Aufgabenbeispiele von Tests
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Hypothesen-Test linksseitig
Beispiel:
Eine Pharmafirma behauptet, dass durch eine Verbesserung der Rezeptur die Nebenwirkungen eines Medikaments unter p=0,3 gesunken ist. Um dies nachzuweisen, soll ein 75-stufiger Test mit einer maximalen Irrtumswahrscheinlichkeit von 5% durchgeführt werden. In welchem Intervall muss hierfür die Anzahl der Nebenwirkungen liegen? Wie hoch ist die Irrtumswahrscheinlichkeit?
| k | P(X≤k) |
|---|---|
| ... | ... |
| 10 | 0.0006 |
| 11 | 0.0017 |
| 12 | 0.0041 |
| 13 | 0.0091 |
| 14 | 0.0187 |
| 15 | 0.0353 |
| 16 | 0.062 |
| 17 | 0.1017 |
| 18 | 0.1566 |
| 19 | 0.2271 |
| ... | ... |
Dieser Hypothesentest wird gemacht um die Nullhypothese H0: p ≥ 0.3 zu verwerfen. Der Test soll bestätigen, dass p<0.3 ist, also ist es ein linksseitiger Hypothesentest. Wir suchen somit den Ablehnungsbereich der Nullhypothese H0 auf der linken Seite so, dass die Gesamt-Wahrscheinlichkeit dieses Bereichs gerade noch kleiner als das Signifikanzniveau 5% ist.
Schaut man dazu die kumulierte Binomialverteilung an (TI: y1=binomcdf(75,0.3,X) ), so erkennt man, dass die Trefferzahlen links im Interval zwischen 0 und 15 weniger als 5% der Gesamt-Wahrscheinlichkeit auf sich vereinen. Kommt nun bei einer Stichprobe/Zufallsexperiment eine Trefferzahl in diesem Intervall, wäre das bei Gültigkeit von Nullhypothese H0: p=0.3 so unwahrscheinlich, dass man diese Nullhypothese verwerfen kann und somit p<0.3 als statistisch abgesichert betrachten darf. Dabei bleibt jedoch eine (Rest-) Irrtumswahrscheinlichkeit von 0.0353 =3.53% (dass die Nullhypothese doch stimmt und wir sie irrtümlicherweise verworfen haben)
Ablehnungsbereich von H0: [0;15]
Annahmebereich von H0: [16;75]
Entscheidungsregel: Fällt die Anzahl der Treffer in den Ablehnungsbereich von H0: [0;15], so ist die Nullhypothese zu verwerfen, fällt die Anzahl der Treffer in den Annahmebereich von H0: [16;75], so muss die Nullhypothese beibehalten werden.
(also keine kumulierte Wahrscheinlichkeit wie links in der Tabelle)
Hypothesen-Test rechtseitig
Beispiel:
Durch einen Test soll statistisch belegt werden, dass eine bestimmte Wahrscheinlichkeit p> 0,7 ist. Dazu soll die Nullhypothese H0: p=0,7 mit einer zufälligen Stichprobe (praktisch als Zufallsexperiment) der Größe n=53 verworfen werden. Die maximale Irrtumswahrscheinlichkeit α soll dabei 5% betragen.
In welchem Bereich muss die Anzahl der Treffer bei der Stichprobe liegen, um das gewünschte Ergebnis zu erhalten? Wie groß ist in diesem Fall die Irrtumswahrscheinlichkeit?
| k | P(X≤k) |
|---|---|
| ... | ... |
| 37 | 0.5397 |
| 38 | 0.6563 |
| 39 | 0.7608 |
| 40 | 0.8463 |
| 41 | 0.9094 |
| 42 | 0.9516 |
| 43 | 0.9767 |
| 44 | 0.99 |
| 45 | 0.9963 |
| 46 | 0.9988 |
| ... | ... |
Dieser Hypothesentest wird gemacht um die Nullhypothese H0: p ≤ 0.7 zu verwerfen. Der Test soll bestätigen, dass p>0.7 ist, also ist es ein rechtsseitiger Hypothesentest. Wir suchen somit den Ablehnungsbereich der Nullhypothese H0 auf der rechten Seite so, dass die Gesamt-Wahrscheinlichkeit dieses Bereichs gerade noch kleiner als das Signifikanzniveau 5% ist.
Das heißt, dass der Annahmebereich von H0 (hier blau eingefärbt) auf der linken Seite mindestens 1-0.05= 0.95 Wahrscheinlichkeit auf sich vereinen muss.
Schaut man dazu die kumulierte Binomialverteilung an (TI: y1=binomcdf(53,0.7,X) ), so erkennt man, dass die Trefferzahlen links im Interval zwischen 0 und 42 erstmals mindestens 95% der Gesamt-Wahrscheinlichkeit ausmachen.
Annahmebereich von H0: [0;42]
Dies bedeutet für den eigentlich gesuchten Ablehnungsbereich H0 dass dieser erst bei 43 Treffern beginnt.
Ablehnungsbereich von H0: [43;53]
Kommt nun bei einer Stichprobe/Zufallsexperiment eine Trefferzahl in diesem Intervall, wäre das bei Gültigkeit von Nullhypothese H0: p=0.7 so unwahrscheinlich, dass man diese Nullhypothese verwerfen kann und somit p>0.7 als statistisch abgesichert betrachten darf. Dabei bleibt jedoch eine (Rest-) Irrtumswahrscheinlichkeit von 0.0484 =4.84% (dass die Nullhypothese doch stimmt und wir sie irrtümlicherweise verworfen haben)
Entscheidungsregel: Fällt die Anzahl der Treffer in den Ablehnungsbereich von H0: [43;53], so ist die Nullhypothese zu verwerfen, fällt die Anzahl der Treffer in den Annahmebereich von H0: [0;42], so muss die Nullhypothese beibehalten werden.
(also keine kumulierte Wahrscheinlichkeit wie links in der Tabelle)
Hypothesen-Test linksseitig
Beispiel:
Durch einen Test soll statistisch belegt werden, dass eine bestimmte Wahrscheinlichkeit p< 0,4 ist. Dazu soll die Nullhypothese H0: p=0,4 mit einer zufälligen Stichprobe (praktisch als Zufallsexperiment) der Größe n=90 verworfen werden. Die maximale Irrtumswahrscheinlichkeit α soll dabei 5% betragen.
In welchem Bereich muss die Anzahl der Treffer bei der Stichprobe liegen, um das gewünschte Ergebnis zu erhalten? Wie groß ist in diesem Fall die Irrtumswahrscheinlichkeit?
| k | P(X≤k) |
|---|---|
| ... | ... |
| 22 | 0.0014 |
| 23 | 0.0029 |
| 24 | 0.0058 |
| 25 | 0.0107 |
| 26 | 0.019 |
| 27 | 0.0321 |
| 28 | 0.0517 |
| 29 | 0.0797 |
| 30 | 0.1176 |
| 31 | 0.1666 |
| ... | ... |
Dieser Hypothesentest wird gemacht um die Nullhypothese H0: p ≥ 0.4 zu verwerfen. Der Test soll bestätigen, dass p<0.4 ist, also ist es ein linksseitiger Hypothesentest. Wir suchen somit den Ablehnungsbereich der Nullhypothese H0 auf der linken Seite so, dass die Gesamt-Wahrscheinlichkeit dieses Bereichs gerade noch kleiner als das Signifikanzniveau 5% ist.
Schaut man dazu die kumulierte Binomialverteilung an (TI: y1=binomcdf(90,0.4,X) ), so erkennt man, dass die Trefferzahlen links im Interval zwischen 0 und 27 weniger als 5% der Gesamt-Wahrscheinlichkeit auf sich vereinen. Kommt nun bei einer Stichprobe/Zufallsexperiment eine Trefferzahl in diesem Intervall, wäre das bei Gültigkeit von Nullhypothese H0: p=0.4 so unwahrscheinlich, dass man diese Nullhypothese verwerfen kann und somit p<0.4 als statistisch abgesichert betrachten darf. Dabei bleibt jedoch eine (Rest-) Irrtumswahrscheinlichkeit von 0.0321 =3.21% (dass die Nullhypothese doch stimmt und wir sie irrtümlicherweise verworfen haben)
Ablehnungsbereich von H0: [0;27]
Annahmebereich von H0: [28;90]
Entscheidungsregel: Fällt die Anzahl der Treffer in den Ablehnungsbereich von H0: [0;27], so ist die Nullhypothese zu verwerfen, fällt die Anzahl der Treffer in den Annahmebereich von H0: [28;90], so muss die Nullhypothese beibehalten werden.
(also keine kumulierte Wahrscheinlichkeit wie links in der Tabelle)
Fehler 2. Art
Beispiel:
Ein spielsüchtiger 12-Klässler möchte nachweisen, dass ein bestimmter Würfel gezinkt ist und zu selten eine 6 kommt. Dazu macht er einen Signifikanztest mit 85 Würfen und einem Signifikanzniveau von 0,1%.
a) In welchem Bereich muss die Anzahl der 6er liegen, damit er die Spielbank verklagen kann.
b) In Wirklichkeit ist der Würfel tatsächlich manipuliert und würfelt nur mit der Wahrscheinlichkeit von 13% eine sechs. Wie groß ist nun die Wahrscheinlichkeit, dass bei dem Test trotzdem die Anzahl der Sechsen nicht in den Ablehnungsbereich gefallen ist und somit - irrtümlicherweise - die falsche Nullhypothese nicht verworfen wurde?
| k | P(X≤k) |
|---|---|
| 0 | 0 |
| 1 | 0 |
| 2 | 0 |
| 3 | 0.0002 |
| 4 | 0.0008 |
| 5 | 0.0027 |
| 6 | 0.0079 |
| 7 | 0.0197 |
| 8 | 0.0426 |
| ... | ... |
Dieser Hypothesentest wird gemacht um die Nullhypothese H0: p ≥ zu verwerfen. Der Test soll bestätigen, dass p< ist, also ist es ein linksseitiger Hypothesentest. Wir suchen somit den Ablehnungsbereich der Nullhypothese H0 auf der linken Seite so, dass die Gesamt-Wahrscheinlichkeit dieses Bereichs gerade noch kleiner als das Signifikanzniveau 0.1% ist.
Schaut man dazu die kumulierte Binomialverteilung an (TI: y1=binomcdf(85,,X) ), so erkennt man, dass die Trefferzahlen links im Interval zwischen 0 und 4 weniger als 0.1% der Gesamt-Wahrscheinlichkeit auf sich vereinen. Kommt nun bei einer Stichprobe/Zufallsexperiment eine Trefferzahl in diesem Intervall, wäre das bei Gültigkeit von Nullhypothese H0: p= so unwahrscheinlich, dass man diese Nullhypothese verwerfen kann und somit p< als statistisch abgesichert betrachten darf. Dabei bleibt jedoch eine (Rest-) Irrtumswahrscheinlichkeit von 0.0008 =0.08% (dass die Nullhypothese doch stimmt und wir sie irrtümlicherweise verworfen haben)
Ablehnungsbereich von H0: [0;4]
Annahmebereich von H0: [5;85]
Entscheidungsregel: Fällt die Anzahl der Treffer in den Ablehnungsbereich von H0: [0;4], so ist die Nullhypothese zu verwerfen, fällt die Anzahl der Treffer in den Annahmebereich von H0: [5;85], so muss die Nullhypothese beibehalten werden.
(also keine kumulierte Wahrscheinlichkeit wie links in der Tabelle)
In dieser Aufgabe ist ja aber H0:p= falsch, weil ja in Wirklichkeit p=0.13 ist.
Gesucht ist nun die Wahrscheinlichkeit, dass bei dem Test die Trefferanzahl nicht in den Ablehnungsbereich gefallen ist, sondern in den Bereich von 5 bis 85, so dass H0 (irrtümlicherweise) nicht verworfen wurde.
Diese Wahrscheinlichkeit (mit dem richtigen p=0.13) beträgt nun: =1- ≈ 1-0.0104 ≈ 0.9896
Mit 98.96% Wahrscheinlichkeit landet also das Ergebnis des Test im Nicht-Ablehnungsbereich (im Histogramm oben: blauer Bereich), so dass die falsche Nullhypothese nicht verworfen wird.
