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
Jahre0123456€12 000FV = ?

Du legst €12 000 zu einem Nominalzins von 3 % pro Jahr mit monatlicher Verzinsung an. Bestimme den Wert FV der Anlage nach 6 Jahren.

PV = €12 0003% / 12n = 6
FV = €
2.Zeitwert des GeldesSchwer
Monate01…144…300€300 000AB = ?A4,8% / 12

Eine Hypothek von €300 000 wird über 25 Jahre mit gleichen Monatsraten bei 4,8 % pro Jahr und monatlicher Verzinsung getilgt. Wie viel ist direkt nach der Rate am Ende von Jahr 12 noch geschuldet? Bestimme die Restschuld B.

P = €300 0004,8% / 12N = 300k = 144
B = €
3.Kapitalwert & interner ZinsfußMittel
Jahre0123…9−400 00043 000+1%+1%…r = 10%, NPV = ?

Ein Projekt kostet heute €400 000. Es erwirtschaftet am Ende des ersten Jahres €43 000, danach wächst der Zahlungsüberschuss für immer um 1 % pro Jahr. Die Kapitalkosten betragen 10 %. Bestimme den Kapitalwert NPV.

C0 = €400 000CF1 = €43 000g = 1%r = 10%
NPV = €
4.Kapitalwert & interner ZinsfußSchwer
Jahre0123…9−200 00020 000+3%+3%+3%r = 8%, NPV = ?

Ein Projekt kostet heute €200 000. Seine Zahlung beträgt €20 000 am Ende von Jahr 1 und wächst um 3 % pro Jahr bis zur letzten Zahlung am Ende von Jahr 9. Die Kapitalkosten betragen 8 %. Bestimme den Kapitalwert NPV.

C0 = €200 000CF1 = €20 000g = 3%n = 9r = 8%
NPV = €
5.Anleihekurs & RenditeMittel

Du kaufst eine Anleihe mit 7 Jahren Restlaufzeit (Nennwert €1 000, jährlicher Kupon 3%), wenn ihre Rendite bis zur Fälligkeit 5,5% beträgt. Ein Jahr später, direkt nach Erhalt des ersten Kupons, verkaufst du sie bei einer Rendite bis zur Fälligkeit von 4,5%. Bestimme deine Haltedauerrendite HPR in Prozent.

F = €1 000Kuponsatz = 3%n = 7y0 = 5,5%y1 = 4,5%
HPR = %
6.Anleihekurs & RenditeSchwer
Jahre0123456€1 075€80€80 + €1 000

Eine Anleihe mit einem Nennwert von €1 000 und einem jährlichen Kupon von 8% wird in 6 Jahren fällig und kostet €1 075. Bestimme ihre Rendite bis zur Fälligkeit YTM in Prozent.

F = €1 000Kuponsatz = 8%n = 6P = €1 075
YTM = %
7.CAPM & WACCMittel
WACC = ?Stammaktien€4 000 000re​ = 12%Vorzugsaktien€2 000 000rp​ = 6,5%Fremdkapital€3 000 000rd​ = 4%T = 20%

Ein Unternehmen ist finanziert mit Stammaktien im Wert von €4 000 000, Vorzugsaktien im Wert von €2 000 000 und Fremdkapital im Wert von €3 000 000. Die Eigenkapitalkosten betragen 12%, die Kosten der Vorzugsaktien 6,5% und die Fremdkapitalkosten vor Steuern 4%. Der Steuersatz beträgt 20%. Bestimme den WACC.

E = €4 000 000Ps = €2 000 000D = €3 000 000re = 12%rp = 6,5%rd = 4%T = 20%
WACC = %
8.CAPM & WACCSchwer
WACC = ?Eigenkapital2 500 000 × €55,50β = 1,2rf​ = 4%, rm​ = 10%Fremdkapital20 000 × €1 020rd​ = 5%T = 21%

Ein Unternehmen hat 2 500 000 Aktien zu je €55,50 und 20 000 Anleihen mit einem Kurs von je €1 020. Die Fremdkapitalkosten vor Steuern betragen 5% und der Steuersatz 21%. Das Beta der Aktie ist 1,2, der risikofreie Zinssatz 4% und die Marktrendite 10%. Bestimme den WACC.

β = 1,2rf = 4%rm = 10%rd = 5%T = 21%
WACC = %
9.Beschreibende StatistikMittel
3540455055

Bestimme die Stichproben-Standardabweichung s der Daten: 49, 44, 43, 35, 59, 58.

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

Prüfungsergebnisse sind normalverteilt mit Mittelwert 50 und Standardabweichung 15. Bestimme den z-Wert z eines Ergebnisses von 20.

μ = 50σ = 15x = 20
z =
11.WahrscheinlichkeitMittel
xp(x)00,1520,1540,3560,35μ = 3,8

Bestimme für die gezeigte Verteilung die Varianz Var(X) von X.

x: 0, 2, 4, 6p(x): 0,15, 0,15, 0,35, 0,35
Var(X) =
12.WahrscheinlichkeitSchwer
€p(x)−10,7440,25490,01

Ein Spiel kostet €1 Einsatz. Du gewinnst €5 mit der Wahrscheinlichkeit 0,25 und €50 mit der Wahrscheinlichkeit 0,01; sonst gewinnst du nichts. Der Einsatz wird nicht zurückgegeben. Bestimme den erwarteten Nettogewinn E(G) pro Spiel.

Einsatz = €1€5: p = 0,25€50: p = 0,01
E(G) = €
13.NormalverteilungMittel
100103P = ?

Die IQ-Werte sind normalverteilt mit dem Mittelwert 100 Punkte und der Standardabweichung 15 Punkte. Welcher Anteil liegt zwischen 100 und 103 Punkte? Gib P als Dezimalzahl an.

μ = 100σ = 15x1 = 100x2 = 103
P =
14.NormalverteilungSchwer
μ = 250x = ?20%

Die Gewichte von Beuteln sind normalverteilt mit dem Mittelwert 250 g und der Standardabweichung 5 g. Bestimme den Wert x, unter dem 20 % von ihnen liegen (das 20. Perzentil).

μ = 250σ = 5P = 20%
x = g
15.KonfidenzintervalleMittel
n = 8, s = 12,5LUx̄ = 22E = ?95%

Eine Stichprobe von 8 Elementen hat den Mittelwert 22 und die Standardabweichung s = 12,5. Die Grundgesamtheit ist annähernd normalverteilt. Bestimme die Fehlermarge E eines 95-%-Konfidenzintervalls für den Mittelwert.

n = 8x̄ = 22s = 12,595%t(7) = 2,365
E =
16.KonfidenzintervalleSchwer
n = 25σ = ?Us = 11,795%

Die Durchmesser von 25 gefertigten Wellen haben eine Stichprobenstandardabweichung von 11,7 µm. Bestimme unter der Annahme normalverteilter Durchmesser die untere Grenze σ des 95-%-Konfidenzintervalls für die Standardabweichung der Grundgesamtheit. Bei df = 24 liegen 2,5 % der χ²-Verteilung unter 12,401 und 2,5 % über 39,364.

n = 25s = 11,7 µmχ² = 12,401, 39,364
σ = µm
17.Hypothesentests & KonfidenzintervalleMittel
−2,3652,365t = ?df = 7

8 Mitarbeitende machen vor und nach einem Schulungskurs einen Schreibtest. Für jede Person wird die Differenz d = nachher − vorher (Wörter pro Minute) erfasst. Die mittlere Differenz beträgt 4,86 und die Standardabweichung der Differenzen 8,6. Bestimme die Teststatistik t des verbundenen Tests für H₀: μd = 0.

n = 8d̄ = 4,86sd = 8,6
t =
18.Hypothesentests & KonfidenzintervalleSchwer
z −1,64501,645

Eine Stichprobe von 81 Messungen hat den Mittelwert 99,9. Die Standardabweichung der Grundgesamtheit ist 4. Bestimme die untere Grenze L des 90-%-Konfidenzintervalls für den Mittelwert.

x̄ = 99,9σ = 4n = 8190%
L =
19.Lineare Regression und KorrelationMittel
xy125221318418513xy24152025

Die Tabelle enthält 5 Wertepaare von x = Fahrzeugalter in Jahren und y = Preis in k€. Bestimme das Bestimmtheitsmaß r² der Regressionsgeraden.

n = 5
r² =
20.Lineare Regression und KorrelationSchwer
xy127224324422522617xy2462025ŷ = 19

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. Für welchen Wert x sagt die Gerade ŷ = 19 voraus?

n = 6ŷ = 19
x =

3Lösungen

1.Zeitwert des Geldes

Antwort: FV = 14363 €

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 = r/m = 0,03/12 = 0,0025
N = m·n = 12·6 = 72

Endwert

FV = 12 000·(1 + 0,0025)72 = 12 000·1,197 = €14 363,38

Antwort

FV = €14 363,38
2.Zeitwert des Geldes

Antwort: B = 199203 €

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 = 0,004, N = 300
A = 300 000·0,004/(1 − (1 + 0,004)−300) = €1 718,99

Barwert der verbleibenden Raten

Was noch geschuldet wird, muss genau durch die verbleibenden Raten getilgt werden.

N − k = 300 − 144 = 156
B = 1719·(1 − (1 + 0,004)−156)/0,004 = €199 203,42

Antwort

B = €199 203,42
3.Kapitalwert & interner Zinsfuß

Antwort: NPV = 77778 €

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.

Wert der Zahlungen

PV = 43 000/(0,1 − 0,01) = 477 777,78

NPV

NPV = 477 777,78 − 400 000 = €77 777,78

Antwort

NPV = €77 777,78

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

4.Kapitalwert & interner Zinsfuß

Antwort: NPV = −61085 €

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 der wachsenden Rente

((1,03)/(1,08))9 = 0,6527
PV = 20 000/(0,08 − 0,03)·(1 − 0,6527) = 138 915,42

NPV

NPV = 138 915,42 − 200 000 = −€61 084,58

Antwort

NPV = −€61 084,58

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

5.Anleihekurs & Rendite

Antwort: HPR = 11,04 %

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 = €30,00, i = 0,055, N = 7
€30,00·(1 − 0,6874)/0,055 + €1 000·0,6874 = €170,49 + €687,44 = €857,93

Verkaufspreis

C = €30,00, i = 0,045, N = 6
€30,00·(1 − 0,7679)/0,045 + €1 000·0,7679 = €154,74 + €767,90 = €922,63

Haltedauerrendite

HPR = (30 + 922,63 − 857,93)/857,93 = 11,04%

Antwort

HPR = 11,04%
6.Anleihekurs & Rendite

Antwort: YTM = 6,453 %

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

€1 075 = €80·(1 − (1 + y)⁻⁶)/y + €1 000/(1 + y)⁶

Numerisch lösen

P(6%) = €1 098,35, P(7%) = €1 047,67
YTM = 6,453%

Antwort

YTM = 6,453%
7.CAPM & WACC

Antwort: WACC = 7,844 %

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 = 4 000 000 + 2 000 000 + 3 000 000 = €9 000 000
E/V = 0,4444, Ps/V = 0,2222, D/V = 0,3333

WACC

WACC = 0,4444·12% + 0,2222·6,5% + 0,3333·4%·(1 − 0,2) = 7,844%

Antwort

WACC = 7,844%
8.CAPM & WACC

Antwort: WACC = 10,27 %

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·€55,50 = €138 750 000
D = 20 000·€1 020 = €20 400 000

Eigenkapitalkosten (CAPM)

re = 4% + 1,2·6% = 11,2%

Gewichte

V = €159 150 000, E/V = 0,8718, D/V = 0,1282

WACC

WACC = 0,8718·11,2% + 0,1282·5%·(1 − 0,21) = 10,27%

Antwort

WACC = 10,27%
9.Beschreibende Statistik

Antwort: s = 9,295

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 = 288/6 = 48

Quadrierte Abweichungen

Σ(x − x̄)² = 1² + (−4)² + (−5)² + (−13)² + 11² + 10² = 432

Standardabweichung

s = √(432/5) = 9,295

Antwort

s = 9,295
10.Beschreibende Statistik

Antwort: z = −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 = (20 − 50)/15 = −2

Antwort

z = −2
11.Wahrscheinlichkeit

Antwort: Var(X) = 4,36

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.

Mittelwert

μ = 0·0,15 + 2·0,15 + 4·0,35 + 6·0,35 = 3,8

Mittelwert der Quadrate

E(X²) = 0·0,15 + 4·0,15 + 16·0,35 + 36·0,35 = 18,8

Varianz

Var(X) = 18,8 − 3,8² = 4,36

Antwort

Var(X) = 4,36
12.Wahrscheinlichkeit

Antwort: E(G) = 0,75 €

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: 4 (p = 0,25), 49 (p = 0,01), −1 (p = 0,74)

Erwartungswert

E(G) = 4·0,25 + 49·0,01 − 1·0,74 = 0,75 €

Antwort

E(G) = 0,75 €

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

13.Normalverteilung

Antwort: P = 0,07926

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 = (100 − 100)/15 = 0
z₂ = (103 − 100)/15 = 0,2

Fläche dazwischen

P = Φ(0,2) − Φ(0) = 0,5793 − 0,5 = 0,07926

Antwort

P = 0,07926
14.Normalverteilung

Antwort: x = 245,8 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) = 0,2 → z = −0,8416

Zurück zu x

x = 250 + −0,8416·5 = 245,79 g

Antwort

x = 245,79 g
15.Konfidenzintervalle

Antwort: E = 10,45

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 = 7, t = 2,365

Fehlermarge

E = 2,365·12,5/√8 = 10,45

Antwort

E = 10,45
16.Konfidenzintervalle

Antwort: σ = 9,136 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 = 24·11,7² = 3285

Grenzen für σ²

3285/39,364 = 83,46
3285/12,401 = 264,9

Grenze für σ

σ = √83,46 = 9,136 µm

Antwort

σ = 9,136 µm

95-%-Intervall für σ: [9,136, 16,28] µm.

17.Hypothesentests & Konfidenzintervalle

Antwort: t = 1,598

Testing a mean: the test statistic measures how many standard errors the sample mean lies from the value claimed in H₀: z = (x̄ − μ₀)/(σ/√n) when σ is known, t = (x̄ − μ₀)/(s/√n) when it is estimated from the sample. A confidence interval is x̄ ± (critical value)·(standard error).

Standardfehler der mittleren Differenz

SE = 8,6/√8 = 3,041

Teststatistik

t = 4,86/3,041 = 1,598

Antwort

t = 1,598

Bei df = 7 ist der zweiseitige kritische 5-%-Wert 2,365; |t| ist kleiner, also wird H₀ nicht verworfen.

18.Hypothesentests & Konfidenzintervalle

Antwort: L = 99,17

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 = 1,645·4/√81 = 0,7311

Intervallgrenze

L = 99,9 − 0,7311 = 99,17

Antwort

L = 99,17
19.Lineare Regression und Korrelation

Antwort: r² = 0,9346

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 = 95/5 = 19

Quadrat- und Produktsummen

Sxx = Σ(x − x̄)² = 10
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = −27
Syy = Σ(y − ȳ)² = 78

Bestimmtheitsmaß

r² = −27²/(10·78) = 0,9346

Antwort

r² = 0,9346

Etwa 93,46 % der Streuung von y werden durch die Gerade erklärt.

20.Lineare Regression und Korrelation

Antwort: x = 5,713

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 = 136/6 = 22,67

Quadrat- und Produktsummen

Sxx = Σ(x − x̄)² = 17,5
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = −29

Regressionsgerade

b = −29/17,5 = −1,657
a = 22,67 − (−1,657)·3,5 = 28,47
ŷ = 28,47 − 1,657·x

Nach x auflösen

x = (19 − 28,47)/(−1,657) = 5,713

Antwort

x = 5,713

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