitalkosten vor Steuern betragen 5% und der Steuersatz 21%. Das Beta der Aktie ist 1,8, der risikofreie Zinssatz 2,5% und die Marktrendite 9%. Bestimme den WACC.

β = 1,8rf = 2,5%rm = 9%rd = 5%T = 21%
WACC = %
9.Beschreibende StatistikMittel
1015202530354045505560

Bestimme die Stichproben-Standardabweichung s der Daten: 26, 58, 39, 46, 60, 10.

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

Prüfungsergebnisse sind normalverteilt mit Mittelwert 50 und Standardabweichung 10. Bestimme den z-Wert z eines Ergebnisses von 62,5.

μ = 50σ = 10x = 62,5
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 = 8, p = 0,7: P(X = 1) = ?k012345678

Ein Test hat 8 Multiple-Choice-Fragen. Eine Studentin, die rät, beantwortet jede unabhängig mit Wahrscheinlichkeit 0,7 richtig. Wie groß ist die Wahrscheinlichkeit P für genau 1 richtige Antworten?

n = 8p = 0,7k = 1
P =
13.NormalverteilungMittel
105 s110,1 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 110,1 s ist. Runde z auf zwei Dezimalstellen.

μX = 60, σX = 5μY = 45, σY = 4X + Y > 110,1 s
P =
14.NormalverteilungSchwer
μ = 250x = ?95%

Die Gewichte von Beuteln sind normalverteilt mit dem Mittelwert 250 g und der Standardabweichung 5 g. Bestimme den Wert x, unter dem 95 % von ihnen liegen (das 95. Perzentil).

μ = 250σ = 5P = 95%
x = g
15.KonfidenzintervalleMittel
n = 15, s = 10LU = ?x̄ = 30,5E99%

Eine Stichprobe von 15 Elementen hat den Mittelwert 30,5 und die Standardabweichung s = 10. Die Grundgesamtheit ist annähernd normalverteilt. Bestimme die obere Grenze des 99-%-Konfidenzintervalls für den Mittelwert.

n = 15x̄ = 30,5s = 1099%t(14) = 2,977
obere Grenze =
16.KonfidenzintervalleSchwer
n = 20σ = ?Us = 0,995%

Die Durchmesser von 20 gefertigten Wellen haben eine Stichprobenstandardabweichung von 0,9 µm. Bestimme unter der Annahme normalverteilter Durchmesser die untere Grenze σ des 95-%-Konfidenzintervalls für die Standardabweichung der Grundgesamtheit. Bei df = 19 liegen 2,5 % der χ²-Verteilung unter 8,907 und 2,5 % über 32,852.

n = 20s = 0,9 µmχ² = 8,907, 32,852
σ = µm
17.Hypothesentests & KonfidenzintervalleMittel
−1,961,96z = ?

Zwei Fertigungslinien stellen dasselbe Teil her. Linie 1: Eine Stichprobe von 100 Teilen hat die mittlere Länge 95,5 mm, und die bekannte Standardabweichung der Linie ist 17 mm. Linie 2: Eine Stichprobe von 80 Teilen hat den Mittelwert 89,7 mm, bekannte Standardabweichung 12 mm. Bestimme die Teststatistik z für H₀: μ₁ = μ₂, mit der Differenz x̄₁ − x̄₂ (Linie 1 minus Linie 2).

n₁ = 100x̄₁ = 95,5 mmσ₁ = 17 mmn₂ = 80x̄₂ = 89,7 mmσ₂ = 12 mm
z =
18.Hypothesentests & KonfidenzintervalleSchwer
σ = 12, n = ?x̄ − Ex̄ + Ex̄E = 2,595%

Wie groß muss eine Stichprobe sein, damit das 95-%-Konfidenzintervall für einen Mittelwert eine Fehlermarge von höchstens 2,5 hat? Die Standardabweichung ist 12. Bestimme den kleinsten Stichprobenumfang n.

σ = 12E = 2,595%
n =
19.Lineare Regression und KorrelationMittel
xy178920102231152613729150xy202530100120140

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

n = 5
r =
20.Lineare Regression und KorrelationSchwer
xy125225323418517617xy2462025x = 3,5

Die Tabelle enthält 6 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 = 3,5 voraus.

n = 6x = 3,5
ŷ =

3Lösungen

1.Zeitwert des Geldes

Antwort: PV = 79632 €

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.

Rentenbarwertfaktor

(1 − (1 + i)−n)/i = (1 − 0,7014)/0,03 = 9,954

Barwert

PV = 8 000·9,954 = €79 632,03

Antwort

PV = €79 632,03
2.Zeitwert des Geldes

Antwort: I = 2748 €

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 = 0,0025, N = 84
A = 25 000·0,0025/(1 − (1 + 0,0025)−84) = €330,33

Gesamtzinsen

I = N·A − P = 84·330,3 − 25 000 = €2 747,93

Antwort

I = €2 747,93
3.Kapitalwert & interner Zinsfuß

Antwort: NPV = 2133 €

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 = −60 000
CF1/(1 + 0,12)1 = 12 000/1,12 = 10 714,29
CF2/(1 + 0,12)2 = 27 000/1,254 = 21 524,23
CF3/(1 + 0,12)3 = 17 000/1,405 = 12 100,26
CF4/(1 + 0,12)4 = 28 000/1,574 = 17 794,51

Addieren

NPV = €2 133,29

Antwort

NPV = €2 133,29

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

4.Kapitalwert & interner Zinsfuß

Antwort: MIRR = 16,64 %

Modifizierter interner Zinsfuß: Zinse jede Einzahlung mit dem Wiederanlagezins (meist den Kapitalkosten) bis zum Projektende auf, um den Endwert TV zu erhalten. Der MIRR ist der Zinssatz, der die Anfangsinvestition in TV überführt: MIRR = (TV/C₀)^(1/n) − 1.

Endwert der Einzahlungen

11 500·1,063 = 13 696,68
11 500·1,062 = 12 921,40
11 000·1,061 = 11 660,00
8 000·1,060 = 8 000,00
TV = 46 278,08

MIRR

MIRR = (46 278,08/25 000)1/4 − 1 = 16,64%

Antwort

MIRR = 16,64%
5.Anleihekurs & Rendite

Antwort: P = 859,2 €

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 = €25,00, i = 0,04, N = 12

Barwert der Kupons

€25,00·(1 − 0,6246)/0,04 = €234,63

Barwert des Nennwerts

€1 000·0,6246 = €624,60

Kurs

P = €859,22

Antwort

P = €859,22

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

6.Anleihekurs & Rendite

Antwort: YTM = 8,568 %

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 = €70·(1 − (1 + y)⁻³)/y + €1 000/(1 + y)³

Numerisch lösen

P(8%) = €974,23, P(9%) = €949,37
YTM = 8,568%

Antwort

YTM = 8,568%
7.CAPM & WACC

Antwort: WACC = 6,969 %

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 + 2 000 000 + 6 000 000 = €18 000 000
E/V = 0,5556, Ps/V = 0,1111, D/V = 0,3333

WACC

WACC = 0,5556·9% + 0,1111·8% + 0,3333·4,5%·(1 − 0,28) = 6,969%

Antwort

WACC = 6,969%
8.CAPM & WACC

Antwort: WACC = 12,2 %

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 = 2 500 000·€16,50 = €41 250 000
D = 10 000·€1 000 = €10 000 000

Eigenkapitalkosten (CAPM)

re = 2,5% + 1,8·6,5% = 14,2%

Gewichte

V = €51 250 000, E/V = 0,8049, D/V = 0,1951

WACC

WACC = 0,8049·14,2% + 0,1951·5%·(1 − 0,21) = 12,2%

Antwort

WACC = 12,2%
9.Beschreibende Statistik

Antwort: s = 19,27

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 = 239/6 = 39,83

Quadrierte Abweichungen

Σ(x − x̄)² = (−13,83)² + 18,17² + (−0,8333)² + 6,167² + 20,17² + (−29,83)² = 1857

Standardabweichung

s = √(1857/5) = 19,27

Antwort

s = 19,27
10.Beschreibende Statistik

Antwort: z = 1,25

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.

Standardisieren

z = (62,5 − 50)/10 = 1,25

Antwort

z = 1,25
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 = 0,001225

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) = 8·0,71·0,37 = 8·0,7·0,0002187 = 0,001225

Antwort

P = 0,001225
13.Normalverteilung

Antwort: P = 0,2119

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 = (110,1 − 105)/6,403 = 0,8

Oberer Rand

P = 1 − Φ(0,8) = 1 − 0,7881 = 0,2119

Antwort

P = 0,2119
14.Normalverteilung

Antwort: x = 258,2 g

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) = 0,95 → z = 1,645

Zurück zu x

x = 250 + 1,645·5 = 258,22 g

Antwort

x = 258,22 g
15.Konfidenzintervalle

Antwort: obere Grenze = 38,19

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 = 14, t = 2,977

Fehlermarge

E = 2,977·10/√15 = 7,687

Intervall

30,5 ± 7,687 → [22,81, 38,19]

Antwort

obere Grenze = 38,19
16.Konfidenzintervalle

Antwort: σ = 0,6844 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 = 19·0,9² = 15,39

Grenzen für σ²

15,39/32,852 = 0,4685
15,39/8,907 = 1,728

Grenze für σ

σ = √0,4685 = 0,6844 µm

Antwort

σ = 0,6844 µm

95-%-Intervall für σ: [0,6844, 1,314] µm.

17.Hypothesentests & Konfidenzintervalle

Antwort: z = 2,678

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 = √(17²/100 + 12²/80) = √4,69 = 2,166

Teststatistik

z = (95,5 − 89,7)/2,166 = 2,678

Antwort

z = 2,678

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

18.Hypothesentests & Konfidenzintervalle

Antwort: n = 89

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 = (1,96·12/2,5)² = 88,51

Aufrunden

n = 89

Antwort

n = 89
19.Lineare Regression und Korrelation

Antwort: r = 0,9951

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 = 115/5 = 23
ȳ = 593/5 = 118,6

Quadrat- und Produktsummen

Sxx = Σ(x − x̄)² = 90
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 471
Syy = Σ(y − ȳ)² = 2489

Korrelationskoeffizient

r = 471/√(90·2489) = 0,9951

Antwort

r = 0,9951
20.Lineare Regression und Korrelation

Antwort: ŷ = 20,83

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 = 21/6 = 3,5
ȳ = 125/6 = 20,83

Quadrat- und Produktsummen

Sxx = Σ(x − x̄)² = 17,5
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = −34,5

Regressionsgerade

b = −34,5/17,5 = −1,971
a = 20,83 − (−1,971)·3,5 = 27,73
ŷ = 27,73 − 1,971·x

Vorhersage

ŷ = 27,73 + (−1,971)·3,5 = 20,83

Antwort

ŷ = 20,83

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