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Mathe-LK · M3 · Stochastik

Prognose- und Konfidenzintervall

Zusatz: Diese Seite geht über den Abiturstoff hinaus. Ist die Trefferwahrscheinlichkeit p bekannt, sagt das Prognoseintervall, wo die relative Häufigkeit h einer Stichprobe voraussichtlich liegt. Bei einer Umfrage ist es umgekehrt: h ist gemessen, p ist unbekannt. Das Konfidenzintervall sammelt alle p, die zum gemessenen h passen.

So gehst du vor

  1. 1Ziehe im Bild den blauen Punkt: Der senkrechte Schnitt durch das Band ist das Prognoseintervall zu p.
  2. 2Ziehe den roten Punkt: Der waagerechte Schnitt ist das Konfidenzintervall zu h.
  3. 3Ändere n und das Niveau und beobachte die Breite des Bands.
  4. 4Ziehe weiter unten viele Stichproben: Jede liefert ein eigenes Intervall. Zähle, wie viele das wahre p verfehlen.

Im getönten Band liegen alle Paare mit |h − p| ≤ 1,96 · √(p(1 − p) : n). Blau das Prognoseintervall, rot das Konfidenzintervall, jeweils auch auf der Achse.

Stichprobenumfang n

200

Niveau

wahre Trefferwahrscheinlichkeit p

0,30

gemessene relative Häufigkeit h

0,330
Prognoseintervall zu p: [0,236; 0,364]
Konfidenzintervall zu h: [0,269; 0,398]
Näherung mit h unter der Wurzel: [0,265; 0,395]
h liegt im Prognoseintervall zu p, und zugleich liegt p im Konfidenzintervall zu h.

Die Rechnung läuft mit

Prognoseintervall
p ± 1,96 · √p (1 − p)n
= 0,3 ± 1,96 · √0,3 · 0,7200 ≈ 0,3 ± 0,064
Konfidenzintervall
(h − p)² ≤ 1,96²n · p (1 − p)
1,019208 p² − 0,679208 p + 0,108900 ≤ 0
Lösungsformel: p1 ≈ 0,269 und p2 ≈ 0,398

Viele Stichproben, viele Intervalle

Jede Linie ist das Konfidenzintervall einer Stichprobe, die neueste steht oben. Rot: Das Intervall verfehlt das wahre p. Das wahre p steht fest, die Intervalle sind zufällig.

Von selbst laufen lassen

Berechnung des Intervalls

enthalten p, gezählt
– %
enthalten p, berechnet
94,7 %
Ziel: etwa 95 % der Intervalle enthalten das wahre p.

Der berechnete Wert summiert P(X = k) über alle k, deren Intervall p enthält. Er weicht vom Niveau ab, weil X ganzzahlig und nur näherungsweise normalverteilt ist.

Wie groß muss die Stichprobe sein?

halbe Breite ε des Intervalls

0,030
n ≥ (1,962ε)² = (1,960,060)² ≈ 1.067,1, also mindestens 1068 Befragte.
Das reicht für jedes p, denn es ist p (1 − p) ≤ 14.

Aufträge

  1. Bestimme das 95-%-Prognoseintervall für p = 0,3 und n = 200, erst von Hand, dann im Bild. Eine Umfrage liefert h = 0,38. Was folgt daraus?
  2. Von 400 Befragten stimmen 180 zu. Bestimme das Konfidenzintervall von Hand über die quadratische Ungleichung und vergleiche mit dem Bild. Ist eine Mehrheit belegt?
  3. Ziehe im Bild die beiden Punkte so, dass der schwarze Punkt genau auf dem Rand des Bands liegt. Erkläre: Wann liegt h im Prognoseintervall zu p, und wann liegt p im Konfidenzintervall zu h?
  4. Vervierfache im Beispiel h = 0,45 den Stichprobenumfang von 400 auf 1600. Was geschieht mit dem Intervall? Stelle danach bei n = 400 das Niveau auf 99 %. Was kostet die größere Sicherheit?
  5. Stelle n = 200 und p = 0,3 ein. Ziehe 1000 Stichproben. Wie viele Intervalle verfehlen p? Jemand sagt: „Das wahre p liegt mit 95 % Wahrscheinlichkeit in diesem Intervall.“ Was ist daran ungenau?
  6. Stelle n = 30 und p = 0,05 ein und vergleiche die beiden Berechnungen. Warum versagt die Näherung hier? Was passiert bei h = 0?
  7. Eine Umfrage soll auf ± 3 Prozentpunkte genau sein. Wie viele Personen braucht man? Und für ± 1 Prozentpunkt?

Theorie: Skript M3 Stochastik, Abschnitt „Prognose- und Konfidenzintervall“ (Zusatz).