Der Fehler 1. Art

The Type I error

Mathematik Klasse 12 20 Aufgaben
WahrscheinlichkeitHypothesentestSignifikanztestBinomialverteilung

Der Fehler 1. Art tritt auf, wenn H₀ gilt und trotzdem abgelehnt wird. Seine Wahrscheinlichkeit ist P(X im Ablehnungsbereich) unter p₀, zum Beispiel P(X ≥ 6) = 0,0197 beim Ratetest, in Häufigkeiten etwa 20 von 1000 Ratenden. Das Niveau α ist nur eine Obergrenze: Die tatsächliche Wahrscheinlichkeit liegt meist darunter, und ein kleineres α verkleinert den Ablehnungsbereich. Räumt aus, α für die tatsächliche Fehlerwahrscheinlichkeit zu halten. Bereitet den Fehler 2. Art vor.

Wenn H₀ gilt und trotzdem abgelehnt wird

Ein Test kann sich irren. Angenommen, Mira hat nur geraten, H₀ gilt also. Auch dann liegt ihr Ergebnis manchmal im Ablehnungsbereich, denn Glück kommt vor. Wird ein wahres H₀ abgelehnt, sprechen wir vom Fehler 1. Art. Die Tafel zeigt alle vier Fälle aus Wirklichkeit und Entscheidung: zwei sind richtig, zwei sind Fehler. Der Fehler 2. Art, das Beibehalten eines falschen H₀, bekommt den nächsten Abschnitt.

Entscheidung und Wirklichkeit beim Test Test: H₀ abgelehnt Test: H₀ beibehalten H₀ gilt H₁ gilt Fehler 1. Art richtig richtig Fehler 2. Art
Wirklichkeit und Entscheidung: zwei Felder sind richtig, zwei sind Fehler.

Kai hat nur geraten und trifft zufällig 7-mal: Der Test lehnt H₀ ab, und das ist ein Fehler 1. Art. Jonas hat gelernt und erreicht ebenfalls 7: Derselbe Test lehnt H₀ ab, diesmal richtig. Am Ergebnis allein sieht man nicht, welcher Fall vorliegt.

Wie wahrscheinlich ist der Fehler?

Die Wahrscheinlichkeit des Fehlers 1. Art rechnen wir unter H₀, mit : . In Häufigkeiten: Von 1000 reinen Ratenden werden etwa 20 fälschlich als „gelernt“ eingestuft.

Das Niveau α ist nur die Obergrenze, die wir uns erlauben. Weil die Wahrscheinlichkeiten von Wert zu Wert springen, bleibt die tatsächliche Fehlerwahrscheinlichkeit meist unter α, hier 0,0197 statt 0,05. Ein kleineres α verkleinert den Ablehnungsbereich.

Schiebe α. Wie ändert sich der Ablehnungsbereich, und bleibt die tatsächliche Wahrscheinlichkeit unter α?
Leicht
Multiple Choice #1 20s ▶ Testen

Zoe hat beim Ratetest nur geraten und 6 von 10 richtig. Der Test (H₀: nur geraten, Ablehnungsbereich {6, …, 10}) lehnt H₀ ab. Was ist das?

  • ● ein Fehler 1. Art
  • ○ ein Fehler 2. Art
  • ○ eine richtige Entscheidung
H₀ gilt (Zoe hat geraten) und wird trotzdem abgelehnt: Fehler 1. Art. Ein Fehler 2. Art wäre das Beibehalten von H₀ bei falschem H₀.
Multiple Choice #2 20s ▶ Testen

Lena hat gelernt, ihr Ergebnis liegt im Ablehnungsbereich, der Test lehnt H₀ (nur geraten) ab. Was ist das?

  • ● eine richtige Entscheidung
  • ○ ein Fehler 1. Art
  • ○ ein Fehler 2. Art
H₀ ist hier falsch, und der Test lehnt H₀ ab: Das ist richtig. Ein Fehler 1. Art braucht ein wahres H₀.
Wahr / Falsch #3 15s ▶ Testen

Mia hat nur geraten und schafft 7 richtige Antworten (Ablehnungsbereich {6, …, 10}). Der Test lehnt H₀ ab. Das ist ein Fehler 1. Art.

✓ Wahr
H₀ („nur geraten“) gilt, wird aber abgelehnt: Fehler 1. Art. Zufall kann auch Ratenden ein gutes Ergebnis bescheren.
Wahr / Falsch #4 15s ▶ Testen

Tim hat nur geraten und schafft 4 richtige Antworten. Der Test behält H₀ bei. Das ist ein Fehler 1. Art.

✓ Falsch
H₀ gilt und wird beibehalten: richtige Entscheidung. Ein Fehler 1. Art entsteht nur, wenn ein wahres H₀ abgelehnt wird.
Multiple Choice #5 20s ▶ Testen

Ratetest mit H₀: p ≤ 0,25. Mit welchem p rechnet man die Wahrscheinlichkeit für den Fehler 1. Art aus?

  • ● p = 0,25
  • ○ p = 0,5
  • ○ p = 0,05
Der Fehler 1. Art tritt auf, wenn H₀ gilt. Der ungünstigste Fall von H₀ ist der Randwert p₀ = 0,25. Mit 0,5 würde man eine Alternative einsetzen, 0,05 verwechselt p mit α.
Multiple Choice #6 20s ▶ Testen

Ratetest, n = 10, p₀ = 0,25, Ablehnungsbereich {6, …, 10}. Welcher Ausdruck ist die Wahrscheinlichkeit des Fehlers 1. Art?

  • ● P(X ≥ 6) bei p = 0,25
  • ○ P(X ≤ 5) bei p = 0,25
  • ○ P(X ≥ 6) bei p = 0,5
Fehler 1. Art heißt: H₀ gilt (p = 0,25) und X liegt im Ablehnungsbereich: P(X ≥ 6). P(X ≤ 5) gehört zum Annahmebereich, p = 0,5 zu einer Alternative.
Wahr / Falsch #7 15s ▶ Testen

Die Verteilung gehört zu p₀ = 0,25. Die Summe der eingefärbten Säulen ist die Wahrscheinlichkeit des Fehlers 1. Art für den Ablehnungsbereich {6, …, 10}.

✓ Wahr
Die eingefärbten Säulen sind der Ablehnungsbereich unter H₀ (p = 0,25). Ihre Summe P(X ≥ 6) ist die Wahrscheinlichkeit, H₀ fälschlich abzulehnen.
Multiple Choice #8 20s ▶ Testen

Ratetest (n = 10, p₀ = 0,25), α = 5 %, Ablehnungsbereich {6, …, 10}. Wie groß ist die Wahrscheinlichkeit des Fehlers 1. Art tatsächlich?

  • ● 0,0197
  • ○ 0,0500
  • ○ 0,0781
Die Wahrscheinlichkeit ist P(X ≥ 6) = 0,0197. α = 0,05 ist nur die Obergrenze. 0,0781 gehört zu {5, …, 10}, der zu große Bereich.
Multiple Choice #9 20s ▶ Testen

Ratetest (n = 10, p₀ = 0,25): P(X ≥ 5) = 0,0781, P(X ≥ 6) = 0,0197, P(X ≥ 7) = 0,0035. Welcher Ablehnungsbereich gehört zu α = 10 %?

  • ● {5, …, 10}
  • ○ {6, …, 10}
  • ○ {7, …, 10}
Gesucht ist das kleinste k mit P(X ≥ k) ≤ 0,1. Schon 0,0781 für k = 5 erfüllt das, k = 4 wäre zu groß. Für α = 5 % wäre es {6, …, 10}.
Wahr / Falsch #10 15s ▶ Testen

Beim Ratetest mit α = 5 % ist die Wahrscheinlichkeit des Fehlers 1. Art genau 0,05.

✓ Falsch
Sie ist 0,0197: Die Wahrscheinlichkeiten springen von Wert zu Wert, ein Bereich mit genau 0,05 gibt es nicht. α ist nur eine Obergrenze.
Wahr / Falsch #11 15s ▶ Testen

Der Ablehnungsbereich {7, …, 10} (α = 1 %) ist in dem Ablehnungsbereich {6, …, 10} (α = 5 %) enthalten.

✓ Wahr
Ein kleineres α verlangt stärkere Beweislast, der Ablehnungsbereich schrumpft: {7, …, 10} ist ein Teil von {6, …, 10}.
Mittel
Lückentext #1 20s ▶ Testen

Fehler 1. Art: H₀ wird abgelehnt, obwohl H₀ ___ (ein Wort).

✓ Antwort: gilt
Beim Fehler 1. Art wird eine zutreffende Nullhypothese verworfen: H₀ gilt, wird aber abgelehnt.
Zahleneingabe #2 30s ▶ Testen

Ratetest, n = 10, p₀ = 0,25, Ablehnungsbereich {7, …, 10}. Aus der Tabelle: P(X ≤ 6) = 0,9965. Wie groß ist die Wahrscheinlichkeit des Fehlers 1. Art? (vier Dezimalen)

✓ Antwort: 0.0035
P(X ≥ 7) = 1 − P(X ≤ 6) = 1 − 0,9965 = 0,0035, also etwa 0,4 %.
Zahleneingabe #3 30s ▶ Testen

Ratetest: P(X ≥ 6) = 0,0197 und P(X ≥ 7) = 0,0035. Bei α = 2 % beginnt der Ablehnungsbereich {k, …, 10} bei k = ?

✓ Antwort: 6
0,0197 ist kleiner als 0,02, also gehört k = 6 noch dazu. Bei k = 5 (0,0781) wäre es zu groß.
Zahleneingabe #4 45s ▶ Testen

Rechtsseitiger Test mit n = 20: Der Ablehnungsbereich ist {15, …, 20}, und unter H₀ gilt P(X ≥ 15) = 0,0207. Wie groß ist die Wahrscheinlichkeit für den Fehler 1. Art (in %)?

✓ Antwort: 2.07
Zahleneingabe #5 45s ▶ Testen

Rechtsseitiger Test mit n = 20: Der Ablehnungsbereich ist {10, …, 20}, und unter H₀ gilt P(X ≥ 10) = 0,0480. Wie groß ist die Wahrscheinlichkeit für den Fehler 1. Art (in %)?

✓ Antwort: 4.8
Schwer
Zahleneingabe #1 30s ▶ Testen

Fünf Testausgänge: (A) Mira hat geraten, H₀ wird abgelehnt. (B) Lena hat gelernt, H₀ wird abgelehnt. (C) Tim hat geraten, H₀ wird beibehalten. (D) Nia hat geraten, H₀ wird abgelehnt. (E) Jo hat gelernt, H₀ wird beibehalten. Bei wie vielen liegt ein Fehler 1. Art vor?

✓ Antwort: 2
Ein Fehler 1. Art braucht ein wahres H₀ (geraten) und eine Ablehnung: A und D. B ist richtig, C ist richtig, E ist ein Fehler 2. Art.
Zahleneingabe #2 30s ▶ Testen

Ein Test (n = 20, p₀ = 0,25) hat den Ablehnungsbereich {9, …, 20} mit der Fehlerwahrscheinlichkeit 0,0409. In 1000 Tests, bei denen H₀ gilt: Wie viele lehnen H₀ im Mittel fälschlich ab?

✓ Antwort: 40.9
1000 · 0,0409 ≈ 40,9, also etwa 41 Fehlentscheidungen 1. Art.
Zahleneingabe #3 30s ▶ Testen

Ratetest zu α = 10 %, Ablehnungsbereich {5, …, 10}. Aus der Tabelle: P(X ≤ 4) = 0,9219. Wie groß ist die Wahrscheinlichkeit des Fehlers 1. Art tatsächlich? (vier Dezimalen)

✓ Antwort: 0.0781
P(X ≥ 5) = 1 − P(X ≤ 4) = 1 − 0,9219 = 0,0781: nur 0,0781, also unter 0,1.
KI-bewertete Rechnung #4 240s ▶ Testen

Ein Hersteller behauptet, höchstens 10 % seiner Feuerzeuge seien defekt. Ein Prüfer testet H₀: p ≤ 0,1 gegen H₁: p > 0,1 an 30 Feuerzeugen zum Niveau α = 5 %. Aus der Tabelle: P(X ≤ 5) = 0,9268, P(X ≤ 6) = 0,9742, P(X ≤ 7) = 0,9922. Bestimme den Ablehnungsbereich, gib die Wahrscheinlichkeit des Fehlers 1. Art an und erkläre in einem Satz, was dieser Fehler hier bedeutet. Schreibe deine Rechnung auf Papier und fotografiere sie.

✓ Antwort: P(X ≥ 7) = 1 − P(X ≤ 6) = 1 − 0,9742 = 0,0258 ≤ 0,05, P(X ≥ 6) = 1 − 0,9268 = 0,0732 > 0,05. Ablehnungsbereich {7, …, 30}. Fehler 1. Art: P(X ≥ 7) bei p = 0,1 ≈ 0,0258, also etwa 2,6 %. Bedeutung: Der Prüfer hält die Behauptung des Herstellers für widerlegt, obwohl höchstens 10 % defekt sind.
Fehler 1. Art heißt hier: Der Prüfer lehnt „höchstens 10 % defekt“ ab, obwohl die Behauptung stimmt. Die Wahrscheinlichkeit dafür ist P(X ≥ 7) ≈ 0,0258.