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€5 000FV = ?

Du legst €5 000 zu 8 % pro Jahr bei stetiger Verzinsung an. Bestimme den Wert FV nach 3 Jahren.

PV = €5 000r = 8%t = 3
FV = €
2.Zeitwert des GeldesSchwer
Monate0123…36€12 000A?AAA

Ein Darlehen von €12 000 wird über 3 Jahre in gleichen Monatsraten zurückgezahlt. Der Zinssatz beträgt 4,2 % pro Jahr bei monatlicher Verzinsung. Bestimme die Monatsrate A.

P = €12 0004,2% / 12N = 36
A = €
3.Kapitalwert & interner ZinsfußMittel
Jahre0123−30 0009 00012 00015 000

Eine Investition von €30 000 bringt am Ende der Jahre 1 bis 3 diese Zahlungen: €9 000, €12 000, €15 000. Die Kapitalkosten betragen 8 %. Bestimme den Kapitalwert NPV.

r = 8%CF0 = −30 000CF1 = 9 000CF2 = 12 000CF3 = 15 000
NPV = €
4.Kapitalwert & interner ZinsfußSchwer
Jahre0123−50 00029 50035 50026 000

Ein Projekt kostet €50 000 und bringt am Ende der Jahre 1 bis 3 €29 500, €35 500, €26 000. Bestimme seinen internen Zinsfuß IRR in Prozent.

CF0 = −50 000CF1 = 29 500CF2 = 35 500CF3 = 26 000
IRR = %
5.Anleihekurs & RenditeMittel

Du kaufst eine Anleihe mit 8 Jahren Restlaufzeit (Nennwert €1 000, jährlicher Kupon 6%), wenn ihre Rendite bis zur Fälligkeit 2,5% beträgt. Ein Jahr später, direkt nach Erhalt des ersten Kupons, verkaufst du sie bei einer Rendite bis zur Fälligkeit von 2%. Bestimme deine Haltedauerrendite HPR in Prozent.

F = €1 000Kuponsatz = 6%n = 8y0 = 2,5%y1 = 2%
HPR = %
6.Anleihekurs & RenditeSchwer
Jahre012345P€70€70€70 + €1 000

Eine Anleihe mit einem Nennwert von €1 000 zahlt einen jährlichen Kupon von 7% und wird in 5 Jahren fällig. Die Rendite bis zur Fälligkeit beträgt 8%. Bestimme die Macaulay-Duration D in Jahren.

F = €1 000Kuponsatz = 7%n = 5YTM = 8%
D = Jahre
7.CAPM & WACCMittel
WACC = ?Eigenkapital€3 000 000re​ = 13%Fremdkapital€4 000 000rd​ = 6%T = 30%

Ein Unternehmen hat Eigenkapital im Wert von €3 000 000 und Fremdkapital im Wert von €4 000 000. Seine Eigenkapitalkosten betragen 13%, seine Fremdkapitalkosten vor Steuern 6% und der Steuersatz 30%. Bestimme den WACC.

E = €3 000 000D = €4 000 000re = 13%rd = 6%T = 30%
WACC = %
8.CAPM & WACCSchwer
WACC = ?Eigenkapital5 000 000 × €17,50β = 0,8rf​ = 3%, rm​ = 7%Fremdkapital40 000 × €980rd​ = 5%T = 28%

Ein Unternehmen hat 5 000 000 Aktien zu je €17,50 und 40 000 Anleihen mit einem Kurs von je €980. Die Fremdkapitalkosten vor Steuern betragen 5% und der Steuersatz 28%. Das Beta der Aktie ist 0,8, der risikofreie Zinssatz 3% und die Marktrendite 7%. Bestimme den WACC.

β = 0,8rf = 3%rm = 7%rd = 5%T = 28%
WACC = %
9.Beschreibende StatistikMittel
25303540455055

Bestimme die Stichproben-Standardabweichung s der Daten: 26, 38, 43, 37, 31, 55, 23.

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

Prüfungsergebnisse sind normalverteilt mit Mittelwert 500 und Standardabweichung 40. Bestimme den z-Wert z eines Ergebnisses von 452.

μ = 500σ = 40x = 452
z =
11.WahrscheinlichkeitMittel
P(mindestens eine Sechs) = ??1?2?3?4?5?6?7?8P(Sechs) = 1/6 bei jedem Wurf

Ein fairer Würfel wird 8-mal geworfen. Wie groß ist die Wahrscheinlichkeit P, mindestens eine Sechs zu würfeln?

n = 8
P =
12.WahrscheinlichkeitSchwer
n = 9, p = 0,4: P(X = 2) = ?k0123456789

Ein Test hat 9 Multiple-Choice-Fragen. Eine Studentin, die rät, beantwortet jede unabhängig mit Wahrscheinlichkeit 0,4 richtig. Wie groß ist die Wahrscheinlichkeit P für genau 2 richtige Antworten?

n = 9p = 0,4k = 2
P =
13.NormalverteilungMittel
−3−2−10123zschattierte Fläche zwischen −z und z = 0,6778

Ziehe z so, dass die schattierte Fläche zwischen −z und z unter der Standardnormalverteilung gleich 0,6778 ist. Bestimme z auf zwei Nachkommastellen.

A = 0,6778
z =
14.NormalverteilungSchwer
380420460500540580620hunten 5%

Die Lebensdauern von Batterien sind normalverteilt mit dem Mittelwert 500 h und der Standardabweichung 40 h. Ziehe die Grenze so, dass die schattierten unteren 5 % links davon liegen. Bestimme die Grenze x.

μ = 500 hσ = 40 h5%
x = h
15.KonfidenzintervalleMittel
x̄E₁ = 5,590%, n = 36x̄E₂ = ?95%, n = 36

Ein 90-%-Konfidenzintervall für einen Mittelwert, basierend auf 36 Beobachtungen und bekanntem σ, hat eine Fehlermarge von 5,5. Wie groß ist die Fehlermarge E₂ eines 95-%-Intervalls aus denselben Daten?

90%n₁ = 36E₁ = 5,595%
E₂ =
16.KonfidenzintervalleSchwer
σ = 26, n = ?x̄ − Ex̄ + Ex̄E = 1,595%

Die Standardabweichung der Grundgesamtheit ist 26. Wie groß muss die Stichprobe n sein, damit ein 95-%-Konfidenzintervall für den Mittelwert eine Fehlermarge von höchstens 1,5 hat?

σ = 26E = 1,595%
n =
17.Hypothesentests & KonfidenzintervalleMittel
t −1,98401,984

Eine Stichprobe von 100 Studierenden hat einen mittleren Punktwert von 100,5 und eine Stichproben-Standardabweichung von 4. Bestimme die Teststatistik t für H₀: μ = 100.

μ₀ = 100x̄ = 100,5s = 4n = 100
t =
18.Hypothesentests & KonfidenzintervalleSchwer
z −1,64501,645

Eine Stichprobe von 64 Messungen hat den Mittelwert 101,6. Die Standardabweichung der Grundgesamtheit ist 5. Bestimme die obere Grenze U des 90-%-Konfidenzintervalls für den Mittelwert.

x̄ = 101,6σ = 5n = 6490%
U =
19.Lineare Regression und KorrelationMittel
xy24445366386610751289xy5106080

Die Tabelle enthält 6 Wertepaare von x = Werbeausgaben in k€ und y = Umsatz in k€. Ihre Summen sind gegeben. Bestimme daraus den Korrelationskoeffizienten nach Pearson r.

n = 6Σx = 42Σy = 390Σx² = 364Σy² = 26616Σxy = 3024
r =
20.Lineare Regression und KorrelationSchwer
xy22466108141014xy51051015x = 9

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. Sage ŷ für x = 9 voraus.

n = 5x = 9
ŷ =

3Lösungen

1.Zeitwert des Geldes

Antwort: FV = 6356 €

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 = 0,08·3 = 0,24
e0,24 = 1,271

Endwert

FV = 5 000·1,271 = €6 356,25

Antwort

FV = €6 356,25
2.Zeitwert des Geldes

Antwort: A = 355,4 €

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 Raten

i = 0,042/12 = 0,0035
N = 12·3 = 36

Rate

Der Barwert von N gleichen Raten A ist A·(1 − (1 + i)⁻ᴺ)/i. Setze ihn gleich dem Darlehen und löse nach A auf.

(1 + i)−N = 0,8818
A = 12 000·0,0035/(1 − 0,8818) = €355,36

Antwort

A = €355,36
3.Kapitalwert & interner Zinsfuß

Antwort: NPV = 528,9 €

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 + 0,08)1 = 9 000/1,08 = 8 333,33
CF2/(1 + 0,08)2 = 12 000/1,166 = 10 288,07
CF3/(1 + 0,08)3 = 15 000/1,26 = 11 907,48

Addieren

NPV = €528,88

Antwort

NPV = €528,88

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

4.Kapitalwert & interner Zinsfuß

Antwort: IRR = 37,86 %

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(35%) = 1 898,08
NPV(40%) = −1 341,11

Eingrenzen

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

IRR ≈ 35 + 5·1 898,08/(1 898,08 − (−1 341,11)) = 37,93%
exakt: NPV(37,86%) = 0 → IRR = 37,86%

Antwort

IRR = 37,86%
5.Anleihekurs & Rendite

Antwort: HPR = 5,43 %

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.

Kaufpreis

C = €60,00, i = 0,025, N = 8
€60,00·(1 − 0,8207)/0,025 + €1 000·0,8207 = €430,21 + €820,75 = €1 250,95

Verkaufspreis

C = €60,00, i = 0,02, N = 7
€60,00·(1 − 0,8706)/0,02 + €1 000·0,8706 = €388,32 + €870,56 = €1 258,88

Haltedauerrendite

HPR = (60 + 1 258,88 − 1 250,95)/1 250,95 = 5,43%

Antwort

HPR = 5,43%
6.Anleihekurs & Rendite

Antwort: D = 4,373 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: 70/1,08 = 64,81, t·PV = 64,81
t = 2: 70/1,166 = 60,01, t·PV = 120,03
t = 3: 70/1,26 = 55,57, t·PV = 166,70
t = 4: 70/1,36 = 51,45, t·PV = 205,81
t = 5: 1070/1,469 = 728,22, t·PV = 3 641,12

Duration

P = 960,07
D = 4 198,48/960,07 = 4,373

Antwort

D = 4,373 Jahre
7.CAPM & WACC

Antwort: WACC = 7,971 %

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 = €7 000 000, E/V = 0,4286, D/V = 0,5714

WACC

WACC = 0,4286·13% + 0,5714·6%·(1 − 0,3) = 7,971%

Antwort

WACC = 7,971%
8.CAPM & WACC

Antwort: WACC = 5,396 %

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 = 5 000 000·€17,50 = €87 500 000
D = 40 000·€980 = €39 200 000

Eigenkapitalkosten (CAPM)

re = 3% + 0,8·4% = 6,2%

Gewichte

V = €126 700 000, E/V = 0,6906, D/V = 0,3094

WACC

WACC = 0,6906·6,2% + 0,3094·5%·(1 − 0,28) = 5,396%

Antwort

WACC = 5,396%
9.Beschreibende Statistik

Antwort: s = 10,87

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 = 253/7 = 36,14

Quadrierte Abweichungen

Σ(x − x̄)² = (−10,14)² + 1,857² + 6,857² + 0,8571² + (−5,143)² + 18,86² + (−13,14)² = 708,9

Standardabweichung

s = √(708,9/6) = 10,87

Antwort

s = 10,87
10.Beschreibende Statistik

Antwort: z = −1,2

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 = (452 − 500)/40 = −1,2

Antwort

z = −1,2
11.Wahrscheinlichkeit

Antwort: P = 0,7674

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)8 = 0,2326
P = 1 − 0,2326 = 0,7674

Antwort

P = 0,7674
12.Wahrscheinlichkeit

Antwort: P = 0,1612

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 = 2) = 36·0,42·0,67 = 36·0,16·0,02799 = 0,1612

Antwort

P = 0,1612
13.Normalverteilung

Antwort: z = 0,99

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 + 0,6778)/2 = 0,8389

Die z-Tabelle rückwärts lesen

Finde 0,8389 in der Tabelle und lies z ab.

z = 0,99

Antwort

z = 0,99
14.Normalverteilung

Antwort: x = 434 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) = 0,05

z aus der Tabelle

z ≈ −1,64

Zurück zu den ursprünglichen Einheiten

x = 500 − 1,64·40 = 434 h

Antwort

x = 434 h
15.Konfidenzintervalle

Antwort: E₂ = 6,553

Confidence interval for a mean: x̄ ± margin of error. With a known population σ the margin is z·σ/√n; with only the sample standard deviation s, use t with n − 1 degrees of freedom: t·s/√n. Critical values: z = 1,645 (90%), 1,96 (95%), 2,576 (99%). To get a margin E or smaller, you need n ≥ (z·σ/E)², rounded up.

Verhältnis der Fehlermargen

E₂/E₁ = (1,96/1,645)·√(36/36) = 1,191

Neue Fehlermarge

E₂ = 5,5·1,191 = 6,553

Antwort

E₂ = 6,553
16.Konfidenzintervalle

Antwort: n = 1155

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 = (1,96·26/1,5)² = 1154

Aufrunden

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

n = 1155

Antwort

n = 1155
17.Hypothesentests & Konfidenzintervalle

Antwort: t = 1,25

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 = 4/√100 = 4/10 = 0,4

Teststatistik

t = (100,5 − 100)/0,4 = 1,25

Antwort

t = 1,25
t0,025; df = 99 = 1,984

|t| < 1.984, also wird H₀ auf dem 5-%-Niveau (zweiseitig) nicht verworfen.

18.Hypothesentests & Konfidenzintervalle

Antwort: U = 102,6

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 = 1,645·5/√64 = 1,028

Intervallgrenze

U = 101,6 + 1,028 = 102,6

Antwort

U = 102,6
19.Lineare Regression und Korrelation

Antwort: r = 0,9876

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 = 3024 − 42·390/6 = 294
Sxx = 364 − 42²/6 = 70
Syy = 26616 − 390²/6 = 1266

Korrelationskoeffizient

r = 294/√(70·1266) = 0,9876

Antwort

r = 0,9876
20.Lineare Regression und Korrelation

Antwort: ŷ = 14

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 = 46/5 = 9,2

Quadrat- und Produktsummen

Sxx = Σ(x − x̄)² = 40
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 64

Regressionsgerade

b = 64/40 = 1,6
a = 9,2 − 1,6·6 = −0,4
ŷ = −0,4 + 1,6·x

Vorhersage

ŷ = −0,4 + 1,6·9 = 14

Antwort

ŷ = 14

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