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
25303540455055

Bestimme die Stichproben-Standardabweichung s der Daten: 43, 21, 41, 57, 41.

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

Eine Größe ist normalverteilt mit Mittelwert 500 und Standardabweichung 40. Welcher Anteil P der Werte liegt über 560?

μ = 500σ = 40x = 560
P =
3.WahrscheinlichkeitMittel
xp(x)00,2520,240,2560,3μ = 3,2

Bestimme für die gezeigte Verteilung die Standardabweichung σ von X.

x: 0, 2, 4, 6p(x): 0,25, 0,2, 0,25, 0,3
σ =
4.WahrscheinlichkeitSchwer
xp(x)10,320,330,1540,250,05μ

X hat die gezeigte Verteilung, und Y = 3X + 10. Bestimme die Standardabweichung σY von Y.

x: 1, 2, 3, 4, 5p(x): 0,3, 0,3, 0,15, 0,2, 0,05Y = 3X + 10
σY =
5.NormalverteilungMittel
82122,5P = ?

Die IQ-Werte sind normalverteilt mit dem Mittelwert 100 Punkte und der Standardabweichung 15 Punkte. Welcher Anteil liegt zwischen 82 und 122,5 Punkte? Gib P als Dezimalzahl an.

μ = 100σ = 15x1 = 82x2 = 122,5
P =
6.NormalverteilungSchwer
557085100115130145Punkteoben 40%

Die IQ-Werte sind normalverteilt mit dem Mittelwert 100 Punkte und der Standardabweichung 15 Punkte. Ziehe die Grenze so, dass die schattierten oberen 40 % rechts davon liegen. Bestimme die Grenze x.

μ = 100 Punkteσ = 15 Punkte40%
x = Punkte
7.KonfidenzintervalleMittel
n = 12, s = 9LUx̄ = 94,5E = ?90%

Eine Stichprobe von 12 Elementen hat den Mittelwert 94,5 und die Standardabweichung s = 9. Die Grundgesamtheit ist annähernd normalverteilt. Bestimme die Fehlermarge E eines 90-%-Konfidenzintervalls für den Mittelwert.

n = 12x̄ = 94,5s = 990%t(11) = 1,796
E =
8.KonfidenzintervalleSchwer
p ≈ 0,7, n = ?p̂ − Ep̂ + Ep̂E = 0,02595%

Eine Vorstudie legt nahe, dass etwa 0,7 der Produkte fehlerhaft sind. Wie viele Produkte n müssen geprüft werden, damit ein 95-%-Konfidenzintervall für den Anteil eine Fehlermarge von höchstens 0,025 hat?

p ≈ 0,7E = 0,02595%
n =
9.Hypothesentests & KonfidenzintervalleMittel
t −2,0302,03

Eine Stichprobe von 36 Studierenden hat einen mittleren Punktwert von 84,67 und eine Stichproben-Standardabweichung von 20. Bestimme die Teststatistik t für H₀: μ = 75.

μ₀ = 75x̄ = 84,67s = 20n = 36
t =
10.Hypothesentests & KonfidenzintervalleSchwer
σ = 20, n = ?x̄ − Ex̄ + Ex̄E = 295%

Wie groß muss eine Stichprobe sein, damit das 95-%-Konfidenzintervall für einen Mittelwert eine Fehlermarge von höchstens 2 hat? Die Standardabweichung ist 20. Bestimme den kleinsten Stichprobenumfang n.

σ = 20E = 295%
n =
11.Lineare Regression und KorrelationMittel
xy14936557577899211100xy5106080100

Die Tabelle enthält 6 Wertepaare von x = Lernstunden und y = Prüfungspunkte. Bestimme den Korrelationskoeffizienten nach Pearson r.

n = 6
r =
12.Lineare Regression und KorrelationSchwer
xy188321100241202713330155xy202530100150ŷ = 145

Die Tabelle enthält 5 Wertepaare von x = Temperatur in °C und y = verkaufte Eiskugeln. Verwende die Regressionsgerade ŷ = a + b·x nach der Methode der kleinsten Quadrate. Für welchen Wert x sagt die Gerade ŷ = 145 voraus?

n = 5ŷ = 145
x =

3Lösungen

1.Beschreibende Statistik

Antwort: s = 12,84

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 = 203/5 = 40,6

Quadrierte Abweichungen

Σ(x − x̄)² = 2,4² + (−19,6)² + 0,4² + 16,4² + 0,4² = 659,2

Standardabweichung

s = √(659,2/4) = 12,84

Antwort

s = 12,84
2.Beschreibende Statistik

Antwort: P = 0,06681

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 = 1,5

Standardnormalverteilungstabelle

Φ(1,5) = 0,9332
P = 1 − 0,9332 = 0,06681

Antwort

P = 0,06681
3.Wahrscheinlichkeit

Antwort: σ = 2,315

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 = 0·0,25 + 2·0,2 + 4·0,25 + 6·0,3 = 3,2

Mittelwert der Quadrate

E(X²) = 0·0,25 + 4·0,2 + 16·0,25 + 36·0,3 = 15,6

Varianz

Var(X) = 15,6 − 3,2² = 5,36
σ = √5,36 = 2,315

Antwort

σ = 2,315
4.Wahrscheinlichkeit

Antwort: σY = 3,723

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 = 2,4, Var(X) = 1,54, σX = 1,241

Lineare Änderung

σY = |3|·1,241 = 3,723

Antwort

σY = 3,723

Der Mittelwert verschiebt sich sehr wohl: E(Y) = 3·2,4 + 10 = 17,2.

5.Normalverteilung

Antwort: P = 0,8181

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 = (82 − 100)/15 = −1,2
z₂ = (122,5 − 100)/15 = 1,5

Fläche dazwischen

P = Φ(1,5) − Φ(−1,2) = 0,9332 − 0,1151 = 0,8181

Antwort

P = 0,8181
6.Normalverteilung

Antwort: x = 103,8 Punkte

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

Φ(z) = 0,6

z aus der Tabelle

z ≈ 0,25

Zurück zu den ursprünglichen Einheiten

x = 100 + 0,25·15 = 103,8 Punkte

Antwort

x = 103,8 Punkte
7.Konfidenzintervalle

Antwort: E = 4,666

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 = 11, t = 1,796

Fehlermarge

E = 1,796·9/√12 = 4,666

Antwort

E = 4,666
8.Konfidenzintervalle

Antwort: n = 1291

Confidence interval for a proportion: p̂ ± z·√(p̂(1 − p̂)/n), where p̂ = x/n. To reach a margin E you need n ≥ z²·p(1 − p)/E², rounded up; without a prior estimate use p = 0,5, which gives the largest n.

Nach n auflösen

n = 1,96²·0,7·0,3/0,025² = 1291

Aufrunden

n = 1291

Antwort

n = 1291
9.Hypothesentests & Konfidenzintervalle

Antwort: t = 2,901

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 = 20/√36 = 20/6 = 3,333

Teststatistik

t = (84,67 − 75)/3,333 = 2,901

Antwort

t = 2,901
t0,025; df = 35 = 2,03

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

10.Hypothesentests & Konfidenzintervalle

Antwort: n = 385

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 = (1,96·20/2)² = 384,2

Aufrunden

n = 385

Antwort

n = 385
11.Lineare Regression und Korrelation

Antwort: r = 0,9869

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 = 36/6 = 6
ȳ = 459/6 = 76,5

Quadrat- und Produktsummen

Sxx = Σ(x − x̄)² = 70
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 339
Syy = Σ(y − ȳ)² = 1686

Korrelationskoeffizient

r = 339/√(70·1686) = 0,9869

Antwort

r = 0,9869
12.Lineare Regression und Korrelation

Antwort: x = 28,54

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 = 120/5 = 24
ȳ = 591/5 = 118,2

Quadrat- und Produktsummen

Sxx = Σ(x − x̄)² = 90
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 531

Regressionsgerade

b = 531/90 = 5,9
a = 118,2 − 5,9·24 = −23,4
ŷ = −23,4 + 5,9·x

Nach x auflösen

x = (145 − (−23,4))/5,9 = 28,54

Antwort

x = 28,54

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