Hypothesentests
Nach dieser Lektion kannst du
erklären, wie man mit einer Stichprobe eine Vermutung über eine Wahrscheinlichkeit prüft, und warum dabei Irrtümer unvermeidbar sind
Nullhypothese, Gegenhypothese, Signifikanzniveau und Ablehnungsbereich festlegen und ein- und beidseitige Tests durchführen
Fehler erster und zweiter Art unterscheiden, ihre Wahrscheinlichkeiten berechnen und deuten
begründen, welche Behauptung man als Nullhypothese wählt und was ein Testergebnis aussagt und was nicht
Ist die Münze gezinkt? Ein Freund wirft eine Münze -mal und erhält -mal Wappen. Er behauptet, die Münze sei fair. Du hast Zweifel. Bei einer fairen Münze erwartet man -mal Wappen, aber natürlich nicht genau: Schwankungen gehören dazu. Ab wann ist eine Abweichung so groß, dass man nicht mehr an Zufall glauben mag?
Die Frage hat eine Struktur wie ein Gerichtsverfahren. Der Angeklagte gilt als unschuldig, solange die Beweise nicht stark genug gegen ihn sprechen. „Im Zweifel für den Angeklagten“ heißt: Man nimmt lieber in Kauf, einen Schuldigen laufen zu lassen, als einen Unschuldigen zu verurteilen. Beim Test spielt die Behauptung „Die Münze ist fair“ die Rolle der Unschuld. Man gibt sie nur auf, wenn das Ergebnis unter dieser Annahme sehr unwahrscheinlich wäre. Was „sehr unwahrscheinlich“ heißt, legt man vorher fest.
Bei Würfen einer fairen Münze: Ab wie vielen Wappen würdest du sagen, dass die Münze wohl Wappen bevorzugt? Du willst dich dabei höchstens in der Fälle irren, in denen die Münze in Wahrheit fair ist.
Hypothesentest
Ein Hypothesentest (Signifikanztest) entscheidet mithilfe einer Stichprobe zwischen zwei Aussagen über eine unbekannte Wahrscheinlichkeit :
- Die Nullhypothese ist die Aussage, die man nur bei starken Gegenbelegen aufgibt. Im Beispiel: (die Münze bevorzugt Wappen nicht).
- Die Gegenhypothese ist das Gegenteil, im Beispiel .
Die Prüfgröße ist die Trefferzahl in der Stichprobe vom Umfang . Unter ist sie binomialverteilt. Vor dem Versuch wird eine Entscheidungsregel festgelegt: Fällt in den Ablehnungsbereich , verwirft man . Sonst, im Annahmebereich , behält man bei.
Das Signifikanzniveau (meist oder ) ist die Obergrenze für die Wahrscheinlichkeit, zu verwerfen, obwohl wahr ist. Den Ablehnungsbereich wählt man so groß wie möglich, ohne diese Grenze zu überschreiten.
Den Ablehnungsbereich bestimmen
Den Ablehnungsbereich bestimmen
Rechtsseitiger Test für mit und .
Welche Ergebnisse sprechen gegen ? Viele Wappen. Also hat der Ablehnungsbereich die Form:
Probier es aus
Rechtsseitiger Test für mit und . Ab welcher Trefferzahl beginnt der Ablehnungsbereich? (Es gilt und .)
Fehler erster und zweiter Art
Ein Test kann sich auf zwei Arten irren:
| ist wahr | ist falsch | |
|---|---|---|
| wird beibehalten | richtig | Fehler 2. Art |
| wird verworfen | Fehler 1. Art | richtig |
- Fehler 1. Art: wird verworfen, obwohl sie stimmt. Im Gericht: Ein Unschuldiger wird verurteilt. Seine Wahrscheinlichkeit ist höchstens , dafür ist der Ablehnungsbereich ja gebaut.
- Fehler 2. Art: wird beibehalten, obwohl sie falsch ist. Im Gericht: Ein Schuldiger wird freigesprochen. Seine Wahrscheinlichkeit heißt . Sie hängt davon ab, wie das wahre aussieht, und lässt sich nur berechnen, wenn man ein bestimmtes annimmt.
Man kann nicht beide Fehler zugleich beliebig klein machen. Verkleinert man den Ablehnungsbereich, um seltener einen Fehler 1. Art zu begehen, behält man öfter bei, auch wenn sie falsch ist.
Die Münze bevorzugt in Wahrheit Wappen mit . Der Test mit und übersieht das mit Wahrscheinlichkeit . Was passiert mit , wenn man auf senkt?
Probier es aus
Wirkt das neue Medikament besser?
Wirkt das neue Medikament besser?
Ein bisheriges Medikament hilft der Patienten. Ein Hersteller behauptet, sein neues Mittel helfe mehr Patienten. Es wird an Patienten erprobt, bei hilft es.
Hypothesen festlegen. Die Behauptung, die man belegen will, kommt in die Gegenhypothese:
Linksseitig und beidseitig
Linksseitig und beidseitig
Linksseitig. Ein Hersteller garantiert, dass mindestens seiner Samen keimen. Ein Händler will das prüfen und sät Samen. Gegen die Garantie sprechen wenige keimende Samen, der Ablehnungsbereich liegt links: . Mit ergibt sich , denn . Keimen nur , wird die Garantie verworfen.
Beidseitig. Soll nur geprüft werden, ob eine Münze fair ist, egal in welche Richtung sie abweicht, dann ist und . Gegen sprechen sowohl sehr wenige als auch sehr viele Wappen. Man teilt auf beide Seiten auf, je . Für ergibt das .
Ob ein- oder beidseitig, entscheidet die Fragestellung, und zwar bevor man die Daten sieht. Wer erst die Daten anschaut und dann die Seite wählt, auf der das Ergebnis liegt, verdoppelt heimlich sein Irrtumsrisiko.
Der Fehler 1. Art bleibt für die ganze Nullhypothese unter
Beim rechtsseitigen Test mit rechnet man den Ablehnungsbereich nur mit aus. Das genügt, denn für jedes gilt
„ beibehalten“ heißt nicht „ bewiesen“
„ beibehalten“ heißt nicht „ bewiesen“
Fällt das Ergebnis in den Annahmebereich, sagt man: „Die Münze ist also fair.“
Man hat nur keinen ausreichenden Beleg gegen gefunden. Wie wahrscheinlich das auch bei falscher passiert, sagt , und das ist oft groß. Im Gericht heißt ein Freispruch auch nicht, dass die Unschuld bewiesen ist. Richtig: „Die Daten sprechen nicht signifikant gegen .“
ist nicht die Wahrscheinlichkeit, dass falsch ist
ist nicht die Wahrscheinlichkeit, dass falsch ist
Nach einem Ergebnis auf dem -Niveau sagt man: „ ist mit Wahrscheinlichkeit falsch.“
ist eine bedingte Wahrscheinlichkeit: die Wahrscheinlichkeit, zu verwerfen, wenn wahr ist. Über die Wahrscheinlichkeit von selbst sagt der Test nichts. Das ist dieselbe Verwechslung von und wie beim Satz von Bayes.
Die Regel nach den Daten festlegen
Die Regel nach den Daten festlegen
Man schaut erst auf das Ergebnis und wählt dann Hypothesen, Seite oder Niveau so, dass es signifikant wird.
Hypothesen, Signifikanzniveau, Stichprobenumfang und Ablehnungsbereich werden vor dem Versuch festgelegt. Sonst gilt die Garantie „Fehler 1. Art höchstens “ nicht mehr.
Mit statt mit rechnen
Mit statt mit rechnen
Man prüft, ob ist.
Jede einzelne Trefferzahl ist bei großem unwahrscheinlich, auch hat nur etwa . Entscheidend ist die Wahrscheinlichkeit des ganzen Ablehnungsbereichs, also aller Ergebnisse, die mindestens so stark gegen sprechen.
Zusammenfassung
Ein Test prüft eine Nullhypothese über mit einer Stichprobe. Man verwirft nur, wenn das Ergebnis unter sehr unwahrscheinlich wäre.
Der Ablehnungsbereich wird vorher so gewählt, dass seine Wahrscheinlichkeit unter höchstens beträgt.
Rechtsseitig: , große Trefferzahlen verwerfen. Linksseitig: , kleine verwerfen. Beidseitig: , auf beide Seiten aufteilen.
Fehler 1. Art: zu Unrecht verwerfen (höchstens ). Fehler 2. Art: zu Unrecht beibehalten (Wahrscheinlichkeit , abhängig vom wahren ).
Was man belegen will, gehört in die Gegenhypothese.
Ein nicht signifikantes Ergebnis beweist nicht. sinkt bei festem nur mit größerem .
Übungen
Ein Würfel soll darauf geprüft werden, ob er zu oft eine Sechs zeigt. Welche Nullhypothese ist richtig?
Für den Würfel aus Aufgabe 1 wird -mal gewürfelt, . Es gilt und für . Ab welcher Zahl von Sechsen wird verworfen?
Beim Würfeltest aus Aufgabe 2 fallen Sechsen. Welche Aussage ist richtig?
Ein Test für mit hat den Ablehnungsbereich . Wie groß ist die Wahrscheinlichkeit für einen Fehler 2. Art, wenn in Wahrheit ist? Es gilt . Gib als Dezimalzahl an.
Ein Rauchmelder „testet“ ständig die Nullhypothese „Es brennt nicht“. Was ist hier ein Fehler 1. Art?
Ein Hersteller garantiert höchstens defekte Teile. Ein Kunde prüft Teile und will die Garantie auf dem -Niveau widerlegen. Es gilt für : und . Ab wie vielen defekten Teilen wird die Garantie verworfen?
Eine Partei hatte bei der letzten Wahl . Ein Institut will mit einer Umfrage unter Personen belegen, dass sie inzwischen weniger Zustimmung hat. Formuliere die Hypothesen, gib an, ob der Test links- oder rechtsseitig ist, bestimme den Ablehnungsbereich näherungsweise mit der Sigma-Regel für (einseitig etwa ) und beschreibe in Worten, was ein Fehler 1. und ein Fehler 2. Art hier wären.