Einführung in die Statistik: Lernpaket

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

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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
152025303540455055

Bestimme die Stichproben-Standardabweichung s der Daten: 13, 59, 44, 26, 24, 50.

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

Prüfungsergebnisse sind normalverteilt mit Mittelwert 70 und Standardabweichung 12. Bestimme den z-Wert z eines Ergebnisses von 58.

μ = 70σ = 12x = 58
z =
3.WahrscheinlichkeitMittel
n = 6k = 2N = ?

Auf wie viele Arten N kann ein Ausschuss von 2 Personen aus einer Gruppe von 6 gewählt werden? Die Reihenfolge spielt keine Rolle.

n = 6k = 2
N =
4.WahrscheinlichkeitSchwer
n = 9, p = 0,2: P(X ≤ 1) = ?k0123456789

9 Bauteile werden geprüft, und jedes fällt unabhängig mit Wahrscheinlichkeit 0,2 aus. Wie groß ist die Wahrscheinlichkeit P, dass höchstens eines ausfällt?

n = 9p = 0,2
P =
5.NormalverteilungMittel
425 kg384,8 kgT = X₁ + … + X₅?

Gegeben sind Passagiere mit Gepäck; ihre Massen sind unabhängig und normalverteilt mit dem Mittelwert 85 kg und der Standardabweichung 12 kg. Bestimme die Wahrscheinlichkeit P, dass die Gesamtmasse von 5 davon 384,8 kg übersteigt. Runde z auf zwei Dezimalstellen.

μ = 85 kgσ = 12 kgn = 5> 384,8 kg
P =
6.NormalverteilungSchwer
10 cm0X − Y?

Die Körpergrößen X von Männern und Y von Frauen in einer Gruppe sind unabhängig und normalverteilt: X hat den Mittelwert 180 cm und die Standardabweichung 10 cm, Y hat den Mittelwert 170 cm und die Standardabweichung 12 cm. Bestimme die Wahrscheinlichkeit P, dass X größer als Y ist. Runde z auf zwei Dezimalstellen.

μX = 180 cm, σX = 10 cmμY = 170 cm, σY = 12 cm
P =
7.KonfidenzintervalleMittel
n = 13, sd​ = 4,70LU = ?d̄ = 1,3E99%

Der Blutdruck von 13 Patienten wird vor und nach einer Behandlung gemessen. Die Differenzen d = vorher − nachher (mmHg) haben den Mittelwert 1,3 und die Standardabweichung 4,7. Bestimme die obere Grenze des 99-%-Konfidenzintervalls für die mittlere Differenz.

n = 13d̄ = 1,3sd = 4,799%t(12) = 3,055
obere Grenze = mmHg
8.KonfidenzintervalleSchwer
σ = 11, n = ?x̄ − Ex̄ + Ex̄E = 395%

Die Standardabweichung der Grundgesamtheit ist 11. Wie groß muss die Stichprobe n sein, damit ein 95-%-Konfidenzintervall für den Mittelwert eine Fehlermarge von höchstens 3 hat?

σ = 11E = 395%
n =
9.Hypothesentests & KonfidenzintervalleMittel
t −1,98401,984

Eine Stichprobe von 100 Studierenden hat einen mittleren Punktwert von 496,7 und eine Stichproben-Standardabweichung von 15. Bestimme die Teststatistik t für H₀: μ = 500.

μ₀ = 500x̄ = 496,7s = 15n = 100
t =
10.Hypothesentests & KonfidenzintervalleSchwer
σ = 12, 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 12. Bestimme den kleinsten Stichprobenumfang n.

σ = 12E = 395%
n =
11.Lineare Regression und KorrelationMittel
xy21041862683210401246xy5102040

Die Tabelle enthält 6 Wertepaare von x = Last in kN und y = Verlängerung in mm. Bestimme das Bestimmtheitsmaß r² der Regressionsgeraden.

n = 6
r² =
12.Lineare Regression und KorrelationSchwer
xy3585787849981110913116xy5106080100120x = 12

Die Tabelle enthält 6 Wertepaare von x = Lernstunden und y = Prüfungspunkte. Verwende die Regressionsgerade ŷ = a + b·x nach der Methode der kleinsten Quadrate. Eine neue Beobachtung (12, 118) wird gemacht. Bestimme ihr Residuum e = y − ŷ.

n = 6(12, 118)
e =

3Lösungen

1.Beschreibende Statistik

Antwort: s = 17,67

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 = 216/6 = 36

Quadrierte Abweichungen

Σ(x − x̄)² = (−23)² + 23² + 8² + (−10)² + (−12)² + 14² = 1562

Standardabweichung

s = √(1562/5) = 17,67

Antwort

s = 17,67
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 = (58 − 70)/12 = −1

Antwort

z = −1
3.Wahrscheinlichkeit

Antwort: N = 15

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(6, 2) = (6·5)/(2·1) = 15

Antwort

N = 15
4.Wahrscheinlichkeit

Antwort: P = 0,4362

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.

Null und ein Ausfall

P(X = 0) = 0,89 = 0,1342
P(X = 1) = 9·0,2·0,88 = 0,302

Addieren

P = 0,1342 + 0,302 = 0,4362

Antwort

P = 0,4362
5.Normalverteilung

Antwort: P = 0,9332

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

μT = 425 kg, σT = 12·√5 = 26,83 kg

Standardisieren

z = (384,8 − 425)/26,83 = −1,5

Wahrscheinlichkeit

P = 1 − Φ(−1,5) = 0,9332

Antwort

P = 0,9332
6.Normalverteilung

Antwort: P = 0,7389

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 Differenz

μ = 180 − 170 = 10 cm, σ = 15,62 cm

Standardisieren

z = (0 − 10)/15,62 = −0,64

Wahrscheinlichkeit

P = 1 − Φ(−0,64) = 0,7389

Antwort

P = 0,7389
7.Konfidenzintervalle

Antwort: obere Grenze = 5,282 mmHg

Interval for a difference: estimate ± critical value × standard error. For two independent means with known σ: SE = √(σ₁²/n₁ + σ₂²/n₂) and z. With equal unknown variances: pooled s_p and t with n₁ + n₂ − 2 degrees of freedom. For paired data, work with the differences: d̄ ± t·s_d/√n.

Kritischer Wert

df = 12, t = 3,055

Fehlermarge

E = 3,055·4,7/√13 = 3,982

Intervall

1,3 ± 3,982 → [−2,682, 5,282]

Antwort

obere Grenze = 5,282 mmHg
8.Konfidenzintervalle

Antwort: n = 52

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 = (1,96·11/3)² = 51,65

Aufrunden

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

n = 52

Antwort

n = 52
9.Hypothesentests & Konfidenzintervalle

Antwort: t = −2,2

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 = 15/√100 = 15/10 = 1,5

Teststatistik

t = (496,7 − 500)/1,5 = −2,2

Antwort

t = −2,2
t0,025; df = 99 = 1,984

|t| > 1,984, also wird H₀ auf dem 5-%-Niveau (zweiseitig) verworfen.

10.Hypothesentests & Konfidenzintervalle

Antwort: n = 62

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 = (1,96·12/3)² = 61,47

Aufrunden

n = 62

Antwort

n = 62
11.Lineare Regression und Korrelation

Antwort: r² = 0,9977

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 = 42/6 = 7
ȳ = 172/6 = 28,67

Quadrat- und Produktsummen

Sxx = Σ(x − x̄)² = 70
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 252
Syy = Σ(y − ȳ)² = 909,3

Bestimmtheitsmaß

r² = 252²/(70·909,3) = 0,9977

Antwort

r² = 0,9977

Etwa 99,77 % der Streuung von y werden durch die Gerade erklärt.

12.Lineare Regression und Korrelation

Antwort: e = 4,814

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 = 543/6 = 90,5

Quadrat- und Produktsummen

Sxx = Σ(x − x̄)² = 70
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 397

Regressionsgerade

b = 397/70 = 5,671
a = 90,5 − 5,671·8 = 45,13
ŷ = 45,13 + 5,671·x

Vorhergesagter Wert

ŷ = 45,13 + 5,671·12 = 113,2

Residuum

e = 118 − 113,2 = 4,814

Antwort

e = 4,814

Der Punkt liegt über der Geraden.

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