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Erklärung
Der Chi-Quadrat-Test (χ²) prüft, ob beobachtete Häufigkeiten zu erwarteten Häufigkeiten passen, die wichtigste Methode für kategoriale Daten. Klausur-Pflicht in BWL, Psychologie, VWL, Marktforschung.
Was du in der Klausur können musst:
- Drei Test-Varianten unterscheiden: Anpassungs-, Unabhängigkeits-, Homogenitätstest
- Erwartete Häufigkeiten aus Randverteilungen berechnen
- χ²-Statistik Σ(O−E)²/E aufstellen
- Freiheitsgrade df richtig zählen
- Mit χ²-Tabelle vergleichen, Entscheidung treffen
In Klausuren oft gefragt: Sind zwei Merkmale unabhängig? mit Kontingenztafel. Pflicht.
Drei Varianten, wann welche?
1. Anpassungstest (Goodness-of-Fit)
Eine Stichprobe → passt sie zu einer theoretischen Verteilung?
Beispiel: Würfel: würfle 60-mal, theoretisch 10× je Augenzahl. Beobachtet: 8, 12, 9, 11, 7, 13. Ist der Würfel fair?
2. Unabhängigkeitstest
Zwei Merkmale → sind sie unabhängig voneinander?
Beispiel: Geschlecht × Studienfach: gibt es einen Zusammenhang?
3. Homogenitätstest
Mehrere Stichproben → haben sie die gleiche Verteilung über Kategorien?
Beispiel: Drei Marketing-Kampagnen, je 100 Leute. Verteilung von "kauft / kauft nicht" gleich?
Mathematisch sind 2 und 3 fast identisch, beide nutzen die Kontingenztafel.
Die Idee, beobachtet vs. erwartet
Der Test fragt: wie groß ist der Unterschied zwischen O_(ij) und E_(ij)?
χ² = Σ_(i,j) ((O_(ij) - E_(ij))²)/(E_(ij))
O_(ij), beobachtete Häufigkeit in Zelle (i, j)E_(ij), erwartete Häufigkeit unter H₀ (Unabhängigkeit / theoretische Verteilung)
Erwartete Häufigkeit im Unabhängigkeitstest:
E_(ij) = (Zeilensumme_i · Spaltensumme_j)/n
mit n = Gesamtsumme.
Beispiel, Unabhängigkeitstest
Frage: hängt das Studienfach vom Geschlecht ab? Datenbasis n = 200:
Beobachtete Tafel (O_(ij)):
| BWL | Informatik | Mathe | Σ | |
|---|---|---|---|---|
| Männlich | 30 | 50 | 20 | 100 |
| Weiblich | 50 | 30 | 20 | 100 |
| Σ | 80 | 80 | 40 | 200 |
Schritt 1, Erwartete Tafel (E_(ij)):
E_(11) = (100·80) / 200 = 40
E_(12) = (100·80) / 200 = 40
E_(13) = (100·40) / 200 = 20
(unter H₀ ist die Verteilung über Studienfächer gleich für beide Geschlechter)
| BWL | Informatik | Mathe | |
|---|---|---|---|
| Männlich | 40 | 40 | 20 |
| Weiblich | 40 | 40 | 20 |
Schritt 2, χ²-Statistik:
χ² = ((30-40)²)/40 + ((50-40)²)/40 + ((20-20)²)/20 + ((50-40)²)/40 + ((30-40)²)/40 + ((20-20)²)/20
= 2,5 + 2,5 + 0 + 2,5 + 2,5 + 0 = mathbf{10,0}
Schritt 3, Freiheitsgrade:
df = (r-1)(c-1) = (2-1)(3-1) = 2
Schritt 4, Kritischer Wert aus χ²-Tabelle: χ²_{0,05; 2} = 5,99.
Schritt 5, Entscheidung: 10,0 > 5,99 → H₀ ablehnen, Studienfach hängt vom Geschlecht ab.
Klassische χ²-Tabellenwerte
| df | χ²_{0,05} | χ²_{0,01} |
|---|---|---|
| 1 | 3,84 | 6,63 |
| 2 | 5,99 | 9,21 |
| 3 | 7,81 | 11,34 |
| 4 | 9,49 | 13,28 |
| 5 | 11,07 | 15,09 |
| 10 | 18,31 | 23,21 |
Faustregel: χ²-Werte werden mit steigendem df größer. Achte auf das richtige df!
Voraussetzungen
- Erwartete Häufigkeiten ausreichend groß, die klassische Faustregel verlangt
E_(ij) ≥ 5in jeder Zelle. Achtung: das ist eine Faustregel, kein hartes Verbot. Bei kleinenEwird dieχ²-Approximation der Teststatistik unzuverlässig, das Verfahren ist dann nicht "verboten", sondern ungenau. - Stichproben unabhängig voneinander
- Diskrete Kategorien (nicht kontinuierlich)
Bei Verletzung von 1 (E < 5): Kategorien zusammenfassen, Fisher's exact test (für 2 × 2) oder Permutationstests verwenden.
Klausur-Faustregeln
- Erst Tabelle der erwarteten Werte mit Randsummen-Formel, Hauptfehlerquelle.
- df = (r-1)(c-1) beim Unabhängigkeitstest, df = k - 1 beim Anpassungstest.
- Σ(O-E)²/E, die Reihenfolge: erst Differenz, dann Quadrieren, dann durch E teilen.
- Σ Zeilensummen = Σ Spaltensummen = n als Plausibilitäts-Check.
- χ² > kritisch → H₀ ablehnen (NIE umgekehrt).
Typischer Stolperstein
df-Berechnung verwechselt. Beim Unabhängigkeitstest mit r×c-Tafel ist df = (r-1)(c-1). Beim Anpassungstest mit k Kategorien ist df = k-1. Falsches df → falscher kritischer Wert → falsche Entscheidung.
E_ij vergessen. Das ist der häufigste Klausur-Fehler. Die erwartete Tafel muss komplett ausgerechnet werden, BEVOR die χ²-Summe gebildet wird. Tabelle-im-Kopf führt zu Fehlern.
E < 5 ignoriert. Wenn eine Zelle erwartete Häufigkeit < 5 hat, wird die χ²-Approximation unzuverlässig (nicht "verboten", aber Ergebnis nicht mehr vertrauenswürdig). Entweder Kategorien zusammenfassen oder zu Fisher's exact bzw. Permutationstest wechseln.
Interaktiv verstehen
Chi-Quadrat-Lab
Ändere die beobachteten Werte in der 2×3-Kontingenztafel, die erwartete Tafel und der χ²-Wert werden live neu berechnet. Beobachte die Differenzen-Heatmap: stark gefärbte Zellen tragen am meisten zum χ²-Wert bei.
Interaktive Visualisierung
Chi-Quadrat-Test für Unabhängigkeit und Anpassungstest mit Kontingenztafel.
Klausur-Tipp: beobachte was bei perfekter Unabhängigkeit passiert (alle O = E), der χ²-Wert geht auf 0 und H₀ wird klar beibehalten. Je weiter beobachtet von erwartet abweicht, desto größer der χ²-Wert.
Praxis-Übung
Chi-Quadrat-Praxis
Klausur-typische Aufgaben: erwartete Häufigkeiten berechnen, χ²-Statistik aufstellen, df bestimmen, Entscheidung.
Klausurfragen mit Lösungen (6)
- F1.Welche Frage prüft der Unabhängigkeits-Chi-Quadrat-Test?
Antwort: Sind zwei Merkmale voneinander unabhängig?
Erklärung: Unabhängigkeitstest fragt: gibt es einen Zusammenhang zwischen zwei kategorialen Merkmalen? H₀: sind unabhängig. Anpassungstest hingegen prüft Verteilung gegen Theorie.
- F2.Eine 3×4-Kontingenztafel hat wie viele Freiheitsgrade?
Antwort: 6
Erklärung: df = (r-1)·(c-1) = (3-1)·(4-1) = 2·3 = 6. Klausur-Klassiker. ACHTUNG: nicht r·c (=12) und nicht r+c (=7), sondern (r-1)(c-1).
Typ: Zahlen-Eingabe
- F3.Beobachtet O = 30, erwartet E = 40. Welcher Beitrag zum χ²-Wert? (auf 2 Nachkommastellen)
Antwort: 2.5 (Toleranz ±0.05)
Erklärung: (O-E)²/E = (30-40)² / 40 = 100/40 = 2,5. Klausur-Standard: ein einzelner Term der Σ. Negative Differenz wird durch das Quadrat positiv.
Typ: Zahlen-Eingabe
- F4.Wenn alle erwarteten Häufigkeiten kleiner als 5 sind, ist der Chi-Quadrat-Test unzulässig.
Antwort: Wahr
Erklärung: Korrekt, klassische Faustregel: alle E_ij ≥ 5. Bei Verletzung: Zellen zusammenfassen ODER Fisher's exact test verwenden. Klausur-Pflichtwissen.
Typ: Wahr/Falsch
- F5.Ordne dem Test-Typ die Frage zu:
Zuordnungen:
- Anpassungstest → Passt 1 Stichprobe zu theoretischer Verteilung?
- Unabhängigkeitstest → Sind 2 Merkmale unabhängig?
- Homogenitätstest → Haben Gruppen gleiche Verteilung?
Erklärung: Drei Varianten des χ²-Tests. Math-Logik fast gleich (Σ(O-E)²/E), aber Frage und df-Bestimmung unterschiedlich. Unabh.-Test ist Klausur-Klassiker.
Typ: Zuordnung
- F6.Erwartete Häufigkeit im Unabhängigkeitstest: E_(ij) = ({{1}} · {{2}}) / {{3}}.
Lösungen pro Lücke:
- {{1}}: Zeilensumme_i / Zeilensumme / ZSi / Zeile_i
- {{2}}: Spaltensumme_j / Spaltensumme / SSj / Spalte_j
- {{3}}: n / N / Gesamtsumme
Erklärung: Klassische Formel: erwartete Zelle = Produkt der Randsummen geteilt durch Gesamt. Klausur-Pflicht. Plausibilitäts-Check: alle E_ij summiert ergibt wieder n.
Typ: Lückentext
Klausur-Quiz
Klausurfragen mit Lösungen (6)
- F1.Sortiere die Schritte des Chi-Quadrat-Unabhängigkeitstests:
Richtige Reihenfolge:
- Zeilen- und Spaltensummen + Gesamt n bilden
- Erwartete Häufigkeiten $E_{ij}$ = (ZS·SS)/n je Zelle
- $\chi^2$ = Σ (O-E)²/E aufsummieren
- df = (r-1)(c-1) bestimmen
- $\chi^2_{krit}$ aus Tabelle bei df, α ablesen
- Entscheidung: $\chi^2 > \chi^2_{krit}$ → H₀ ablehnen
Erklärung: Standard-Workflow für Unabh.-Test. Wichtig: Randsummen ZUERST, dann erwartete Tafel, dann χ²-Summe. df-Bestimmung kann auch früher kommen, aber kritischer Wert braucht df.
Typ: Reihenfolge
- F2.Tafel: Zeilensummen 100/100, Spaltensummen 80/80/40, n=200. Berechne E_(11) (Zelle oben links).
Antwort: 40
Erklärung: `E_(11)` = (Z1 · S1) / n = (100 · 80) / 200 = 40. Klausur-Standard. Plausibilitäts-Check: Zeile 1 hat Summe 100, `E_(11)+E_(12)+E_(13)` = 40+40+20 = 100 ✓.
Typ: Zahlen-Eingabe
- F3.Bei einem Anpassungstest mit 6 Kategorien (Würfelaugen 1-6), wie viele Freiheitsgrade?
Antwort: df = 5
Erklärung: df = k - 1 = 6 - 1 = 5 beim Anpassungstest. Begrund: ein Freiheitsgrad geht durch die Bedingung Σ Häufigkeiten = n (oder Σ Wahrscheinlichkeiten = 1) verloren. Beim Würfel α=5 % → χ²_krit = 11,07.
- F4.Welche Aussagen über den χ²-Test sind RICHTIG?
Richtige Antworten: Verlangt erwartete Häufigkeiten ≥ 5 in jeder Zelle; df = (r-1)(c-1) im Unabhängigkeitstest; Größerer χ²-Wert = stärkere Evidenz gegen H₀; Fisher's exact ist Alternative bei kleinen Stichproben
Erklärung: Korrekt: E ≥ 5, df=(r-1)(c-1), χ² groß=Evidenz, Fisher's als Alternative. Falsch: χ²-Test ist NUR für kategoriale/diskrete Daten; χ² ist Quadrat-Summe und damit ≥ 0.
Typ: Multi-Select
- F5.2×2-Tafel: O = [[20, 30], [30, 20]] mit Randsummen 50/50/50/50, n=100. Berechne χ². (auf 1 Nachkommastelle)
Antwort: 4 (Toleranz ±0.1)
Erklärung: Alle E_ij = (50·50)/100 = 25. (O-E): -5, 5, 5, -5. χ² = 4 · (25/25) = 4·1 = 4,0. Bei df=1, α=5 % ist krit=3,84 → 4,0 > 3,84 → H₀ ablehnen (knapp).
Typ: Zahlen-Eingabe
- F6.Beim Chi-Quadrat-Test wird H₀ abgelehnt, wenn der berechnete χ²-Wert SIGNIFIKANT KLEINER als der kritische Wert ist.
Antwort: Falsch
Erklärung: FALSCH. H₀ wird abgelehnt, wenn χ² **größer** als der kritische Wert ist. Großer χ²-Wert = große Differenz beobachtet vs. erwartet = Evidenz GEGEN H₀ (Unabhängigkeit/Anpassung). Klausur-Falle.
Typ: Wahr/Falsch