Lektion 13.1

Hypothesentests

45 min Lesezeit

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 5050-mal und erhält 3232-mal Wappen. Er behauptet, die Münze sei fair. Du hast Zweifel. Bei einer fairen Münze erwartet man 2525-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.

Vermute zuerst

Bei 5050 Würfen einer fairen Münze: Ab wie vielen Wappen würdest du sagen, dass die Münze wohl Wappen bevorzugt? Du willst dich dabei höchstens in 5 %5\,\% der Fälle irren, in denen die Münze in Wahrheit fair ist.

Definition

Hypothesentest

Ein Hypothesentest (Signifikanztest) entscheidet mithilfe einer Stichprobe zwischen zwei Aussagen über eine unbekannte Wahrscheinlichkeit pp:

  • Die Nullhypothese H0H_0 ist die Aussage, die man nur bei starken Gegenbelegen aufgibt. Im Beispiel: H0 ⁣:p≤0,5H_0\colon p \le 0{,}5 (die Münze bevorzugt Wappen nicht).
  • Die Gegenhypothese H1H_1 ist das Gegenteil, im Beispiel H1 ⁣:p>0,5H_1\colon p > 0{,}5.

Die Prüfgröße XX ist die Trefferzahl in der Stichprobe vom Umfang nn. Unter H0H_0 ist sie binomialverteilt. Vor dem Versuch wird eine Entscheidungsregel festgelegt: Fällt XX in den Ablehnungsbereich A‾\overline{A}, verwirft man H0H_0. Sonst, im Annahmebereich AA, behält man H0H_0 bei.

Das Signifikanzniveau α\alpha (meist 5 %5\,\% oder 1 %1\,\%) ist die Obergrenze für die Wahrscheinlichkeit, H0H_0 zu verwerfen, obwohl H0H_0 wahr ist. Den Ablehnungsbereich wählt man so groß wie möglich, ohne diese Grenze zu überschreiten.

Schritt für Schritt

Den Ablehnungsbereich bestimmen

Rechtsseitiger Test für H0 ⁣:p≤0,5H_0\colon p \le 0{,}5 mit n=50n = 50 und α=5 %\alpha = 5\,\%.

  1. Welche Ergebnisse sprechen gegen H0H_0? Viele Wappen. Also hat der Ablehnungsbereich die Form:

    A‾={k,k+1,…,50}\overline{A} = \{k, k + 1, \ldots, 50\}
Schritt 1 von 4
Der Test im Histogramm

Das Histogramm zeigt die Verteilung der Trefferzahl unter der Nullhypothese. Fällt die Beobachtung in den gefüllten Bereich, wäre sie bei wahrer Nullhypothese sehr selten.

Probier es aus

Kurz geprüft

Rechtsseitiger Test für H0 ⁣:p≤0,5H_0\colon p \le 0{,}5 mit n=20n = 20 und α=5 %\alpha = 5\,\%. Ab welcher Trefferzahl beginnt der Ablehnungsbereich? (Es gilt P(X≥14)≈0,058P(X \ge 14) \approx 0{,}058 und P(X≥15)≈0,021P(X \ge 15) \approx 0{,}021.)

Definition

Fehler erster und zweiter Art

Ein Test kann sich auf zwei Arten irren:

H0H_0 ist wahrH0H_0 ist falsch
H0H_0 wird beibehaltenrichtigFehler 2. Art
H0H_0 wird verworfenFehler 1. Artrichtig
  • Fehler 1. Art: H0H_0 wird verworfen, obwohl sie stimmt. Im Gericht: Ein Unschuldiger wird verurteilt. Seine Wahrscheinlichkeit ist höchstens α\alpha, dafür ist der Ablehnungsbereich ja gebaut.
  • Fehler 2. Art: H0H_0 wird beibehalten, obwohl sie falsch ist. Im Gericht: Ein Schuldiger wird freigesprochen. Seine Wahrscheinlichkeit heißt β\beta. Sie hängt davon ab, wie das wahre pp aussieht, und lässt sich nur berechnen, wenn man ein bestimmtes p1p_1 annimmt.

Man kann nicht beide Fehler zugleich beliebig klein machen. Verkleinert man den Ablehnungsbereich, um seltener einen Fehler 1. Art zu begehen, behält man H0H_0 öfter bei, auch wenn sie falsch ist.

Vermute zuerst

Die Münze bevorzugt in Wahrheit Wappen mit p=0,7p = 0{,}7. Der Test mit n=50n = 50 und α=5 %\alpha = 5\,\% übersieht das mit Wahrscheinlichkeit β≈14 %\beta \approx 14\,\%. Was passiert mit β\beta, wenn man α\alpha auf 1 %1\,\% senkt?

Fehler 2. Art sichtbar machen

Die beiden Verteilungen überlappen sich. Wo genau man die Grenze zieht, verschiebt nur, welcher Fehler häufiger vorkommt. Mit größerem nn rücken die Verteilungen relativ zu ihrer Breite auseinander, dann werden beide Fehler klein.

Probier es aus

Schritt für Schritt

Wirkt das neue Medikament besser?

Ein bisheriges Medikament hilft 60 %60\,\% der Patienten. Ein Hersteller behauptet, sein neues Mittel helfe mehr Patienten. Es wird an 100100 Patienten erprobt, bei 7070 hilft es.

  1. Hypothesen festlegen. Die Behauptung, die man belegen will, kommt in die Gegenhypothese:

    H0 ⁣:p≤0,6,H1 ⁣:p>0,6H_0\colon p \le 0{,}6, \qquad H_1\colon p > 0{,}6
Schritt 1 von 4
Beispiel

Linksseitig und beidseitig

Linksseitig. Ein Hersteller garantiert, dass mindestens 90 %90\,\% seiner Samen keimen. Ein Händler will das prüfen und sät 200200 Samen. Gegen die Garantie sprechen wenige keimende Samen, der Ablehnungsbereich liegt links: H0 ⁣:p≥0,9H_0\colon p \ge 0{,}9. Mit α=5 %\alpha = 5\,\% ergibt sich A‾={0,…,172}\overline{A} = \{0, \ldots, 172\}, denn P(X≤172)≈0,043P(X \le 172) \approx 0{,}043. Keimen nur 167167, wird die Garantie verworfen.

Beidseitig. Soll nur geprüft werden, ob eine Münze fair ist, egal in welche Richtung sie abweicht, dann ist H0 ⁣:p=0,5H_0\colon p = 0{,}5 und H1 ⁣:p≠0,5H_1\colon p \neq 0{,}5. Gegen H0H_0 sprechen sowohl sehr wenige als auch sehr viele Wappen. Man teilt α\alpha auf beide Seiten auf, je 2,5 %2{,}5\,\%. Für n=100n = 100 ergibt das A‾={0,…,39}∪{61,…,100}\overline{A} = \{0, \ldots, 39\} \cup \{61, \ldots, 100\}.

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.

Satz

Der Fehler 1. Art bleibt für die ganze Nullhypothese unter α\alpha

Beim rechtsseitigen Test mit H0 ⁣:p≤p0H_0\colon p \le p_0 rechnet man den Ablehnungsbereich nur mit p=p0p = p_0 aus. Das genügt, denn für jedes p≤p0p \le p_0 gilt

Pp(X≥k)≤Pp0(X≥k)P_p(X \ge k) \le P_{p_0}(X \ge k)
Häufige Fehler

„H0H_0 beibehalten“ heißt nicht „H0H_0 bewiesen“

Fällt das Ergebnis in den Annahmebereich, sagt man: „Die Münze ist also fair.“

Richtig ist

Man hat nur keinen ausreichenden Beleg gegen H0H_0 gefunden. Wie wahrscheinlich das auch bei falscher H0H_0 passiert, sagt β\beta, und das ist oft groß. Im Gericht heißt ein Freispruch auch nicht, dass die Unschuld bewiesen ist. Richtig: „Die Daten sprechen nicht signifikant gegen H0H_0.“

Häufige Fehler

α\alpha ist nicht die Wahrscheinlichkeit, dass H0H_0 falsch ist

Nach einem Ergebnis auf dem 5 %5\,\%-Niveau sagt man: „H0H_0 ist mit 95 %95\,\% Wahrscheinlichkeit falsch.“

Richtig ist

α\alpha ist eine bedingte Wahrscheinlichkeit: die Wahrscheinlichkeit, H0H_0 zu verwerfen, wenn H0H_0 wahr ist. Über die Wahrscheinlichkeit von H0H_0 selbst sagt der Test nichts. Das ist dieselbe Verwechslung von PA(B)P_A(B) und PB(A)P_B(A) wie beim Satz von Bayes.

Häufige Fehler

Die Regel nach den Daten festlegen

Man schaut erst auf das Ergebnis und wählt dann Hypothesen, Seite oder Niveau so, dass es signifikant wird.

Richtig ist

Hypothesen, Signifikanzniveau, Stichprobenumfang und Ablehnungsbereich werden vor dem Versuch festgelegt. Sonst gilt die Garantie „Fehler 1. Art höchstens α\alpha“ nicht mehr.

Häufige Fehler

Mit P(X=k)P(X = k) statt mit P(X≥k)P(X \ge k) rechnen

Man prüft, ob P(X=32)≤0,05P(X = 32) \le 0{,}05 ist.

Richtig ist

Jede einzelne Trefferzahl ist bei großem nn unwahrscheinlich, auch X=25X = 25 hat nur etwa 11 %11\,\%. Entscheidend ist die Wahrscheinlichkeit des ganzen Ablehnungsbereichs, also aller Ergebnisse, die mindestens so stark gegen H0H_0 sprechen.

Zusammenfassung

  • Ein Test prüft eine Nullhypothese H0H_0 über pp mit einer Stichprobe. Man verwirft H0H_0 nur, wenn das Ergebnis unter H0H_0 sehr unwahrscheinlich wäre.

  • Der Ablehnungsbereich wird vorher so gewählt, dass seine Wahrscheinlichkeit unter H0H_0 höchstens α\alpha beträgt.

  • Rechtsseitig: H0 ⁣:p≤p0H_0\colon p \le p_0, große Trefferzahlen verwerfen. Linksseitig: H0 ⁣:p≥p0H_0\colon p \ge p_0, kleine verwerfen. Beidseitig: H0 ⁣:p=p0H_0\colon p = p_0, α\alpha auf beide Seiten aufteilen.

  • Fehler 1. Art: H0H_0 zu Unrecht verwerfen (höchstens α\alpha). Fehler 2. Art: H0H_0 zu Unrecht beibehalten (Wahrscheinlichkeit β\beta, abhängig vom wahren pp).

  • Was man belegen will, gehört in die Gegenhypothese.

  • Ein nicht signifikantes Ergebnis beweist H0H_0 nicht. β\beta sinkt bei festem α\alpha nur mit größerem nn.

Übungen

Aufgabe 1Multiple Choice

Ein Würfel soll darauf geprüft werden, ob er zu oft eine Sechs zeigt. Welche Nullhypothese ist richtig?

Aufgabe 2Numerisch

Für den Würfel aus Aufgabe 1 wird 100100-mal gewürfelt, α=5 %\alpha = 5\,\%. Es gilt P(X≥23)≈0,063P(X \ge 23) \approx 0{,}063 und P(X≥24)≈0,038P(X \ge 24) \approx 0{,}038 für p=16p = \frac{1}{6}. Ab welcher Zahl von Sechsen wird H0H_0 verworfen?

Aufgabe 3Multiple Choice

Beim Würfeltest aus Aufgabe 2 fallen 2222 Sechsen. Welche Aussage ist richtig?

Aufgabe 4Numerisch

Ein Test für H0 ⁣:p≤0,5H_0\colon p \le 0{,}5 mit n=50n = 50 hat den Ablehnungsbereich {32,…,50}\{32, \ldots, 50\}. Wie groß ist die Wahrscheinlichkeit für einen Fehler 2. Art, wenn in Wahrheit p=0,7p = 0{,}7 ist? Es gilt Pp=0,7(X≤31)≈0,141P_{p=0{,}7}(X \le 31) \approx 0{,}141. Gib β\beta als Dezimalzahl an.

Aufgabe 5Multiple Choice

Ein Rauchmelder „testet“ ständig die Nullhypothese „Es brennt nicht“. Was ist hier ein Fehler 1. Art?

Aufgabe 6Numerisch

Ein Hersteller garantiert höchstens 5 %5\,\% defekte Teile. Ein Kunde prüft 100100 Teile und will die Garantie auf dem 5 %5\,\%-Niveau widerlegen. Es gilt für p=0,05p = 0{,}05: P(X≥9)≈0,063P(X \ge 9) \approx 0{,}063 und P(X≥10)≈0,028P(X \ge 10) \approx 0{,}028. Ab wie vielen defekten Teilen wird die Garantie verworfen?

Aufgabe 7Freitext

Eine Partei hatte bei der letzten Wahl 20 %20\,\%. Ein Institut will mit einer Umfrage unter 500500 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 1,64σ1{,}64\sigma (einseitig etwa 5 %5\,\%) und beschreibe in Worten, was ein Fehler 1. und ein Fehler 2. Art hier wären.