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Statistik · Probeklausur 4 · Aufgabe 5

Batterie-Reklamationen: χ²-Unabhängigkeitstest

Ein Autohersteller bekommt 125 Reklamationen zu Batterien von drei Zulieferern. Jede Reklamation nennt einen von drei Fehlern. Die Frage: Treten die Fehler bei allen Zulieferern gleich oft auf, oder hängt der Fehlertyp vom Zulieferer ab? Das prüft der χ²-Test (sprich: Chi-Quadrat) in fünf Schritten, einmal mit 5 % und einmal mit 1 % Irrtumswahrscheinlichkeit. Das ist Aufgabe 5 der Probeklausur 4 (Gesamtklausur zu Teil 1 und 2 der Vorlesung), mit 14 von 120 Punkten. 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 5 (14 Punkte)

Ein Automobilhersteller bezieht Batterien für E-Autos von den drei Zuliefererfirmen Onfire GmbH, E-Con GmbH und Power Unit AG. Innerhalb eines Jahres erhält er 125 Reklamationen, wobei hier im Detail folgende Fehler gemeldet werden:

  • A: Die Batterie kann nicht geladen werden.
  • B: Die Batterie entlädt zu schnell.
  • C: Die Batterie erhitzt sich übermäßig stark.

Der verantwortliche Ingenieur stellt folgende Kontingenztabelle auf:

FehlerOnfire GmbHE-Con GmbHPower Unit AG
A15,0020,0010,00
B20,0010,005,00
C10,0025,0010,00
  1. Lässt sich aus diesen Angaben auf eine Abhängigkeit der Fehlertypen von der Herstellerfirma schließen? Führen Sie einen geeigneten Hypothesentest mit Signifikanzniveau α = 5 % durch, indem Sie die 5 dazu notwendigen Schritte durchführen. (10 Punkte)
  2. Wie lautet die Testentscheidung des Hypothesentests, wenn das Signifikanzniveau α = 1 % angenommen wird. (4 Punkte)

Probeklausur, Teil 1 und 2. Zeit: 120 Minuten, Gesamtpunktzahl: 120.

Die Klausur dauert 120 Minuten und bringt 120 Punkte, also etwa eine Minute je Punkt. Erlaubt sind die Formelsammlung und ein Taschenrechner, der sich nicht programmieren lässt. Aufgabe 5 bringt 14 Punkte, gut 14 Minuten.

In eigenen Worten: Es gibt zwei Merkmale: den Zulieferer und den Fehlertyp. Die Tabelle zählt, wie oft jede Kombination vorkommt. Gefragt ist, ob die beiden Merkmale zusammenhängen. Dafür vergleicht man die Tabelle mit einer Tabelle, in der sie nichts miteinander zu tun haben, und misst den Abstand mit einer einzigen Zahl.

Teilwas verlangt istPunkte
a)Test auf Abhängigkeit bei α = 5 % in fünf Schritten10
b)Entscheidung bei α = 1 %4

Der Weg:

  1. Test wählen und Hypothesen aufstellen (a, Seitenschritte 1 und 2).
  2. Irrtumswahrscheinlichkeit festlegen (a, Seitenschritt 3).
  3. Erwartete Häufigkeiten und den Prüfwert χ² berechnen (a, Seitenschritte 4 und 5).
  4. Kritischen Wert in der Tabelle ablesen (a, Seitenschritt 6).
  5. Vergleichen und deuten (a, Seitenschritt 7).
  6. Mit dem strengeren Niveau 1 % neu entscheiden (b, Seitenschritte 8 und 9).
Merke: Ein χ²-Test prüft nie „wie stark“, sondern „ob die Abweichung vom Zufall erklärbar ist“. Die Entscheidung hängt vom gewählten Niveau ab.

Welcher Test? Der χ²-Unabhängigkeitstest

a) · 10 Punkte. Verlangt sind die fünf Schritte des Tests. Die Seitenschritte 1 bis 7 führen sie aus.

FehlerOnfire GmbHE-Con GmbHPower Unit AGSumme
A15201045
B2010535
C10251045
Summe455525125
Probe: alle Felder zusammen
15+20+10+20+10+5+10+25+10=125=n15 + 20 + 10 + 20 + 10 + 5 + 10 + 25 + 10 = 125 = n

Beide Merkmale sind Kategorien: Zulieferer (drei Firmen) und Fehlertyp (A, B, C). Mit Kategorien kann man nicht rechnen wie mit Zahlen; man kann sie nur zählen. Zum Zählen gehört eine Kontingenztabelle: Zeilen für das eine Merkmal, Spalten für das andere, in jedem Feld die Anzahl der Fälle.

Die Frage „hängen zwei Kategorien zusammen?“ beantwortet der χ²-Unabhängigkeitstest. Er geht so vor: Erst rechnet man aus, wie die Tabelle aussähe, wenn die Merkmale unabhängig wären. Dann misst man, wie weit die echte Tabelle davon abweicht. Ist der Abstand zu groß für den Zufall, nimmt man an, dass die Merkmale zusammenhängen.

Probe: Die neun Felder ergeben zusammen die 125 Reklamationen der Aufgabe.

Testschritt 1: Hypothesen aufstellen

Nullhypothese und Alternativhypothese
H0 ⁣:Fehlertyp und Zulieferer sind unabha¨ngig voneinander.H1 ⁣:Fehlertyp und Zulieferer sind abha¨ngig voneinander.\begin{aligned} H_0&\colon \text{Fehlertyp und Zulieferer sind unabhängig voneinander.} \\ H_1&\colon \text{Fehlertyp und Zulieferer sind abhängig voneinander.} \end{aligned}

Ein Test beginnt mit zwei Aussagen, die sich ausschließen. Die Nullhypothese H0H_0 sagt: „Es gibt keinen Zusammenhang.“ Von ihr geht der Test aus, solange die Daten sie nicht klar widerlegen. Die Alternativhypothese H1H_1 sagt das Gegenteil.

Hier heißt das: Unter H0H_0 verteilen sich die Fehler A, B und C bei jedem Zulieferer gleich. Unter H1H_1 tun sie das bei mindestens einem Zulieferer nicht.

Noch 8 Schritte bis zum Ergebnis
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Kontingenztabelle und Zahlenstrecke

beobachtet, erwartet

Abbildung 1Kontingenztabelle und Zahlenstrecke

beobachtet, erwartet

OnfireE-ConPower UnitABC15201020105102510e = 16,2e = 19,8e = 9e = 12,6e = 15,4e = 7e = 16,2e = 19,8e = 9+0,089+0,002+0,111+4,346+1,894+0,571+2,373+1,366+0,111453545455525125Die Kontingenztabelle der Aufgabe: Jedes Feld zeigt die Anzahl der Reklamationen für einen Fehlertyp (Zeile) und einen Zulieferer (Spalte). Zusammen sind es 125.

Abbildung 1Kontingenztabelle und Zahlenstrecke

beobachtet, erwartet

0246810121416χ²9,488 (5 %)13,277 (1 %)Prüfwert 10,863
Legendegetönt: Annahmebereich (H0 bleibt bestehen)Zahlenstrecke von χ²: Prüfwert 10,863 und kritische Werte 9,488 (5 %) und 13,277 (1 %).