Statistik

Kapitel 7 · Schätzverfahren

Prüfverteilungen: χ² und t

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Zentrale Schwankungsintervalle

Bevor man schätzt, lohnt der Blick auf die Streuung der Normalverteilung. Das zentrale Schwankungsintervall um μ\mu enthält die mittleren 1−α1-\alpha:

P(μ−z1−α/2 σ≤X≤μ+z1−α/2 σ)=1−αP\big(\mu - z_{1-\alpha/2}\,\sigma \le X \le \mu + z_{1-\alpha/2}\,\sigma\big) = 1 - \alpha
1−α1-\alphaz1−α/2z_{1-\alpha/2}
90 %1,64
95 %1,96
99 %2,58

Das ist die 68-95-99,7-Regel in Quantilform — und der Bauplan für Konfidenzintervalle.

Die χ²-Verteilung

Quadriert und summiert man nn unabhängige Standardnormalvariablen, entsteht die χ²-Verteilung mit nn Freiheitsgraden:

Z=X12+⋯+Xn2∼χ2(n),E(Z)=n,Var⁡(Z)=2nZ = X_1^2 + \dots + X_n^2 \sim \chi^2(n), \qquad E(Z) = n, \quad \operatorname{Var}(Z) = 2n

Sie ist rechtsschief und nur für x≥0x \ge 0 definiert. Sie beschreibt u. a. die Verteilung der Stichprobenvarianz und liegt χ²-Tests zugrunde.

Die t-Verteilung

Ersetzt man im standardisierten Mittelwert das unbekannte σ\sigma durch die Schätzung SS, folgt die Größe nicht mehr exakt einer Normalverteilung, sondern der t-Verteilung (Student):

T=XZ/n,X∼N(0,1), Z∼χ2(n) unabh.T = \frac{X}{\sqrt{Z/n}}, \quad X\sim N(0,1),\ Z\sim\chi^2(n) \text{ unabh.}

Sie ist symmetrisch um 0, hat aber schwerere Ausläufer als die Normalverteilung — Ausdruck der zusätzlichen Unsicherheit durch das geschätzte σ\sigma. Für n→∞n \to \infty konvergiert sie gegen N(0,1)N(0,1) (ab n>30n > 30 kaum noch ein Unterschied).

Merke: σ\sigma bekannt → Normalverteilung (z). σ\sigma geschätzt → t-Verteilung. Genau diese Fallunterscheidung kehrt bei Konfidenzintervallen und Tests wieder.

Quellen:K07 S.390, K07 S.392, K07 S.396, K07 S.400, K07 S.402, K07 S.405

Abruf-Quiz

Frage 1 / 3

Z ~ N(0,1). Welcher Anteil liegt im zentralen Schwankungsintervall [−1,96; 1,96]?