Einführung in die Statistik: Lernpaket

Formelsammlungen, die wichtigsten Lösungsschritte zu jedem Thema und 12 Übungsaufgaben, mit vollständigen Lösungen am Ende.

Neue AufgabenZurück zum Kurs

Wähle im Druckfenster „Als PDF speichern“, um eine Kopie auf deinem Gerät zu behalten.

1Formeln und Methoden

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.Beschreibende StatistikMittel
2025303540455055

Bestimme die Stichproben-Standardabweichung s der Daten: 31, 32, 16, 32, 57.

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

Prüfungsergebnisse sind normalverteilt mit Mittelwert 500 und Standardabweichung 25. Bestimme den z-Wert z eines Ergebnisses von 475.

μ = 500σ = 25x = 475
z =
3.WahrscheinlichkeitMittel
xp(x)100,35200,25300,05400,35μ = 24

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

x: 10, 20, 30, 40p(x): 0,35, 0,25, 0,05, 0,35
Var(X) =
4.WahrscheinlichkeitSchwer
xp(x)10,320,1530,240,35μ

X hat die gezeigte Verteilung, und Y = 2X + 5. Bestimme die Standardabweichung σY von Y.

x: 1, 2, 3, 4p(x): 0,3, 0,15, 0,2, 0,35Y = 2X + 5
σY =
5.NormalverteilungMittel
−3−2−10123zschattierte Fläche rechts von z = 0,7190

Ziehe z so, dass die schattierte Fläche unter der Standardnormalverteilung rechts von z gleich 0,7190 ist. Bestimme z auf zwei Nachkommastellen.

A = 0,7190
z =
6.NormalverteilungSchwer
μ = 32x = ?99%

Die Lieferzeiten sind normalverteilt mit dem Mittelwert 32 min und der Standardabweichung 6 min. Bestimme den Wert x, unter dem 99 % von ihnen liegen (das 99. Perzentil).

μ = 32σ = 6P = 99%
x = min
7.KonfidenzintervalleMittel
n = 30, s = 12LU = ?x̄ = 112E90%

Eine Stichprobe von 30 Elementen hat den Mittelwert 112 und die Standardabweichung s = 12. Die Grundgesamtheit ist annähernd normalverteilt. Bestimme die obere Grenze des 90-%-Konfidenzintervalls für den Mittelwert.

n = 30x̄ = 112s = 1290%t(29) = 1,699
obere Grenze =
8.KonfidenzintervalleSchwer
σ = 5, n = ?x̄ − Ex̄ + Ex̄E = 1,595%

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

σ = 5E = 1,595%
n =
9.Hypothesentests & KonfidenzintervalleMittel
t −2,0302,03

Eine Stichprobe von 36 Studierenden hat einen mittleren Punktwert von 501,2 und eine Stichproben-Standardabweichung von 10. Bestimme die Teststatistik t für H₀: μ = 500.

μ₀ = 500x̄ = 501,2s = 10n = 36
t =
10.Hypothesentests & KonfidenzintervalleSchwer
H₀H₁μ₀x̄cμ₀ + 3α = 0,05βσ = 28, Teststärke 80%, n = ?

Ein einseitiger z-Test bei α = 0,05 soll eine Verschiebung des Mittelwerts um 3 Einheiten mit einer Teststärke von 80 % erkennen. Die Standardabweichung beträgt 28. Bestimme den Mindeststichprobenumfang n.

α = 0,05Teststärke = 80%δ = 3σ = 28zα = 1,645zβ = 0,842
n =
11.Lineare Regression und KorrelationMittel
xy123222320413515612xy2461520

Die Tabelle enthält 6 Wertepaare von x = Fahrzeugalter in Jahren und y = Preis in k€. Bestimme das Bestimmtheitsmaß r² der Regressionsgeraden.

n = 6
r² =
12.Lineare Regression und KorrelationSchwer
xy368582710191071112813141xy510100ŷ = 90

Die Tabelle enthält 6 Wertepaare von x = Lernstunden und y = Prüfungspunkte. Verwende die Regressionsgerade ŷ = a + b·x nach der Methode der kleinsten Quadrate. Für welchen Wert x sagt die Gerade ŷ = 90 voraus?

n = 6ŷ = 90
x =

3Lösungen

1.Beschreibende Statistik

Antwort: s = 14,74

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 = 168/5 = 33,6

Quadrierte Abweichungen

Σ(x − x̄)² = (−2,6)² + (−1,6)² + (−17,6)² + (−1,6)² + 23,4² = 869,2

Standardabweichung

s = √(869,2/4) = 14,74

Antwort

s = 14,74
2.Beschreibende Statistik

Antwort: z = −1

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 = (475 − 500)/25 = −1

Antwort

z = −1
3.Wahrscheinlichkeit

Antwort: Var(X) = 164

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 = 10·0,35 + 20·0,25 + 30·0,05 + 40·0,35 = 24

Mittelwert der Quadrate

E(X²) = 100·0,35 + 400·0,25 + 900·0,05 + 1600·0,35 = 740

Varianz

Var(X) = 740 − 24² = 164

Antwort

Var(X) = 164
4.Wahrscheinlichkeit

Antwort: σY = 2,482

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.

Streuung von X

μ = 2,6, Var(X) = 1,54, σX = 1,241

Lineare Änderung

σY = |2|·1,241 = 2,482

Antwort

σY = 2,482

Der Mittelwert verschiebt sich sehr wohl: E(Y) = 2·2,6 + 5 = 10,2.

5.Normalverteilung

Antwort: z = −0,58

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 − 0,7190 = 0,2810

Die z-Tabelle rückwärts lesen

Finde 0,2810 in der Tabelle und lies z ab.

z = −0,58

Antwort

z = −0,58
6.Normalverteilung

Antwort: x = 45,96 min

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) = 0,99 → z = 2,326

Zurück zu x

x = 32 + 2,326·6 = 45,96 min

Antwort

x = 45,96 min
7.Konfidenzintervalle

Antwort: obere Grenze = 115,7

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 = 1,699

Fehlermarge

E = 1,699·12/√30 = 3,722

Intervall

112 ± 3,722 → [108,3, 115,7]

Antwort

obere Grenze = 115,7
8.Konfidenzintervalle

Antwort: n = 43

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 = (1,96·5/1,5)² = 42,68

Aufrunden

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

n = 43

Antwort

n = 43
9.Hypothesentests & Konfidenzintervalle

Antwort: t = 0,72

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 = 10/√36 = 10/6 = 1,667

Teststatistik

t = (501,2 − 500)/1,667 = 0,72

Antwort

t = 0,72
t0,025; df = 35 = 2,03

|t| < 2.03, also wird H₀ auf dem 5-%-Niveau (zweiseitig) nicht verworfen.

10.Hypothesentests & Konfidenzintervalle

Antwort: n = 539

Stichprobenumfang für einen Test: Um eine wahre Verschiebung δ mit der Teststärke 1 − β in einem einseitigen z-Test zum Niveau α zu erkennen, muss der Standardfehler δ = (z_α + z_β)·σ/√n erfüllen, also n = ((z_α + z_β)·σ/δ)², aufgerundet.

Nach n auflösen

n = ((1,645 + 0,842)·28/3)² = 538,8

Aufrunden

n = 539

Antwort

n = 539
11.Lineare Regression und Korrelation

Antwort: r² = 0,8671

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 = 105/6 = 17,5

Quadrat- und Produktsummen

Sxx = Σ(x − x̄)² = 17,5
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = −41,5
Syy = Σ(y − ȳ)² = 113,5

Bestimmtheitsmaß

r² = −41,5²/(17,5·113,5) = 0,8671

Antwort

r² = 0,8671

Etwa 86,71 % der Streuung von y werden durch die Gerade erklärt.

12.Lineare Regression und Korrelation

Antwort: x = 6,006

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 = 48/6 = 8
ȳ = 627/6 = 104,5

Quadrat- und Produktsummen

Sxx = Σ(x − x̄)² = 70
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 509

Regressionsgerade

b = 509/70 = 7,271
a = 104,5 − 7,271·8 = 46,33
ŷ = 46,33 + 7,271·x

Nach x auflösen

x = (90 − 46,33)/7,271 = 6,006

Antwort

x = 6,006

ExamProblems · examproblems.com/courses/statistics-1