Ein Unternehmen hat sechs Monate lang seine Werbeausgaben und seinen Umsatz notiert. Steigt der
Umsatz, wenn mehr geworben wird? Und wie eng hängen die beiden Größen zusammen? Hier wird von
Grund auf erklärt, wie man das misst: die Daten als Streudiagramm zeichnen, um den
Schwerpunkt der Punkte Rechtecke mit Vorzeichen bilden, daraus die
Kovarianz und die Korrelation von Hand ausrechnen, das Ergebnis deuten und mit R
prüfen. Rechts steht der ganze Lösungsweg, links die Erklärung zum aktuellen Schritt. Mit
→ geht es Schritt für Schritt voran. Ein Klick auf einen Schritt springt direkt dorthin.
Schritt 0Die Aufgabe
In sechs aufeinanderfolgenden Monaten wurden die Werbeausgaben X (in 1000 €) und der Umsatz
Y (in 1000 €) eines Unternehmens erfasst:
Monat
Werbeausgaben X
Umsatz Y
1
2
25
2
4
32
3
6
48
4
8
39
5
10
45
6
12
51
Berechnen Sie von Hand die Stichprobenkovarianz sXY sowie die Stichprobenkorrelation
ρ^. Die Stichprobenvarianzen betragen sX2=14 und sY2=100.
Beurteilen Sie Art und Stärke des Zusammenhangs.
Überprüfen Sie Ihre Ergebnisse in R.
(Im Aufgabenblatt stehen die Werte nebeneinander in zwei Zeilen; hier stehen sie je Monat
untereinander. Die Zahlen sind dieselben.)
Zur Musterlösung: Alle Werte stimmen überein: xˉ=7, yˉ=40, Summe der
Produkte 160, sXY=32 (Schritt 9), ρ^≈0,8552 (Schritt 13), starker
positiver Zusammenhang (Schritt 16). Die Musterlösung schreibt Dezimalpunkte wie R (3.742), hier
stehen Dezimalkommas (3,742).
(i) Von Hand: Kovarianz und Korrelation
Streudiagramm, Schwerpunkt, Rechtecke mit Vorzeichen, sXY, ρ̂
Schritt 1Sechs Monate, sechs Paare
Für Monat i=1,…,6, beide Größen in Tausend Euro (Tsd. Euro)
xi=Werbeausgaben im Monat i
yi=Umsatz im Monat i
Je Monat ein Paar; das Semikolon trennt die beiden Zahlen
(x1;y1)=(2;25),(x2;y2)=(4;32),
(x3;y3)=(6;48),(x4;y4)=(8;39),
(x5;y5)=(10;45),(x6;y6)=(12;51)
Anzahl der Paare
n=6
Schritt 2Das Streudiagramm
Jedes Paar wird ein Punkt: xi legt fest, wie weit rechts, yi, wie weit oben
(xi;yi)⟶Punkt
Die Werbeausgaben steigen von Monat zu Monat um 2. Was macht der Umsatz?
25+732+1648−939
39+645+651
Beobachtung: der Umsatz steigt viermal und fällt einmal (Monat 3 zu Monat 4)
4×steigend,1×fallend
Schritt 3Positiver, negativer oder kein linearer Zusammenhang
Punkte um eine fallende Gerade: X größer, Y tendenziell kleiner
kein Zusammenhang
weder steigende noch fallende Tendenz
nicht linearer Zusammenhang
Punkte folgen einer Kurve, etwa erst steigend, dann fallend
Vermutung nach dem Bild — die Rechnung ab Schritt 4 soll sie prüfen und die Stärke messen
vermutlich: positiv und linear
Schritt 4Der Schwerpunkt der Punktwolke
Mittelwert der Werbeausgaben
xˉ=n1i=1∑nxi
xˉ=62+4+6+8+10+12=642=7
Mittelwert des Umsatzes
yˉ=n1i=1∑nyi
yˉ=625+32+48+39+45+51=6240=40
Schwerpunkt der Punktwolke (in Tsd. Euro)
(xˉ;yˉ)=(7;40)
Schritt 5Die Abweichungen vom Schwerpunkt
Wie weit rechts (+) oder links (−), wie weit oben (+) oder unten (−) liegt Monat i?
xi−xˉ=xi−7
yi−yˉ=yi−40
Monat
Werbung
Abweichung
Umsatz
Abweichung
i
xi
xi−xˉ
yi
yi−yˉ
1
2
−5
25
−15
2
4
−3
32
−8
3
6
−1
48
+8
4
8
+1
39
−1
5
10
+3
45
+5
6
12
+5
51
+11
Σ
42
0
240
0
Probe: in jeder Spalte ist die Summe der Abweichungen 0
−5−3−1+1+3+5=0
−15−8+8−1+5+11=0
Schritt 6Rechtecke mit Vorzeichen
Jeder Punkt spannt mit dem Schwerpunkt ein Rechteck auf; seine Seiten sind die beiden
Abweichungen
(xi−xˉ)⋅(yi−yˉ)
Lage des Punkts
xi−xˉ
yi−yˉ
Produkt
Monate
rechts oben
+
+
+
5, 6
links unten
−
−
+
1, 2
links oben
−
+
−
3
rechts unten
+
−
−
4
Schritt 7Die sechs Produkte
Die Abweichungen aus Schritt 5 malnehmen, Monat für Monat
(−5)⋅(−15)=75,(−3)⋅(−8)=24,
(−1)⋅8=−8,1⋅(−1)=−1,
3⋅5=15,5⋅11=55
Monat
Abweichung X
Abweichung Y
Produkt
i
xi−xˉ
yi−yˉ
(xi−xˉ)(yi−yˉ)
1
−5
−15
+75
2
−3
−8
+24
3
−1
+8
−8
4
+1
−1
−1
5
+3
+5
+15
6
+5
+11
+55
Einheit jedes Produkts
Tsd. Euro⋅Tsd. Euro
=(Tsd. Euro)2
Schritt 8Die Summe der Produkte: 160
Alle sechs Rechtecke mit ihren Vorzeichen addieren
i=1∑6(xi−xˉ)(yi−yˉ)
=75+24+(−8)+(−1)+15+55
Positive und negative getrennt zusammengefasst
=16975+24+15+55−9−8−1
=169−9=160
Schritt 9Die Stichprobenkovarianz: 32
Stichprobenkovarianz: Summe der Produkte geteilt durch n−1
sXY=n−11i=1∑n(xi−xˉ)(yi−yˉ)
n=6 und die Summe 160 aus Schritt 8 einsetzen
sXY=6−1160=5160=32
Einheit: (Tsd. Euro)2
Ergänzung, für die Rechnung nicht nötig — das Gegenstück für Zufallsvariablen (Skript):
die Kovarianz, die sXY schätzt
cov(X,Y)=E([X−E(X)]⋅[Y−E(Y)])
Schritt 10Die Kovarianz hängt von den Einheiten ab
Dieselben Daten in Euro statt in Tausend Euro: jede Abweichung wird 1.000-mal so groß
xi−xˉ→1.000⋅(xi−xˉ)
yi−yˉ→1.000⋅(yi−yˉ)
Jedes Produkt wird also 1.000⋅1.000=1.000.000-mal so groß, die Kovarianz auch
sXY=32⋅1.000.000
=32.000.000Euro2
Folge: Der Wert von sXY ist nicht deutbar, nur sein Vorzeichen.
Schritt 11Die gegebenen Varianzen nachrechnen
Werbeausgaben: Abweichungen aus Schritt 5 quadrieren, addieren, durch n−1=5 teilen
i=1∑6(xi−xˉ)2=25+9+1+1+9+25=70
sX2=570=14✓
Umsatz: ebenso
i=1∑6(yi−yˉ)2=225+64+64+1+25+121
=500,sY2=5500=100✓
Die Varianz ist die Kovarianz einer Größe mit sich selbst: aus Rechtecken werden Quadrate
sX2=n−11i=1∑n(xi−xˉ)⋅(xi−xˉ)
cov(X,X)=var(X)
Schritt 12Die Standardabweichungen
Standardabweichung = Wurzel aus der Stichprobenvarianz, in Tsd. Euro, auf vier
Nachkommastellen
sX=14=3,741657…≈3,7417
sY=100=10
Das Produkt: Fläche des Rechtecks mit den Seiten sX und sY
sX⋅sY=14⋅10=37,41657…
≈37,4166(Tsd. Euro)2
Dieselben Standardabweichungen in Euro (wie in Schritt 10 alles 1.000-mal so groß)
sX=3.741,657…,sY=10.000
Schritt 13Die Stichprobenkorrelation: ρ̂ ≈ 0,8552
Stichprobenkorrelation: Kovarianz geteilt durch das Produkt der Standardabweichungen
ρ^=sX⋅sYsXY
sXY=32 (Schritt 9) und sX⋅sY (Schritt 12) einsetzen, auf vier
Nachkommastellen
ρ^=14⋅1032≈37,416632
=0,85523…≈0,8552
Die Einheiten kürzen sich: ρ^ hat keine Einheit
Tsd. Euro⋅Tsd. Euro(Tsd. Euro)2=1
Probe in Euro (Schritte 10 und 12): dieselbe Zahl
3.741,657…⋅10.00032.000.000
≈37.416.57432.000.000≈0,8552
Ergänzung, für die Rechnung nicht nötig — das Gegenstück für Zufallsvariablen (Skript):
die Korrelation, die ρ^ schätzt
ρ=var(X)⋅var(Y)cov(X,Y)
(ii) Art und Stärke · (iii) Probe mit R
Skala von −1 bis 1, Vorzeichen, Daumenregel, Grenzen der Deutung, R
Schritt 14Die Grenzen: −1 und 1
Die Korrelation liegt immer zwischen −1 und 1 (Skript); ±1 genau dann, wenn alle
Punkte auf einer Geraden liegen
−1≤ρ≤1,−1≤ρ^≤1
Nur für Interessierte — warum genau ±1? Alle Punkte auf einer Geraden yi=c⋅xi+d mit c=0. Dann ist yˉ=c⋅xˉ+d und
yi−yˉ=c⋅(xi−xˉ)
Nur für Interessierte: in sXY und sY2 eingesetzt (∣c∣ = Betrag, die Zahl ohne
Vorzeichen)
sXY=c⋅sX2
sY2=c2⋅sX2,sY=∣c∣⋅sX
Nur für Interessierte: also +1 bei steigender Gerade (c>0), −1 bei fallender
(c<0)
ρ^=sX⋅∣c∣⋅sXc⋅sX2=∣c∣c
={+1,−1,falls c>0falls c<0
Die Mitte
ρ=0:unkorreliert
Schritt 15Die Art: positiver Zusammenhang
Der Nenner sX⋅sY ist positiv, also hat ρ^ dasselbe Vorzeichen wie
sXY
sXY=32>0,ρ^≈0,8552>0
Art des Zusammenhangs: ein positiver, also gleichgerichteter, linearer Zusammenhang.
In Monaten mit höheren Werbeausgaben war der Umsatz tendenziell höher.
Schritt 16Die Stärke: die Daumenregel
Betrag ∣ρ^∣
Stärke (Daumenregel im Skript)
0,5<∣ρ^∣≤0,7
schwache Korrelation
∣ρ^∣>0,7
starke Korrelation
∣ρ^∣≤0,5
die Daumenregel nennt keine Stufe
Hier
∣ρ^∣=∣0,8552∣=0,8552
0,8552>0,7⇒stark
Antwort zu (ii): Zwischen Werbeausgaben und Umsatz besteht ein
starker positiver linearer Zusammenhang.
Schritt 17Was die Korrelation nicht sagt
ρ^≈0,8552 sagt nicht …
Warum nicht
Mehr dazu (Blatt 8)
1. dass Werbung den Umsatz verursacht
Korrelation ist nicht Kausalität (Ursache und Wirkung)
Aufgabe 4
2. wie viel Umsatz 1.000 € mehr Werbung bringen
ρ^ misst die Enge um eine Gerade, nicht ihre Steigung
Aufgabe 3
3. ob die Punkte wirklich einer Geraden folgen und nicht einer Kurve
ρ^ erfasst nur lineare Zusammenhänge — immer das Streudiagramm ansehen
Aufgabe 5
4. ob der Zusammenhang über die sechs Monate hinaus nachweisbar ist
✓(i) Stichprobenkorrelation ρ^=32:(14⋅10)≈0,8552, ohne Einheit
✓(ii) ρ^>0 und ∣ρ^∣>0,7:
starker positiver linearer Zusammenhang — in Monaten mit mehr Werbung war der
Umsatz tendenziell höher
✓(iii) R: cov(x, y) = 32, var = 14 und
100, cor(x, y) = 0.855236
Proben: Die Abweichungen ergeben in beiden Spalten zusammen 0. Aus ihnen folgen genau
die gegebenen Varianzen 14 und 100. ρ^ liegt zwischen −1 und 1. In Euro gerechnet
ändert sich die Kovarianz, die Korrelation nicht. R bestätigt alle Werte.
Typische Fehler: Verschiedene Nenner mischen: 160:6≈26,667 statt 160:5, aber die Varianzen mit n−1 — dann kommt 26,667:37,4166≈0,7127
heraus. Die Varianzen statt der Standardabweichungen in den Nenner setzen: 32:(14⋅100)≈0,0229. Ein Vorzeichen bei den Abweichungen vergessen, etwa (−1)⋅8=+8 statt −8. Die Größe der Kovarianz als Stärke deuten („32 ist viel“). ρ^≈0,86 als „86 %“ oder als Beweis für eine Wirkung der Werbung lesen. Die Paare trennen oder
eine Reihe umsortieren.