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
3035404550

Bestimme die Stichproben-Standardabweichung s der Daten: 47, 38, 30, 38, 50, 27.

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

Eine Größe ist normalverteilt mit Mittelwert 50 und Standardabweichung 15. Welcher Anteil P der Werte liegt über 56?

μ = 50σ = 15x = 56
P =
3.WahrscheinlichkeitMittel
rot: 4blau: 6

Ein Beutel enthält 4 rote und 6 blaue Kugeln. Du ziehst zwei Kugeln, ohne die erste zurückzulegen. Wie groß ist die Wahrscheinlichkeit P, dass beide rot sind?

4 / 6
P =
4.WahrscheinlichkeitSchwer
n = 12, p = 0,6: P(X ≤ 1) = ?k0123456789101112

12 Bauteile werden geprüft, und jedes fällt unabhängig mit Wahrscheinlichkeit 0,6 aus. Wie groß ist die Wahrscheinlichkeit P, dass höchstens eines ausfällt?

n = 12p = 0,6
P =
5.NormalverteilungMittel
88118P = ?

Die IQ-Werte sind normalverteilt mit dem Mittelwert 100 Punkte und der Standardabweichung 15 Punkte. Welcher Anteil liegt zwischen 88 und 118 Punkte? Gib P als Dezimalzahl an.

μ = 100σ = 15x1 = 88x2 = 118
P =
6.NormalverteilungSchwer
0,05 mm0D − d?

Bohrungsdurchmesser D sind normalverteilt mit dem Mittelwert 25,05 mm und der Standardabweichung 0,01 mm. Wellendurchmesser d sind unabhängig und normalverteilt mit dem Mittelwert 25 mm und der Standardabweichung 0,02 mm. Eine zufällig gewählte Welle passt, wenn D − d > 0 ist. Bestimme die Wahrscheinlichkeit P, dass sie passt. Runde z auf zwei Dezimalstellen.

Bohrung: μ = 25,05 mm, σ = 0,01 mmWelle: μ = 25 mm, σ = 0,02 mm
P =
7.KonfidenzintervalleMittel
n = 30, s = 6,5L = ?Ux̄ = 105E90%

Eine Stichprobe von 30 Elementen hat den Mittelwert 105 und die Standardabweichung s = 6,5. Die Grundgesamtheit ist annähernd normalverteilt. Bestimme die untere Grenze des 90-%-Konfidenzintervalls für den Mittelwert.

n = 30x̄ = 105s = 6,590%t(29) = 1,699
untere Grenze =
8.KonfidenzintervalleSchwer
σ = 39, n = ?x̄ − Ex̄ + Ex̄E = 595%

Die Standardabweichung der Grundgesamtheit ist 39. Wie groß muss die Stichprobe n sein, damit ein 95-%-Konfidenzintervall für den Mittelwert eine Fehlermarge von höchstens 5 hat?

σ = 39E = 595%
n =
9.Hypothesentests & KonfidenzintervalleMittel
−2,4472,447t = ?df = 6

7 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 5,21 und die Standardabweichung der Differenzen 10,6. Bestimme die Teststatistik t des verbundenen Tests für H₀: μd = 0.

n = 7d̄ = 5,21sd = 10,6
t =
10.Hypothesentests & KonfidenzintervalleSchwer
z −1,9601,96

Eine Stichprobe von 16 Messungen hat den Mittelwert 502,7. Die Standardabweichung der Grundgesamtheit ist 4. Bestimme die obere Grenze U des 95-%-Konfidenzintervalls für den Mittelwert.

x̄ = 502,7σ = 4n = 1695%
U =
11.Lineare Regression und KorrelationMittel
xy366473570676782xy4665707580

Die Tabelle enthält 5 Wertepaare von x = Lernstunden und y = Prüfungspunkte. Ihre Summen sind gegeben. Bestimme daraus den Korrelationskoeffizienten nach Pearson r.

n = 5Σx = 25Σy = 367Σx² = 135Σy² = 27085Σxy = 1870
r =
12.Lineare Regression und KorrelationSchwer
xy15471871217624942711030119xy1520253050100x = 22,5

Die Tabelle enthält 6 Wertepaare von x = Temperatur in °C und y = verkaufte Eiskugeln. Verwende die Regressionsgerade ŷ = a + b·x nach der Methode der kleinsten Quadrate. Sage ŷ für x = 22,5 voraus.

n = 6x = 22,5
ŷ =

3Lösungen

1.Beschreibende Statistik

Antwort: s = 9,048

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 = 230/6 = 38,33

Quadrierte Abweichungen

Σ(x − x̄)² = 8,667² + (−0,3333)² + (−8,333)² + (−0,3333)² + 11,67² + (−11,33)² = 409,3

Standardabweichung

s = √(409,3/5) = 9,048

Antwort

s = 9,048
2.Beschreibende Statistik

Antwort: P = 0,3446

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 = 0,4

Standardnormalverteilungstabelle

Φ(0,4) = 0,6554
P = 1 − 0,6554 = 0,3446

Antwort

P = 0,3446
3.Wahrscheinlichkeit

Antwort: P = 0,1333

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.

Erster und zweiter Zug

P = 4/10 · 3/9 = 12/90 = 0,1333

Antwort

P = 0,1333
4.Wahrscheinlichkeit

Antwort: P = 0,0003188

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) = 0,412 = 1,678 × 10⁻⁵
P(X = 1) = 12·0,6·0,411 = 0,000302

Addieren

P = 1,678 × 10⁻⁵ + 0,000302 = 0,0003188

Antwort

P = 0,0003188
5.Normalverteilung

Antwort: P = 0,6731

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 = (88 − 100)/15 = −0,8
z₂ = (118 − 100)/15 = 1,2

Fläche dazwischen

P = Φ(1,2) − Φ(−0,8) = 0,8849 − 0,2119 = 0,6731

Antwort

P = 0,6731
6.Normalverteilung

Antwort: P = 0,9875

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 = 25,05 − 25 = 0,05 mm, σ = 0,02236 mm

Standardisieren

z = (0 − 0,05)/0,02236 = −2,24

Wahrscheinlichkeit

P = 1 − Φ(−2,24) = 0,9875

Antwort

P = 0,9875
7.Konfidenzintervalle

Antwort: untere Grenze = 103

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 = 1,699·6,5/√30 = 2,016

Intervall

105 ± 2,016 → [103, 107]

Antwort

untere Grenze = 103
8.Konfidenzintervalle

Antwort: n = 234

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 = (1,96·39/5)² = 233,7

Aufrunden

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

n = 234

Antwort

n = 234
9.Hypothesentests & Konfidenzintervalle

Antwort: t = 1,3

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 der mittleren Differenz

SE = 10,6/√7 = 4,006

Teststatistik

t = 5,21/4,006 = 1,3

Antwort

t = 1,3

Bei df = 6 ist der zweiseitige kritische 5-%-Wert 2,447; |t| ist kleiner, also wird H₀ nicht verworfen.

10.Hypothesentests & Konfidenzintervalle

Antwort: U = 504,7

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 = 1,96·4/√16 = 1,96

Intervallgrenze

U = 502,7 + 1,96 = 504,7

Antwort

U = 504,7
11.Lineare Regression und Korrelation

Antwort: r = 0,9123

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 = 1870 − 25·367/5 = 35
Sxx = 135 − 25²/5 = 10
Syy = 27085 − 367²/5 = 147,2

Korrelationskoeffizient

r = 35/√(10·147,2) = 0,9123

Antwort

r = 0,9123
12.Lineare Regression und Korrelation

Antwort: ŷ = 86,17

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 = 135/6 = 22,5
ȳ = 517/6 = 86,17

Quadrat- und Produktsummen

Sxx = Σ(x − x̄)² = 157,5
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 742,5

Regressionsgerade

b = 742,5/157,5 = 4,714
a = 86,17 − 4,714·22,5 = −19,9
ŷ = −19,9 + 4,714·x

Vorhersage

ŷ = −19,9 + 4,714·22,5 = 86,17

Antwort

ŷ = 86,17

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