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Statistik · Probeklausur 4 · Aufgabe 8

Siebenseitiger Würfel: χ²-Anpassungstest

Für ein Strategiespiel wird ein siebenseitiger Würfel benötigt. Er wurde 210-mal geworfen, und jede Zahl wurde gezählt. Ein fairer Würfel zeigt jede Zahl gleich oft. Hier fielen manche Zahlen häufiger. Die Frage: Ist das noch Zufall, oder ist der Würfel manipuliert? Das prüft der χ²-Test (sprich: Chi-Quadrat) in fünf Schritten, einmal mit 5 % und einmal mit 2 % Irrtumswahrscheinlichkeit. Das ist Aufgabe 8 der Probeklausur 4 (Gesamtklausur zu Teil 1 und 2 der Vorlesung), mit 10 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 8 (10 Punkte)

Für ein Strategiespiel wird ein 7-seitiger Würfel benötigt. Nach 210 Würfen konnte man folgende Beobachtungen machen:

ZahlenAnzahl
118
238
330
435
522
641
726
  1. Führen Sie einen geeigneten Test zur Überprüfung der Gleichverteilung aller Zahlen des Würfels mit einer Irrtumswahrscheinlichkeit von α = 5 % durch. Ist der Würfel manipuliert? Es sind hier die üblichen 5 Schritte eines Hypothesentests durchzuführen. (7 Punkte)
  2. Führen Sie den in a) durchgeführten Test für α = 2 % durch und treffen die Testentscheidung. (3 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 8 bringt 10 Punkte, etwa 10 Minuten.

In eigenen Worten: Bei 210 Würfen erwartet man von einem fairen Würfel mit sieben Seiten jede Zahl 30-mal. Beobachtet wurden Zahlen zwischen 18 und 41. Der Test misst, wie weit die sieben Anzahlen insgesamt von 30 entfernt sind, und entscheidet, ob so viel Abstand zum Zufall passt.

Teilwas verlangt istPunkte
a)Test auf Gleichverteilung bei α = 5 % in fünf Schritten7
b)derselbe Test bei α = 2 %3

Der Weg:

  1. Test wählen und Hypothesen aufstellen (a, Seitenschritte 1 und 2).
  2. Irrtumswahrscheinlichkeit festlegen (a, Seitenschritt 3).
  3. Erwartete Anzahl 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 2 % neu entscheiden (b, Seitenschritte 8 und 9).
Merke: Der Prüfwert hängt nur von den Daten ab. Das Niveau bestimmt nur, wo die Grenze liegt.

Welcher Test? Der χ²-Anpassungstest

a) · 7 Punkte. Verlangt sind die fünf Schritte des Tests und die Antwort, ob der Würfel manipuliert ist. Die Seitenschritte 1 bis 7 führen sie aus.

Probe: alle Anzahlen zusammen
18+38+30+35+22+41+26=210=n18 + 38 + 30 + 35 + 22 + 41 + 26 = 210 = n

Das Merkmal ist die Zahl, die oben liegt: sieben Kategorien. Man hat gezählt, wie oft jede Kategorie vorkam. Gefragt ist, ob diese Zählung zu einer festen Verteilung passt, hier zur Gleichverteilung: Jede Zahl hat dieselbe Wahrscheinlichkeit.

Dafür gibt es den χ²-Anpassungstest. Er legt die beobachteten Anzahlen neben die Anzahlen, die zur angenommenen Verteilung gehören, und misst den Abstand. Der Unterschied zum Unabhängigkeitstest: Hier gibt es nur ein Merkmal, und die erwartete Verteilung wird vorgegeben statt aus Randsummen berechnet.

Probe: Die sieben Anzahlen ergeben die 210 Würfe der Aufgabe.

Testschritt 1: Hypothesen aufstellen

Nullhypothese und Alternativhypothese
H0 ⁣:p1=p2=⋯=p7=17(Wu¨rfel nicht manipuliert)H1 ⁣:mindestens ein pi≠17(Wu¨rfel manipuliert)\begin{aligned} H_0&\colon p_1 = p_2 = \dots = p_7 = \tfrac{1}{7} \quad \text{(Würfel nicht manipuliert)} \\ H_1&\colon \text{mindestens ein } p_i \neq \tfrac{1}{7} \quad \text{(Würfel manipuliert)} \end{aligned}

Die Nullhypothese H0H_0 ist die Aussage, von der der Test ausgeht, bis die Daten sie klar widerlegen: „Der Würfel ist nicht manipuliert.“ Ein fairer siebenseitiger Würfel zeigt jede Zahl mit der Wahrscheinlichkeit pi=17p_i = \tfrac{1}{7}. Der Index ii nummeriert die Zahlen von 1 bis 7.

Die Alternativhypothese H1H_1 ist das Gegenteil: Mindestens eine Zahl hat eine andere Wahrscheinlichkeit als 17\tfrac{1}{7}.

Noch 8 Schritte bis zum Ergebnis
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Balken und Zahlenstrecke

beobachtet, erwartet

Abbildung 1Balken und Zahlenstrecke

beobachtet, erwartet

010203040beobachtete Anzahl183830352241261234567Zahl auf dem Würfelerwartet 304,8002,13300,8332,1334,0330,533Die Zählung der Aufgabe: Wie oft fiel jede Zahl des siebenseitigen Würfels bei 210 Würfen? Über jedem Balken steht die Anzahl.

Abbildung 1Balken und Zahlenstrecke

beobachtet, erwartet

0246810121416χ²12,592 (5 %)15,033 (2 %)Prüfwert 14,467
Legendegetönt: Annahmebereich (H0 bleibt bestehen)Zahlenstrecke von χ²: Prüfwert 14,467 und kritische Werte 12,592 (5 %) und 15,033 (2 %).