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
2025303540455055

Bestimme die Stichproben-Standardabweichung s der Daten: 16, 31, 28, 31, 55, 21, 52.

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

Eine Größe ist normalverteilt mit Mittelwert 70 und Standardabweichung 5. Welcher Anteil P der Werte liegt über 76,25?

μ = 70σ = 5x = 76,25
P =
3.WahrscheinlichkeitMittel
P(mindestens eine Sechs) = ??1?2?3?4P(Sechs) = 1/6 bei jedem Wurf

Ein fairer Würfel wird 4-mal geworfen. Wie groß ist die Wahrscheinlichkeit P, mindestens eine Sechs zu würfeln?

n = 4
P =
4.WahrscheinlichkeitSchwer
n = 12, p = 0,3: P(X = 2) = ?k0123456789101112

Ein Test hat 12 Multiple-Choice-Fragen. Eine Studentin, die rät, beantwortet jede unabhängig mit Wahrscheinlichkeit 0,3 richtig. Wie groß ist die Wahrscheinlichkeit P für genau 2 richtige Antworten?

n = 12p = 0,3k = 2
P =
5.NormalverteilungMittel
250 kg249,2 kgT = X₁ + … + X₁₀?

Gegeben sind Zementsäcke; ihre Massen sind unabhängig und normalverteilt mit dem Mittelwert 25 kg und der Standardabweichung 0,5 kg. Bestimme die Wahrscheinlichkeit P, dass die Gesamtmasse von 10 davon 249,2 kg übersteigt. Runde z auf zwei Dezimalstellen.

μ = 25 kgσ = 0,5 kgn = 10> 249,2 kg
P =
6.NormalverteilungSchwer
μ = 100x = ?95%

Die IQ-Werte sind normalverteilt mit dem Mittelwert 100 Punkte und der Standardabweichung 15 Punkte. Bestimme den Wert x, unter dem 95 % von ihnen liegen (das 95. Perzentil).

μ = 100σ = 15P = 95%
x = Punkte
7.KonfidenzintervalleMittel
n = 10, sd​ = 4,20L = ?Ud̄ = −5,6E99%

Der Blutdruck von 10 Patienten wird vor und nach einer Behandlung gemessen. Die Differenzen d = vorher − nachher (mmHg) haben den Mittelwert −5,6 und die Standardabweichung 4,2. Bestimme die untere Grenze des 99-%-Konfidenzintervalls für die mittlere Differenz.

n = 10d̄ = −5,6sd = 4,299%t(9) = 3,25
untere Grenze = mmHg
8.KonfidenzintervalleSchwer
n = 11Lσ = ?s = 8,195%

Die Durchmesser von 11 gefertigten Wellen haben eine Stichprobenstandardabweichung von 8,1 µm. Bestimme unter der Annahme normalverteilter Durchmesser die obere Grenze σ des 95-%-Konfidenzintervalls für die Standardabweichung der Grundgesamtheit. Bei df = 10 liegen 2,5 % der χ²-Verteilung unter 3,247 und 2,5 % über 20,483.

n = 11s = 8,1 µmχ² = 3,247, 20,483
σ = µm
9.Hypothesentests & KonfidenzintervalleMittel
t −2,0302,03

Eine Stichprobe von 36 Studierenden hat einen mittleren Punktwert von 497,8 und eine Stichproben-Standardabweichung von 5. Bestimme die Teststatistik t für H₀: μ = 500.

μ₀ = 500x̄ = 497,8s = 5n = 36
t =
10.Hypothesentests & KonfidenzintervalleSchwer
z −2,57602,576

Eine Stichprobe von 81 Messungen hat den Mittelwert 501,3. Die Standardabweichung der Grundgesamtheit ist 4. Bestimme die untere Grenze L des 99-%-Konfidenzintervalls für den Mittelwert.

x̄ = 501,3σ = 4n = 8199%
L =
11.Lineare Regression und KorrelationMittel
xy146252351463560670xy246506070

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 = 21Σy = 342Σx² = 91Σy² = 19890Σxy = 1275
r =
12.Lineare Regression und KorrelationSchwer
xy17972011123131261522916632190xy202530100150200x = 27,5

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 = 27,5 voraus.

n = 6x = 27,5
ŷ =

3Lösungen

1.Beschreibende Statistik

Antwort: s = 14,77

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 = 234/7 = 33,43

Quadrierte Abweichungen

Σ(x − x̄)² = (−17,43)² + (−2,429)² + (−5,429)² + (−2,429)² + 21,57² + (−12,43)² + 18,57² = 1310

Standardabweichung

s = √(1310/6) = 14,77

Antwort

s = 14,77
2.Beschreibende Statistik

Antwort: P = 0,1056

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 = 1,25

Standardnormalverteilungstabelle

Φ(1,25) = 0,8944
P = 1 − 0,8944 = 0,1056

Antwort

P = 0,1056
3.Wahrscheinlichkeit

Antwort: P = 0,5177

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)4 = 0,4823
P = 1 − 0,4823 = 0,5177

Antwort

P = 0,5177
4.Wahrscheinlichkeit

Antwort: P = 0,1678

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) = 66·0,32·0,710 = 66·0,09·0,02825 = 0,1678

Antwort

P = 0,1678
5.Normalverteilung

Antwort: P = 0,695

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 = 250 kg, σT = 0,5·√10 = 1,581 kg

Standardisieren

z = (249,2 − 250)/1,581 = −0,51

Wahrscheinlichkeit

P = 1 − Φ(−0,51) = 0,695

Antwort

P = 0,695
6.Normalverteilung

Antwort: x = 124,7 Punkte

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) = 0,95 → z = 1,645

Zurück zu x

x = 100 + 1,645·15 = 124,67 Punkte

Antwort

x = 124,67 Punkte
7.Konfidenzintervalle

Antwort: untere Grenze = −9,917 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 = 9, t = 3,25

Fehlermarge

E = 3,25·4,2/√10 = 4,317

Intervall

−5,6 ± 4,317 → [−9,917, −1,283]

Antwort

untere Grenze = −9,917 mmHg
8.Konfidenzintervalle

Antwort: σ = 14,21 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 = 10·8,1² = 656,1

Grenzen für σ²

656,1/20,483 = 32,03
656,1/3,247 = 202,1

Grenze für σ

σ = √202,1 = 14,21 µm

Antwort

σ = 14,21 µm

95-%-Intervall für σ: [5,66, 14,21] µm.

9.Hypothesentests & Konfidenzintervalle

Antwort: t = −2,64

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 = 5/√36 = 5/6 = 0,8333

Teststatistik

t = (497,8 − 500)/0,8333 = −2,64

Antwort

t = −2,64
t0,025; df = 35 = 2,03

|t| > 2,03, also wird H₀ auf dem 5-%-Niveau (zweiseitig) verworfen.

10.Hypothesentests & Konfidenzintervalle

Antwort: L = 500,2

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).

Fehlermarge

E = 2,576·4/√81 = 1,145

Intervallgrenze

L = 501,3 − 1,145 = 500,2

Antwort

L = 500,2
11.Lineare Regression und Korrelation

Antwort: r = 0,937

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 = 1275 − 21·342/6 = 78
Sxx = 91 − 21²/6 = 17,5
Syy = 19890 − 342²/6 = 396

Korrelationskoeffizient

r = 78/√(17,5·396) = 0,937

Antwort

r = 0,937
12.Lineare Regression und Korrelation

Antwort: ŷ = 159,8

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 = 147/6 = 24,5
ȳ = 847/6 = 141,2

Quadrat- und Produktsummen

Sxx = Σ(x − x̄)² = 157,5
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 976,5

Regressionsgerade

b = 976,5/157,5 = 6,2
a = 141,2 − 6,2·24,5 = −10,73
ŷ = −10,73 + 6,2·x

Vorhersage

ŷ = −10,73 + 6,2·27,5 = 159,8

Antwort

ŷ = 159,8

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