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…10PV = ?€25 000

Du brauchst €25 000 in 10 Jahren. Ein Konto bringt 3 % pro Jahr bei vierteljährlicher Verzinsung. Wie viel musst du heute einzahlen? Bestimme den Barwert PV.

FV = €25 0003% / 4n = 10
PV = €
2.Zeitwert des GeldesSchwer
Monate0123…228€150€150€150FV = ?

Du sparst 19 Jahre lang am Ende jedes Monats €150. Das Konto bringt 6 % pro Jahr bei monatlicher Verzinsung. Wie viel hast du am Ende gespart? Bestimme FV.

A = €1506% / 12N = 228
FV = €
3.Kapitalwert & interner ZinsfußMittel
Jahre0123−20 0009 0006 0008 000

Eine Investition von €20 000 bringt am Ende der Jahre 1 bis 3 diese Zahlungen: €9 000, €6 000, €8 000. Die Kapitalkosten betragen 12 %. Bestimme den Kapitalwert NPV.

r = 12%CF0 = −20 000CF1 = 9 000CF2 = 6 000CF3 = 8 000
NPV = €
4.Kapitalwert & interner ZinsfußSchwer
Jahre0123−10 0004 5005 0004 500

Ein Projekt kostet €10 000 und bringt am Ende der Jahre 1 bis 3 €4 500, €5 000, €4 500. Bestimme seinen internen Zinsfuß IRR in Prozent.

CF0 = −10 000CF1 = 4 500CF2 = 5 000CF3 = 4 500
IRR = %
5.Anleihekurs & RenditeMittel
Jahre01234567P€60€60€60 + €1 000

Eine Anleihe mit einem Nennwert von €1 000 zahlt einen jährlichen Kupon von 6% und wird in 7 Jahren fällig. Ihre Rendite bis zur Fälligkeit ändert sich von 4% auf 6%. Um wie viel ΔP ändert sich der Anleihekurs?

F = €1 000Kuponsatz = 6%n = 7y1 = 4%y2 = 6%
ΔP = €
6.Anleihekurs & RenditeSchwer
Jahre01234€920€70€70 + €1 000

Eine Anleihe mit einem Nennwert von €1 000 und einem jährlichen Kupon von 7% wird in 4 Jahren fällig und kostet €920. Bestimme ihre Rendite bis zur Fälligkeit YTM in Prozent.

F = €1 000Kuponsatz = 7%n = 4P = €920
YTM = %
7.CAPM & WACCMittel
WACC = ?Eigenkapital€2 000 000re​ = 12%Fremdkapital€4 000 000rd​ = 7%T = 25,8%

Ein Unternehmen hat Eigenkapital im Wert von €2 000 000 und Fremdkapital im Wert von €4 000 000. Seine Eigenkapitalkosten betragen 12%, seine Fremdkapitalkosten vor Steuern 7% und der Steuersatz 25,8%. Bestimme den WACC.

E = €2 000 000D = €4 000 000re = 12%rd = 7%T = 25,8%
WACC = %
8.CAPM & WACCSchwer
WACC = ?Eigenkapital1 000 000 × €42,00β = 1,1rf​ = 2,5%, rm​ = 7,5%Fremdkapital5 000 × €1 000rd​ = 4,5%T = 21%

Ein Unternehmen hat 1 000 000 Aktien zu je €42,00 und 5 000 Anleihen mit einem Kurs von je €1 000. Die Fremdkapitalkosten vor Steuern betragen 4,5% und der Steuersatz 21%. Das Beta der Aktie ist 1,1, der risikofreie Zinssatz 2,5% und die Marktrendite 7,5%. Bestimme den WACC.

β = 1,1rf = 2,5%rm = 7,5%rd = 4,5%T = 21%
WACC = %
9.Beschreibende StatistikMittel
10152025303540455055

Bestimme die Stichproben-Standardabweichung s der Daten: 44, 57, 10, 53, 19, 27, 51.

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

Eine Größe ist normalverteilt mit Mittelwert 60 und Standardabweichung 10. Welcher Anteil P der Werte liegt unter 72,5?

μ = 60σ = 10x = 72,5
P =
11.WahrscheinlichkeitMittel
n = 10k = 4N = ?

Auf wie viele Arten N kann ein Ausschuss von 4 Personen aus einer Gruppe von 10 gewählt werden? Die Reihenfolge spielt keine Rolle.

n = 10k = 4
N =
12.WahrscheinlichkeitSchwer
€p(x)−100,68100,34900,02

Ein Spiel kostet €10 Einsatz. Du gewinnst €20 mit der Wahrscheinlichkeit 0,3 und €500 mit der Wahrscheinlichkeit 0,02; sonst gewinnst du nichts. Der Einsatz wird nicht zurückgegeben. Bestimme den erwarteten Nettogewinn E(G) pro Spiel.

Einsatz = €10€20: p = 0,3€500: p = 0,02
E(G) = €
13.NormalverteilungMittel
240252,5P = ?

Die Gewichte von Beuteln sind normalverteilt mit dem Mittelwert 250 g und der Standardabweichung 5 g. Welcher Anteil liegt zwischen 240 und 252,5 g? Gib P als Dezimalzahl an.

μ = 250σ = 5x1 = 240x2 = 252,5
P =
14.NormalverteilungSchwer
μ = 65x = ?75%

Die Prüfungsergebnisse sind normalverteilt mit dem Mittelwert 65 Punkte und der Standardabweichung 10 Punkte. Bestimme den Wert x, unter dem 75 % von ihnen liegen (das 75. Perzentil).

μ = 65σ = 10P = 75%
x = Punkte
15.KonfidenzintervalleMittel
n = 30, s = 18,5LU = ?x̄ = 55E99%

Eine Stichprobe von 30 Elementen hat den Mittelwert 55 und die Standardabweichung s = 18,5. Die Grundgesamtheit ist annähernd normalverteilt. Bestimme die obere Grenze des 99-%-Konfidenzintervalls für den Mittelwert.

n = 30x̄ = 55s = 18,599%t(29) = 2,756
obere Grenze =
16.KonfidenzintervalleSchwer
n = 11σ = ?Us = 1095%

Die Durchmesser von 11 gefertigten Wellen haben eine Stichprobenstandardabweichung von 10 µm. Bestimme unter der Annahme normalverteilter Durchmesser die untere Grenze σ des 95-%-Konfidenzintervalls für die Standardabweichung der Grundgesamtheit. Bei df = 10 liegen 2,5 % der χ²-Verteilung unter 3,247 und 2,5 % über 20,483.

n = 11s = 10 µmχ² = 3,247, 20,483
σ = µm
17.Hypothesentests & KonfidenzintervalleMittel
−1,72p = ?

Der Mittelwert einer Grundgesamtheit soll 500 betragen; die Standardabweichung der Grundgesamtheit ist bekanntermaßen 24. Eine Zufallsstichprobe von 36 Beobachtungen hat den Mittelwert 493,12. Teste H₀: μ = 500 gegen H₁: μ < 500. Bestimme den p-Wert p.

μ₀ = 500σ = 24n = 36x̄ = 493,12H₁: μ < μ₀
p =
18.Hypothesentests & KonfidenzintervalleSchwer
σ = 10, n = ?x̄ − Ex̄ + Ex̄E = 395%

Wie groß muss eine Stichprobe sein, damit das 95-%-Konfidenzintervall für einen Mittelwert eine Fehlermarge von höchstens 3 hat? Die Standardabweichung ist 10. Bestimme den kleinsten Stichprobenumfang n.

σ = 10E = 395%
n =
19.Lineare Regression und KorrelationMittel
xy123221320413511xy241520

Die Tabelle enthält 5 Wertepaare von x = Fahrzeugalter in Jahren und y = Preis in k€. Bestimme den Korrelationskoeffizienten nach Pearson r.

n = 5
r =
20.Lineare Regression und KorrelationSchwer
xy128222320420518xy242025x = 1,5

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 = 1,5 voraus.

n = 5x = 1,5
ŷ =

3Lösungen

1.Zeitwert des Geldes

Antwort: PV = 18541 €

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 = 0,03/4 = 0,0075
N = 4·10 = 40

Barwert

PV = FV/(1 + i)N = 25 000/1,348 = €18 541,20

Antwort

PV = €18 541,20
2.Zeitwert des Geldes

Antwort: FV = 63537 €

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 = 0,06/12 = 0,005
N = 12·19 = 228

Endwert der Einzahlungen

FV = A·((1 + i)N − 1)/i = 150·(3,118 − 1)/0,005 = €63 536,98

Antwort

FV = €63 536,98

Du hast selbst €34 200 eingezahlt; der Rest sind Zinsen.

3.Kapitalwert & interner Zinsfuß

Antwort: NPV = −1487 €

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 = −20 000
CF1/(1 + 0,12)1 = 9 000/1,12 = 8 035,71
CF2/(1 + 0,12)2 = 6 000/1,254 = 4 783,16
CF3/(1 + 0,12)3 = 8 000/1,405 = 5 694,24

Addieren

NPV = €−1 486,88

Antwort

NPV = €−1 486,88

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

4.Kapitalwert & interner Zinsfuß

Antwort: IRR = 18,89 %

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(15%) = 652,58
NPV(20%) = −173,61

Eingrenzen

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

IRR ≈ 15 + 5·652,58/(652,58 − (−173,61)) = 18,95%
exakt: NPV(18,89%) = 0 → IRR = 18,89%

Antwort

IRR = 18,89%
5.Anleihekurs & Rendite

Antwort: ΔP = −120 €

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 = €60,00, i = 0,04, N = 7
€60,00·(1 − 0,7599)/0,04 + €1 000·0,7599 = €360,12 + €759,92 = €1 120,04

Kurs bei der neuen Rendite

C = €60,00, i = 0,06, N = 7
€60,00·(1 − 0,6651)/0,06 + €1 000·0,6651 = €334,94 + €665,06 = €1 000,00

Änderung

ΔP = 1 000,00 − 1 120,04 = −€120,04

Antwort

ΔP = −€120,04
6.Anleihekurs & Rendite

Antwort: YTM = 9,496 %

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

€920 = €70·(1 − (1 + y)⁻⁴)/y + €1 000/(1 + y)⁴

Numerisch lösen

P(9%) = €935,21, P(10%) = €904,90
YTM = 9,496%

Antwort

YTM = 9,496%
7.CAPM & WACC

Antwort: WACC = 7,463 %

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 = €6 000 000, E/V = 0,3333, D/V = 0,6667

WACC

WACC = 0,3333·12% + 0,6667·7%·(1 − 0,258) = 7,463%

Antwort

WACC = 7,463%
8.CAPM & WACC

Antwort: WACC = 7,527 %

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 = 1 000 000·€42,00 = €42 000 000
D = 5 000·€1 000 = €5 000 000

Eigenkapitalkosten (CAPM)

re = 2,5% + 1,1·5% = 8%

Gewichte

V = €47 000 000, E/V = 0,8936, D/V = 0,1064

WACC

WACC = 0,8936·8% + 0,1064·4,5%·(1 − 0,21) = 7,527%

Antwort

WACC = 7,527%
9.Beschreibende Statistik

Antwort: s = 18,5

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 = 261/7 = 37,29

Quadrierte Abweichungen

Σ(x − x̄)² = 6,714² + 19,71² + (−27,29)² + 15,71² + (−18,29)² + (−10,29)² + 13,71² = 2053

Standardabweichung

s = √(2053/6) = 18,5

Antwort

s = 18,5
10.Beschreibende Statistik

Antwort: P = 0,8944

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 = 1,25

Standardnormalverteilungstabelle

Φ(1,25) = 0,8944
P = 0,8944

Antwort

P = 0,8944
11.Wahrscheinlichkeit

Antwort: N = 210

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(10, 4) = (10·9·8·7)/(4·3·2·1) = 210

Antwort

N = 210
12.Wahrscheinlichkeit

Antwort: E(G) = 6 €

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.

Nettoergebnisse

G: 10 (p = 0,3), 490 (p = 0,02), −10 (p = 0,68)

Erwartungswert

E(G) = 10·0,3 + 490·0,02 − 10·0,68 = 6 €

Antwort

E(G) = 6 €

Ein positiver Wert bedeutet, dass du im Durchschnitt Geld gewinnst.

13.Normalverteilung

Antwort: P = 0,6687

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 = (240 − 250)/5 = −2
z₂ = (252,5 − 250)/5 = 0,5

Fläche dazwischen

P = Φ(0,5) − Φ(−2) = 0,6915 − 0,02275 = 0,6687

Antwort

P = 0,6687
14.Normalverteilung

Antwort: x = 71,75 Punkte

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) = 0,75 → z = 0,6745

Zurück zu x

x = 65 + 0,6745·10 = 71,75 Punkte

Antwort

x = 71,75 Punkte
15.Konfidenzintervalle

Antwort: obere Grenze = 64,31

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 = 29, t = 2,756

Fehlermarge

E = 2,756·18,5/√30 = 9,309

Intervall

55 ± 9,309 → [45,69, 64,31]

Antwort

obere Grenze = 64,31
16.Konfidenzintervalle

Antwort: σ = 6,987 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 = 10·10² = 1000

Grenzen für σ²

1000/20,483 = 48,82
1000/3,247 = 308

Grenze für σ

σ = √48,82 = 6,987 µm

Antwort

σ = 6,987 µm

95-%-Intervall für σ: [6,987, 17,55] µm.

17.Hypothesentests & Konfidenzintervalle

Antwort: p = 0,04272

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.

Teststatistik

SE = σ/√n = 24/√36 = 4
z = (493,12 − 500)/4 = −1,72

Endfläche

Φ(1,72) = 0,9573
1 − Φ(1,72) = 0,0427

p-Wert

p = 0,04272

Antwort

p = 0,04272

p ≤ 0,05, also wird H₀ auf dem 5-%-Niveau verworfen.

18.Hypothesentests & Konfidenzintervalle

Antwort: n = 43

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 = (1,96·10/3)² = 42,68

Aufrunden

n = 43

Antwort

n = 43
19.Lineare Regression und Korrelation

Antwort: r = −0,9596

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 = 88/5 = 17,6

Quadrat- und Produktsummen

Sxx = Σ(x − x̄)² = 10
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = −32
Syy = Σ(y − ȳ)² = 111,2

Korrelationskoeffizient

r = −32/√(10·111,2) = −0,9596

Antwort

r = −0,9596
20.Lineare Regression und Korrelation

Antwort: ŷ = 24,9

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 = 108/5 = 21,6

Quadrat- und Produktsummen

Sxx = Σ(x − x̄)² = 10
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = −22

Regressionsgerade

b = −22/10 = −2,2
a = 21,6 − (−2,2)·3 = 28,2
ŷ = 28,2 − 2,2·x

Vorhersage

ŷ = 28,2 + (−2,2)·1,5 = 24,9

Antwort

ŷ = 24,9

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