Einseitiger Test
Einseitiger Hypothesentest
Mit Hilfe von Hypothesentests kann man auf Grundlage einer Stichprobe entscheiden, ob eine vermutete Wahrscheinlichkeit statistisch gesehen gerechtfertigt ist oder eventuell korrigiert werden sollte. Die Vermutung wird Nullhypothese genannt und gegen die Alternative getestet. Bei einseitigen Tests haben die Hypothesen folgende Formen:Vorgehen
Bei der Durchführung eines Signifikanztests wird allgemein folgendermaßen vorgegangen:- Formulieren der Hypothesen und Wahl des Signifikanzniveaus
- Aufstellen eines Ablehnungsbereichs
- Betrachten einer Stichprobe
- Entscheidungsregel formulieren
Berechnen der Grenze
Da das Signifikanzniveau die Wahrscheinlichkeit dafür angibt, dass eine Stichprobe innerhalb des Ablehnungsbereichs liegt, obwohl die Nullhypothese gilt, muss bei einem linksseitigen Test folgende Gleichung gelten:Beispiel
Vorgegeben sind:Fehler
Bei der Durchführung von Signifikanztests können zwei Fehler auftreten:- Fehler 1. Art: Die Nullhypothese wird abgelehnt, obwohl sie in Wahrheit zutrifft.
- Fehler 2. Art: Die Nullhypothese wird angenommen, obwohl tatsächlich die Alternative gilt.
Wahrscheinlichkeit für die Fehler
Die Wahrscheinlichkeit für den Fehler 1. Art entspricht dem SignifikanzniveauBeispiel
Gegeben sind:
1.
Für
und
wird
festgelegt.
Berechne die Wahrscheinlichkeit für den Fehler 1. Art.
Wie groß wird diese Wahrscheinlichkeit, wenn man zum Ablehnungsbereich
noch die Zahl 45 dazu nimmt?
Berechne die Wahrscheinlichkeit für den Fehler 1. Art.
Wie groß wird diese Wahrscheinlichkeit, wenn man zum Ablehnungsbereich
2.
Für
und
wird der Annahmebereich
festgelegt.
Bestimme die Wahrscheinlichkeit für den Fehler 1. Art.
Bestimme die Wahrscheinlichkeit für den Fehler 1. Art.
3.
Bestimme für
und
den Ablehnungsbereich, wenn die Irrtumswahrschein- lichkeit (Signifikanzniveau)
- höchstens
- höchstens
- höchstens
4.
Bestimme für
und
den Ablehnungsbereich, wenn die Irrtumswahrschein- lichkeit (Signifikanzniveau)
- höchstens
- höchstens
- höchstens
5.
Ein Dodekaeder besitzt 12 gleich große Flächen, die von 1 bis 12 nummeriert sind. Da es für ein wichtiges Spiel als „Würfel“ dienen soll, wird in einem Test überprüft, ob die Flächen wirklich gleich groß und die Wahrscheinlichkeit für die Zahlen 1 bis 12 jeweils gleich ist. Betrachtet wird jedoch nur die Fläche mit der Zahl „Eins“. Es wird nun 120-mal gewürfelt. Kommt dabei mindestens 10-mal und höchstens 14-mal eine „Eins“ vor, geht man davon aus, dass das Dodekaeder in Ordnung ist.
Formuliere die Nullhypothese, die in diesem Test überprüft wird.
Notiere den Annahmebereich
und den Ablehnungsbereich
als Menge.
Obwohl das Dodekaeder in Ordnung ist, fällt bei obigem Test nur 9-mal eine „Eins“. Beschreibe anhand dieses Beispiels, was ein Fehler 1. Art ist.
6.
Bei der Produktion einer bestimmten Sorte von Elektromotoren wird vermutet, dass mindestens
fehlerhaft produziert werden.
Die Geschäftsleitung hat nun eine Stichprobe von 20 Elektromotoren veranlasst und folgende Entscheidungsregel aufgestellt: Wenn in einer Stichprobe vier oder mehr Elektormotoren fehlerhaft sind, soll die Vermutung als bestätigt gelten und es wird mehr Geld in die Optimierung der Produktion investiert.
Gib hierfür eine mögliche Nullhypothese
und den Ablehnungsbereich von
an.
Berechne die Wahrscheinlichkeit dafür, dass die Vermutung abgelehnt wird, obwohl sie zutrifft.
7.
Ein Frauenheld und sein bester Freund machen eine Wette. Der Frauenheld behauptet, dass ihm mindestens
aller Frauen, die er anspricht, ihre Handy-Nummer geben. Sein bester Freund glaubt, dass diese Rate auf jeden Fall unter
liegt.
a)
Der beste Freund schlägt einen Test vor: Wenn der Frauenheld bei 50 angesprochenen Frauen mindestens 40 Handynummern bekommt, so glaubt er ihm.
Berechne die Wahrscheinlichkeit dafür, dass die Behauptung des Frauenhelds richtig ist, aber dass sie in der Stichprobe nicht bestätigt wird.
Berechne die Wahrscheinlichkeit dafür, dass die Behauptung des Frauenhelds richtig ist, aber dass sie in der Stichprobe nicht bestätigt wird.
b)
Die Hypothese
soll bei einer Irrtumswahrscheinlichkeit (Signifikanzniveau)
von höchstens
bei einem Stichprobenumfang von 50 Frauen getestet werden. Bestimme die zugehörige Entscheidungsregel.
8.
Eine Textilfirma garantiert, das höchstens
der gelieferten Kleidung Materialfehler aufweisen. Ein Käufer will diese Aussage überprüfen, indem er eine Stichprobe von
Kleidungsstücken entnimmt. Wie lautet die Nullhypothese (Aussage des Käufers)?
Gib einen möglichen Annahme- und Ablehnungsbereich an.
Wie verändert sich die Wahrscheinlichkeit für einen Fehler 1. Art bzw. 2. Art, wenn Sie den Annahmebereich vergrößern?
Gib einen möglichen Annahme- und Ablehnungsbereich an.
Wie verändert sich die Wahrscheinlichkeit für einen Fehler 1. Art bzw. 2. Art, wenn Sie den Annahmebereich vergrößern?
9.
Nach der Vorbereitungsphase für die nächste Saison vermutet der Trainer des Basketballvereins Alba Berlin, dass sich die Freiwurftrefferquote seines “Playmakers“ im Gegensatz zur Saison im Vorjahr (Trefferquote von
) signifikant verschlechtert hat.
Um seine Vermutung zu bestätigen, möchte er die ersten 50 Freiwürfe in der neuen Saison überprüfen und seine Vermutung auf einem Signifikanzniveau (Irrtumswahrscheinlichkeit)
von
absichern.
Bei wie vielen Treffern wäre seine Vermutung richtig?
Um seine Vermutung zu bestätigen, möchte er die ersten 50 Freiwürfe in der neuen Saison überprüfen und seine Vermutung auf einem Signifikanzniveau (Irrtumswahrscheinlichkeit)
Bei wie vielen Treffern wäre seine Vermutung richtig?
10.
Der Bekanntheitsgrad
eines Kosmetikartikels liegt derzeit bei höchstens
. Eine Werbeagentur soll dies nun ändern. Sie wird beauftragt, den Bekanntheitsgrad auf über
zu steigern. Die Kosmetikmittelfirma will die Werbeagentur auf Erfolgsbasis bezahlen. Das heißt: je mehr Erfolg, desto mehr Geld. Bleibt der Erfolg aus, gibt es kein Geld.
Zur Kontrolle des Erfolges wird 2 Wochen nach Anlauf der Werbekampagne für den Kosmetikartikel 200 Personen aus der Zielgruppe ausgewählt.
Die Nullhypothese lautet
:
.
Sie soll zugunsten der Hypothese
abgelehnt werden, wenn mindestens 155 der Befragten den Kosmetikartikel kennen.
Die Nullhypothese lautet
Sie soll zugunsten der Hypothese
a)
Wie hoch ist das Risiko für die Kosmetikmittelfirma, die Werbeagentur irrtümlich zu bezahlen?
b)
Wie groß ist das Risiko für die Werbeagentur, trotz eines Bekanntheitsgrades von
kein Geld zu erhalten?
c)
Die Werbeagentur möchte gerne die Entscheidungsregeln ändern. Die Änderung soll so durchgeführt werden, dass das Risiko trotz eines Bekanntheitsgrades von
kein Geld zu erhalten, kleiner als
sein soll. Bestimme den Ablehnungsbereich.
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1.
Schritt 1: Fehlerwahrscheinlichkeit für
berechnen
Für diese Aufgabe brauchst du die Tabelle für kumulierte Binomialverteilung mit
und
. Die Wahrscheinlichkeit für den Fehler erster Art ist die Wahrscheinlichkeit dafür, dass ein Ereignis aus dem Ablehnungsbereich eintritt.
Für
ist
=
=

.
Schritt 2: Fehlerwahrscheinlichkeit für
=
berechnen
Vergrößert man den Ablehnungsbereich um das Element 45, so wird die Fehlerwahrscheinlichkeit größer:
Für
=
ist
=
=


.
2.
Fehlerwahrscheinlichkeit berechnen
Für diese Aufgabe brauchst du die Tabelle der kumulierten Binomialverteilung mit
und
. Da
ist, müssen die Werte in der Tabelle von unten abgelesen und die Differenz zu 1 gebildet werden.
Da der Annahmebereich 
gegeben ist, ergibt sich für den Ablehnungsbereich die Menge 
. Für die Fehlerwahrscheinlichkeit gilt dann:
=

3.
Ablehnungsbereiche bestimmen
Es handelt sich um einen rechtsseitigen Test, da der Ablehnungsbereich die großen Werte enthält.
Die Tabelle der kumulierten Binomialverteilung für
und
ergibt:
Daraus ergeben sich die drei jeweiligen Ablehnungsbereiche
4.
Ablehnungsbereich bestimmen
Es handelt sich um einen linksseitigen Test, da der Ablehnungsbereich die kleineren Werte enthält.
Betrachtest du die Tabelle der kumulierten Binomialverteilung für
und
, so findest du:
Da
die Wahrscheinlichkeit
darstellt, ergeben sich die jeweiligen Ablehnungsbereiche
:}
Für
ist damit der Ablehnungsbereich
=
Für
ist damit der Ablehnungsbereich
=
Für
ist damit der Ablehnungsbereich
=
5.
Nullhypothese formulieren
Die Nullhypothese lautet:
=
bei Treffer „Eins“ und
.
Annahmebereich und Ablehnungsbereich notieren
Der Annahmebereich liegt laut Aufgabenstellung bei
=
, der Ablehnungsbereich ist dann dementsprechend
=
.
Begriff der Irrtumswahrscheinlichkeit erläutern
Wenn nur 9-mal eine „Eins“ fällt, wird die Nullhypothese abgelehnt, da 9 nicht im Annahmebereich liegt. Lehnt man die Hypothese ab, obwohl der Dodekaeder in Ordnung ist, so begeht man einen Fehler 1. Art. Die Wahrscheinlichkeit, einen Fehler 1.Art zu begehen, heißt Irrtumswahrscheinlichkeit. In unserem Fall ist es die Wahrscheinlichkeit, dass weniger als
und mehr als
„Einsen“ fallen (
)}, obwohl
=
ist.
6.
Nullhypothese
formulieren
Aus der Vermutung (Anzahl der fehlerhaften Elektromotoren mindestens
) folgt die Nullhypothese
:
.
Ablehnungsbereich notieren
Aufgrund der Entscheidungsregel (vier oder mehr fehlerhafte Elektormotoren) wird die Nullhypothese genau dann verworfen, wenn sich die Anzahl der Elektromotoren im Ablehnungsbereich
:
=
befindet.
Fehlerwahrscheinlichkeit ermitteln
Es handelt sich dabei um das Signifikanzniveau (Fehler 1. Art). Also die Wahrscheinlichkeit, dass man sich gegen
entscheidet, obwohl
zutrifft.
Die Zufallsgröße
beschreibt die Anzahl der fehlerhaften Elektormotoren in der Stichprobe. Man geht davon aus, dass
binomialverteilt ist mit
und
(bei wahrer Nullhypothese).
Wenn die Nullhypothese
:
wahr ist, dann wird sie für
(siehe Ablehnungsbereich
) irrtümlich abgelehnt.
Man berechnet daher:
(siehe geeignete Tabellenwerte)
Die Wahrscheinlichkeit dafür, dass die Vermutung abgelehnt wird, obwohl sie zutrifft, beträgt damit ungefähr
.
7.
a)
Fehlerwahrscheinlichkeit ermitteln
Aus der Aufgabenstellung geht hervor, dass die Hypothese des Frauenhelds
richtig ist. Es soll nun die Wahrscheinlichkeit dafür bestimmt werden, dass sie in der Stichprobe dennoch nicht bestätigt wird. Der Ablehnungsbereich der Hypothese liegt bei
=
.
Sei
die Zufallsvariable, die die Anzahl der Handynummern angibt. Dann ist
binomialverteilt mit
und
.
Es soll die Wahrscheinlichkeit berechnet werden, mit der die Hypothese 
fälschlicherweise verworfen wird. Berechne also die Wahrscheinlichkeit dafür, dass die Ereignisse aus dem Ablehnungsbereich eintreten:
Mit einer Wahrscheinlichkeit von
wird die wahre Behauptung des Frauenhelds in der Stichprobe nicht bestätigt.
b)
Entscheidungsregel bestimmen
Die Hypothese
soll nun auf dem Signifikanzniveau von
bei einem Stichprobenumfang von 50 Frauen getestet werden. Wir müssen also den Ablehnungsbereich
festlegen wobei die Irrtumswahrscheinlichkeit maximal
betragen soll.
Gesucht ist
mit
=
, wobei
, d. h.
ist.
Betrachte nun die Tabelle der kumulierten Binomialverteilung für
und
. Du findest den Wert
=
=
. Damit ist
und
.
Damit gilt für den Ablehnungsbereich
=
.
8.
Nullhypothese formulieren
Die Nullhypothese lautet
bei Treffer „Kleidungsstück hat einen Materialfehler“ und
.
Möglichen Annahme- und Ablehnungsbereich angeben
Ein möglicher Annahmebereich ist zum Beispiel
, entsprechend ist dann der Ablehnungsbereich
=
. Bei diesem Hypothesentest handelt es sich um einen rechtsseitigen Test, da
die großen Werte enthält.
Auswirkungen auf Fehlerwahrscheinlichkeiten beschreiben
Wird der Annahmebereich
vergrößert, so wird
und damit auch
mit
verkleinert, damit wird auch die Wahrscheinlichkeit
für einen Fehler 1. Art kleiner. Die Wahrscheinlichkeit, dass man der Textilfirma glaubt, obwohl mehr Kleidungsstücke eigentlichen einen Materialfehler haben (Fehler 2. Art) nimmt dabei allerdings zu.
9.
Entscheidungsregel bestimmen
Zur Beurteilung der Vermutung des Trainers führt man einen einseitigen Hypothesentest durch. Als Nullhypothese wählt man die Vermutung, welche üblicherweise verworfen werden soll. In unserem Fall ist das die Trefferquote der letzten Saison also
:
wird verworfen, wenn der Ausgang des Tests (Anzahl der verwandelten Freiwürfe von den ersten 50 Freiwürfen) im Ablehnungsbereich liegt. Man verwirft dann
und akzeptiert die Hypothese 
(Vermutung des Trainers). Der Test soll mit einer Irrtumswahrscheinlichkeit von
abgesichert sein.
Wir teilen also den Bereich
in die Bereiche
und
Dabei ist
die größte Zahl, für die gilt:
, wobei die Zufallsvariable
die Anzahl der Treffer angibt und
-verteilt ist.
Zur Bestimmung von
wird eine geeignete Tabelle (Tabelle der kumulierten Binomialverteilung für
) herangezogen. Man liest ab:
,
: 


: 


Anmerkung: In der Regel finden sich in der Tabelle nur die Werte für
. Es ist 0,1 die Gegenwahrscheinlichkeiten von 0,9; deshalb muss man 1 minus Tabellenwert von 0,1 rechnen.
Folglich gilt:
und der Bereich
teil sich wie folgt auf:
und
Bei weniger als 42 Treffern wird die Hypothese
:
mit
verworfen, d. h. die Vermutung, der „Playmaker“ sei schwächer im Freiwurf geworden, bestätigt sich.
10.
a)
Fehlerwahrscheinlichkeit berechnen
Die Zufallsvariable
beschreibt die Anzahl der Personen, die den Kosmetikartikel kennen.
ist binomialverteilt mit
und
.
Die Kosmetikmittelfirma bezahlt irrtümlich, wenn mindestens 155 der Befragten den Artikel kennen, obwohl sich der Bekanntheitsgrad von
nicht verändert hat. Berechne also die Wahrscheinlichkeit
:
Das Risiko für die Kosmetikmittelfirma, irrtümlicherweise Geld zu bezahlen, beträgt somit nur
.
b)
Fehlerwahrscheinlichkeit berechnen
Die Zufallsvariable
beschreibt die Anzahl der Personen, die den Kosmetikartikel kennen.
ist binomialverteilt mit
und
.
Die Werbeagentur erhält dann irrtümlicherweise kein Geld, wenn sich der Bekanntheitsgrad auf
gesteigert hat, aber dennoch weniger als 155 Personen den Kosmetikartikel kennen:
Das Risiko für die Agentur, irrtümlicherweise kein Geld bei dieser Regelung zu erhalten, beträgt ca.
. Dies ist für die Werbeagentur ein definitiv viel zu hoher Wert. Man würde raten, diese Entscheidungsregel abzulehnen. Es handelt sich hierbei um einen Fehler 2. Art.
c)
Ablehnungsbereich bestimmen
Um den Ablehnungsbereich zu bestimmten, bestimmt man zunächst den größtmöglichen Annahmebereich.
ist wieder binomialverteilt mit
und
.
Sei
die Grenze für den größtmöglichen Annahmebereich, dann soll
gelten (Risiko soll kleiner als
werden)
Nun ist das eine Tabelle der kumulativen Verteilungsfunktion gefragt. Du findest die Werte:
Da gelten soll:
, ist
:
=
=
.
Wir haben nun den Ablehnungsbereich
=
gefunden.
Wenn also mindestens 142 der befragten Personen den Artikel kennen, wird die Hypothese
abgelehnt und die Agentur bekommt ihr Geld.