Maschine und Qualität: Phi- und Kontingenzkoeffizient
Zwei Maschinen stellen dasselbe Produkt her. Bei Maschine 1 sind 15 von 55 Produkten fehlerhaft, bei Maschine 2 nur 5 von 55. Hängt die Qualität also von der Maschine ab, und wie stark? Das messen drei Kennzahlen: der Phi-Koeffizient, der Kontingenzkoeffizient und der korrigierte Kontingenzkoeffizient. Alles wird von Hand gerechnet, mit der Formelsammlung der Klausur. Der ganze Lösungsweg steht offen da, die Erklärung gehört jeweils zum aktuellen Schritt. Mit Weiter geht es Schritt für Schritt voran. Ein Klick auf einen Schritt springt direkt dorthin.
Die Aufgabe
Aufgabe 2: (10 Punkte)
Folgende „Vierfeldertafel“ stellt die Qualität eines Produkts (y) in Abhängigkeit des Maschinentyps (x) dar:
x (Maschine)
y (in Ordnung): Ja
Nein
Summe
1
40
15
55
2
50
5
55
Summe
90
20
110
Berechnen Sie den Phi-Koeffizienten φ. (4 Punkte)
Berechnen Sie den Kontingenzkoeffizienten C und den korrigierten Kontingenzkoeffizienten Ckorr und interpretieren diesen. (4 Punkte)
Erklären Sie kurz den Vorteil des korrigieren Kontingenzkoeffizienten gegenüber dem Phi-Koeffizienten. (2 Punkte)
Die Vierfeldertafel lesen
zwei Merkmale, vier Felder, Randsummen
Merkmale, Felder und Randsummen
Ja
Nein
Zeilensumme
Maschine 1
a = 40
b = 15
a+b = 55
Maschine 2
c = 50
d = 5
c+d = 55
Spaltensumme
a+c = 90
b+d = 20
n = 110
Probe: alle vier Felder zusammen ergeben n
a+b+c+d=40+15+50+5=110=n
Was „Zusammenhang“ hier heißt
Anteil fehlerhafter Produkte je Maschine
Maschine 1: 5515=0,2727≈27,3%
Maschine 2: 555=0,0909≈9,1%
Beide Maschinen zusammen (Spaltensumme Nein durch n)
11020=0,1818≈18,2%
a) Der Phi-Koeffizient φ (4 Punkte)
Kennzahl für zwei Merkmale mit je zwei Ausprägungen
Die Formel und der Zähler a · d − b · c
Phi-Koeffizient (Formelsammlung der Klausur)
φ=(a+b)(c+d)(a+c)(b+d)a⋅d−b⋅c
Zähler, Zahlen aus Schritt 1
a⋅d=40⋅5=200
b⋅c=15⋅50=750
a⋅d−b⋅c=200−750=−550
Der Nenner und φ
Nenner: die vier Randsummen multiplizieren
(a+b)(c+d)(a+c)(b+d)=55⋅55⋅90⋅20
=3025⋅1800=5445000
Wurzel ziehen
5445000≈2333,45
Zähler aus Schritt 3 durch den Nenner
φ=2333,45−550=−0,2357≈−0,236
φ deuten: Vorzeichen und Stärke
Betrag: der Wert ohne Vorzeichen
∣φ∣=∣−0,236∣=0,236
Einordnung zwischen den Marken der Vorlesung
0,1<0,236<0,3
b) C und Ckorr (4 Punkte)
über Chi-Quadrat, in drei Schritten wie in der Formelsammlung
Erwartete Häufigkeiten ohne Zusammenhang
Erwartete Häufigkeit bei Unabhängigkeit (Formelsammlung der Klausur)
nij(E)=nni⋅⋅n⋅j=nZeilensumme⋅Spaltensumme
Spalte Ja (Spaltensumme 90), für jede Maschine
11055⋅90=1104950=45
Spalte Nein (Spaltensumme 20), für jede Maschine
11055⋅20=1101100=10
beobachtet (erwartet)
Ja
Nein
Summe
Maschine 1
40 (45)
15 (10)
55
Maschine 2
50 (45)
5 (10)
55
Summe
90
20
110
Die erwarteten Werte haben dieselben Randsummen wie die beobachteten.
Chi-Quadrat: die Abweichungen zusammenfassen
Chi-Quadrat (Formelsammlung der Klausur)
χ2=i=1∑kj=1∑lnij(E)(nij(B)−nij(E))2
Die vier Felder: (beobachtet − erwartet)² / erwartet
M1, Ja: 45(40−45)2=4525=0,5556
M1, Nein: 10(15−10)2=1025=2,5
M2, Ja: 45(50−45)2=4525=0,5556
M2, Nein: 10(5−10)2=1025=2,5
Summe der vier Felder
χ2=0,5556+2,5+0,5556+2,5
=6,1111≈6,111
Der Kontingenzkoeffizient C
Kontingenzkoeffizient (Formelsammlung der Klausur)
C=χ2+nχ2
Eingesetzt
C=6,1111+1106,1111=116,11116,1111
=0,05263=0,2294≈0,229
Der korrigierte Kontingenzkoeffizient und seine Deutung
Korrigierter Kontingenzkoeffizient (Formelsammlung der Klausur)
Ckorr=C⋅M−1M
M=Min(Spalten,Zeilen)
M bestimmen: 2 Spalten, 2 Zeilen
M=Min(2,2)=2
Eingesetzt, C ungerundet aus Schritt 8
Ckorr=0,2294⋅2−12=0,2294⋅2
=0,2294⋅1,4142=0,3244≈0,324
Probe: C durch seinen größten Wert
0,70710,2294=0,3244
c) Der Vorteil von Ckorr (2 Punkte)
ein bis zwei Sätze, kein Rechnen
Was C korr kann und φ nicht
Antwort c), so in der Klausur:
Der korrigierte Kontingenzkoeffizient lässt sich für Kontingenztabellen beliebiger Größe berechnen, also auch für Merkmale mit mehr als zwei Ausprägungen. Der Phi-Koeffizient gilt nur für zwei dichotome Merkmale in einer Vierfeldertafel. Durch die Korrektur erreicht Ckorr bei vollständigem Zusammenhang wie der Phi-Koeffizient den Wert 1; das unkorrigierte C käme bei einer Vierfeldertafel nur bis 0,707.
Ergebnis
a) φ=55⋅55⋅90⋅2040⋅5−15⋅50=2333,45−550≈−0,236
b) erwartet 45 | 10 je Maschine, χ2≈6,111, C≈0,229, Ckorr≈0,324: schwacher Zusammenhang
c) Ckorr auch für Tafeln mit mehr als zwei Zeilen oder Spalten, erreicht wie ∣φ∣ die 1; φ nur für zwei dichotome Merkmale
Probe: Bei einer Vierfeldertafel gilt χ2=n⋅φ2=110⋅0,05556=6,111. Das passt zu Schritt 7.
Plausibel: Die Anteile fehlerhafter Produkte (27,3 % und 9,1 %) sind deutlich verschieden, aber nicht extrem. Ein schwacher Zusammenhang passt dazu.
So holst du die Punkte: a) Formel, Werte für a bis d eingesetzt, Ergebnis. b) Tafel der erwarteten Werte, χ2, C, M und Ckorr mit Rechenweg, dazu ein Satz: „schwacher Zusammenhang zwischen Maschine und Qualität, Maschine 2 hat weniger fehlerhafte Produkte“. c) Ein Satz zur Tafelgröße (mehr als zwei Zeilen oder Spalten) und einer zur Korrektur.
Der Weg in Kürze: Die Tafel lesen und a bis d zuordnen. Für φ Diagonalprodukte abziehen und durch die Wurzel der Randsummen teilen. Für C erst die erwarteten Häufigkeiten (Zeilensumme mal Spaltensumme durch n), dann χ2, dann C=χ2/(χ2+n), zuletzt mit M/(M−1) korrigieren. Deuten im Sachzusammenhang.