Ausgleichungsrechnung I

Präsentation zum Thema: "Ausgleichungsrechnung I"—  Präsentation transkript:

1 Ausgleichungsrechnung I
Induktive Statistik Einleitung Stichproben Stichprobenverteilungen Bestimmung von Vertrauensbereichen Statistische Prüfverfahren Ausgleichungsrechnung I Gerhard Navratil

2 Ausgleichungsrechnung I
Einleitung Beispiel für induktive Statistik Neues Medikament Warum sollen die Konsumenten es kaufen? Weil es hübscher verpackt ist? Wie beweist man, dass es besser ist als die schon vorhandenen Medikamente? Wie ist ein solcher Test manipulierbar? Ausgleichungsrechnung I Gerhard Navratil

3 Ausgleichungsrechnung I
Stichproben Grundgesamtheit: Alle möglichen Ergebnisse des Versuchs Stichprobe: Die n Ergebnisse eines tatsächlich durchgeführten Versuchs z.B. Ziehen aus einer Urne Grundgesamtheit: alle Kugeln Stichprobe die Kugel, die ich ziehe Unendlich viele Versuche: Stichprobe = Grundgesamtheit Ausgleichungsrechnung I Gerhard Navratil

4 Ausgleichungsrechnung I
Begriff ‚Stichprobe‘ Kommt aus der Metall gewinnenden Industrie und dem Warenhandel Kleiner Teil der Schmelzmasse wurde dem Schmelzofen entnommen um die Qualität der Schmelzmasse zu prüfen Rückschluss von der Probe auf die gesamte Schmelzmasse (die Grundgesamtheit) Auch im Warenhandel (Käse, Getreide, etc.) Ausgleichungsrechnung I Gerhard Navratil

5 Ausgleichungsrechnung I
Beispiel (1) Bestimmung der Größe der Studenten Vermessungswesen eines bestimmten Jahres N=20 Personen Einfachste Möglichkeit: Alle 20 abmessen  Erwartungswert und Varianz der Grund-gesamtheit i xi 1 188 11 170 2 183 12 187 3 13 177 4 185 14 178 5 15 180 6 198 16 182 7 163 17 189 8 164 18 173 9 174 19 176 10 20 Ausgleichungsrechnung I Gerhard Navratil

6 Ausgleichungsrechnung I
Beispiel (2) Aber: Es ist uns zu aufwändig, also wählen wir n=5 Studenten und messen deren Größe  Stichprobe Wir wollen nun von der Stichprobe auf die Grundgesamtheit schließen Anzahl der möglichen Stichproben: Ausgleichungsrechnung I Gerhard Navratil

7 Ausgleichungsrechnung I
Beispiel (3) Ausgangspunkt: Die 5 Studenten wurden zufällig ausgewählt  Mittelwert ist eine Zufallsgröße Mittelwert hat also eine Wahrscheinlich-keitsverteilung (Stichprobenverteilung) Zentraler Grenzwertsatz  Stichproben-verteilung ist die Normalverteilung Ausgleichungsrechnung I Gerhard Navratil

8 Stichprobenverteilung des arithmetischen Mittels
Ab etwa n=30 normalverteilt Erwartungswert: Standardabweichung: Ausgleichungsrechnung I Gerhard Navratil

9 Stichprobenverteilung der Standardabweichung
Voraussetzung: Normalverteilung der Grundgesamtheit Es folgt: Normalverteilung für die Stich-probenverteilung der Standardabweichung S für n   Erwartungswert: Standardabweichung: Ausgleichungsrechnung I Gerhard Navratil

10 Stichprobenverteilung der Differenz zweier Standardabweichungen
Voraussetzung: Normalverteilung der Grundgesamtheiten, große Stichproben (n > 100) Es folgt: Normalverteilung für die Stich-probenverteilung der Differenz der Standardabweichungen DS=S1-S2 Erwartungswert: Standardabweichung: Ausgleichungsrechnung I Gerhard Navratil

11 Ausgleichungsrechnung I
Vertrauensbereiche Mittelwert ms und Standardabweichung ss sind Punktschätzwerte für m und s Keine Information über Zuverlässigkeit oder Genauigkeit (keine Angaben über Abweichung vom wahren Wert) Abhilfe: Vertrauensbereiche (Vertrauens-, Konfidenzintervall) Mit Stichprobendaten berechnetes Intervall Überdeckt den wahren Wert mit vorgegebener Wahrscheinlichkeit S Ausgleichungsrechnung I Gerhard Navratil

12 Vertrauensbereich für Mittelwert bei bekanntem s (1)
Normalverteilte Grundgesamtheit Stichprobe liefert x1, … xn Standardabweichung aus Erfahrung Vertrauensbereich mit P(mu<m<mo) = S Mit mu untere und mo obere Vertrauens-grenze Normierte Normalverteilung: P(-us<l<+us) = S Ausgleichungsrechnung I Gerhard Navratil

13 Vertrauensbereich für Mittelwert bei bekanntem s (2)
Mittelwert der Stichprobe us: Quantil l: Stichprobenfunktion Also: Einfache Umformungen: Grenzen: Ausgleichungsrechnung I Gerhard Navratil

14 Beispiel Streckenmessung
x=130,100m s=4,0cm n=4 S=0,95 Tabelle im Skriptum: us=1,96 P(130,061m<m<130,139m)=0,95 oder: Ausgleichungsrechnung I Gerhard Navratil

15 Vertrauensbereich für Mittelwert bei unbekanntem s (1)
Normalverteilte Grundgesamtheit Stichprobe liefert x1, … xn Standardabweichung nur Schätzwert Vertrauensbereich für die normierte Normalverteilung: P(-tS<t<+tS) = S mit der Stichprobenfunktion Ausgleichungsrechnung I Gerhard Navratil

16 Vertrauensbereich für Mittelwert bei unbekanntem s (2)
Also: Einfache Umformungen: Grenzen: Vertrauensbereich: Ausgleichungsrechnung I Gerhard Navratil

17 Beispiel Streckenmessung
x=130,100m s=4,0cm n=4 S=0,95 Tabelle im Skriptum: tS=3,18 (k=4-1=3) P(130,036m<m<130,164m)=0,95 oder: Ausgleichungsrechnung I Gerhard Navratil

18 Vertrauensbereich für die Standardabweichung (1)
Normalverteilte Grundgesamtheit Stichprobe liefert x1, … xn Standardabweichung Vertrauensbereich mit P(su<s<so) = S‘‘ Mit su untere und so obere Vertrauens-grenze Ausgleichungsrechnung I Gerhard Navratil

19 Vertrauensbereich für die Standardabweichung (2)
Ausgangspunkt: Dichtefunktion der Standardabweichung ist die c2-Verteilung, kann geschrieben werden als S2: Zufallsgröße „Varianz der Stichprobe“ k: Anzahl der Freiheitsgrade Ausgleichungsrechnung I Gerhard Navratil

20 Vertrauensbereich für die Standardabweichung (3)
Wenn nicht wahre Fehler e sondern Verbesserungen v: k=n, wenn der wahre Wert bekannt, sonst k=n-1 Es folgt und Also: Ausgleichungsrechnung I Gerhard Navratil

21 Beispiel Streckenmessung
s=4,0cm n=4 S=0,95 Tabelle im Skriptum: qu=0,57, qo=3,73 (k=4-1=3) quS=0,574,0cm=2,3cm qoS=3,734,0cm=14,9cm oder: P(2,3cm<s<14,9cm)=0,95 Ausgleichungsrechnung I Gerhard Navratil

22 Vertrauensbereich für beliebige Ausgleichungsaufgaben (1)
Formeln für Mittelwert bei unbekannter Standardabweichung auch auf Ausgleichungsaufgaben anwendbar Mittel gleich ausgeglichenen Unbekannten oder Messwerten Standardabweichung des Mittels gleich Standardabweichung der Unbekannten oder Messwerten Freiheitsgrade k gleich Anzahl der überschüssigen Messungen Ausgleichungsrechnung I Gerhard Navratil

23 Vertrauensbereich für beliebige Ausgleichungsaufgaben (2)
Beliebiges Ergebnis (Unbekannte oder Messwert) G mit Standardabweichung mG mit tS aus der Tabelle für 2-seitige Sicherheit qu, qo als abgeleitete Sicherheitsgrenzen Ausgleichungsrechnung I Gerhard Navratil

24 Vertrauensbereich für beliebige Ausgleichungsaufgaben (3)
Vertrauensbereich im Allgemeinen aussagekräftiger als Standardabweichung Standardabweichung selbst nur Schätzwert für wahren Wert Standardabweichung nicht mit Wahrscheinlichkeit verbunden Bei geringer Redundanz oft nur unzureichende Beschreibung Vertrauensbereich immer mit Wahrscheinlich-keitsaussage verbunden  deutlicher und zutreffender Ausgleichungsrechnung I Gerhard Navratil

25 Statistische Prüfverfahren (1)
Statistischer Test stellt fest, ob die Daten einer Stichprobe mit einer Hypothese übereinstimmen Zu testende Behauptung: Nullhypothese z.B. Gleiche Mittelwerte – H0: m1=m2 Stichprobenfunktion wird gewählt – liefert Sicherheitsgrenzen Berechnung einer Prüfgröße Vergleich Prüfgröße – Sicherheitsgrenze Ausgleichungsrechnung I Gerhard Navratil

26 Statistische Prüfverfahren (2)
Prüfgröße innerhalb der Sicherheitsgrenzen (Annahmebereich): Hypothese wird angenommen Prüfgröße außerhalb der Sicherheitsgrenzen (Ablehnungsbereich): Hypothese wird abgelehnt Sicherheitswahrscheinlichkeit (Signifikanzniveau) üblicherweise 95% (selten 99% - hochsignifikant) Ausgleichungsrechnung I Gerhard Navratil

27 Ausgleichungsrechnung I
Vorsicht! Annahme einer Hypothese bedeutet, dass die Stichprobe nicht gegen die Hypothese spricht Annahme bedeutet NICHT, dass die Hypothese zu 95% richtig ist Ablehnung bedeutet, dass die Prüfgröße in einem Bereich liegt, in dem sie bei richtiger Hypothese nur zu 5% liegen würde Ablehnung bedeutet NICHT, dass die Hypothese zu 95% falsch ist Ausgleichungsrechnung I Gerhard Navratil

28 Ausgleichungsrechnung I
Fehler bei Tests Fehler erster Art: Ablehnung einer richtigen Hypothese (Wahrscheinlichkeit dafür 5% bzw. 1%) Fehler zweiter Art: Annahme einer falschen Hypothese (Angabe einer Wahrscheinlichkeit nicht möglich) Ausgleichungsrechnung I Gerhard Navratil

29 Praktische Durchführung
Formulierung der Fragestellung Aufstellen der Hypothese Wählen der Stichprobenfunktion und Berechnen der Prüfgröße Entnahme der Sicherheitsgrenzen aus der entsprechenden Tabelle Entscheidung über Annahme oder Ablehnung und Beantwortung der Fragestellung Ausgleichungsrechnung I Gerhard Navratil

30 Test von m bei bekanntem s
Hat die Grundgesamtheit einen bestimmten (vorgegebenen) Mittelwert? Hypothese: Grundgesamtheit hat Mittelwert m0, also Stichprobenfunktion Prüfgröße Sicherheitsgrenze aus Tabelle Vergleich Ausgleichungsrechnung I Gerhard Navratil

31 Beispiel Refraktionskoeffizient
x=0,15 s=0,03 n=10 Hypothese: Grundgesamtheit hat Mittelwert m0=0,13 also Prüfgröße Sicherheitsgrenze aus Tabelle uS=1,96 2,11>1,96  Hypothese abgelehnt, es muss 0,15 verwendet werden Ausgleichungsrechnung I Gerhard Navratil

32 Test von m bei unbekanntem s
Hat die Grundgesamtheit einen bestimmten (vorgegebenen) Mittelwert? Hypothese: Grundgesamtheit hat Mittelwert m0, also Stichprobenfunktion Prüfgröße Sicherheitsgrenze aus Tabelle Vergleich Ausgleichungsrechnung I Gerhard Navratil

33 Beispiel Polarplanimeter
x=9,97mm2 s=0,015 n=4 k=3 m0=10mm2 Hypothese: Grundgesamtheit hat Mittelwert m0=10 also Prüfgröße Sicherheitsgrenze aus Tabelle bei k=3 tS=3,18 4,00>3,18  Hypothese abgelehnt, es muss 9,97 verwendet werden Ausgleichungsrechnung I Gerhard Navratil

34 Test von m1 und m2 bei bekanntem s1 und s2
Haben die beiden Grundgesamtheiten denselben Mittelwert? Hypothese: Grundgesamtheit haben denselben Mittelwert, also Stichprobenfunktion mit Prüfgröße Sicherheitsgrenze und Vergleich Ausgleichungsrechnung I Gerhard Navratil

35 Beispiel Senkungserscheinungen
x‘ = 32,120m s1=8mm n1=6 x‘‘= 32,113m s2=5mm n2=4 Hypothese: Grundgesamtheiten haben gleichen Mittelwert, also Prüfgröße Sicherheitsgrenze aus Tabelle uS=1,96 1,71<1,96  Hypothese angenommen, keine signifikanten Senkungen Ausgleichungsrechnung I Gerhard Navratil

36 Test von m1 und m2 bei unbekanntem s1 und s2 (1)
Haben die beiden Grundgesamtheiten denselben Mittelwert? Hypothese: Grundgesamtheit haben denselben Mittelwert, also Stichprobenfunktion mit mit dem gewogenen Mittel der Varianzen als Varianz Grundgesamtheit Ausgleichungsrechnung I Gerhard Navratil

37 Test von m1 und m2 bei unbekanntem s1 und s2 (2)
Prüfgröße Sicherheitsgrenze mit k=n1+n2-2 Freiheitsgraden Vergleich Ausgleichungsrechnung I Gerhard Navratil

38 Beispiel Bauwerksbewegungen
x‘ =50,630m n1=26 u1=18 s02=0,26mgon Qxx=3,00 x‘‘=50,636m n2=34 u1=21 s02=0,22mgon Qxx=2,53 Hypothese: Grundgesamtheiten haben gleichen Mittelwert, also Prüfgröße Sicherheitsgrenze aus Tabelle tS=2,08 1,08<2,08  Hypothese angenommen, keine signifikanten Bewegungen Ausgleichungsrechnung I Gerhard Navratil

39 Test einer Standardabweichung (1)
Hat die Grundgesamtheit eine bestimmte (vorgegebene) Standardabweichung? Hypothese: Grundgesamtheit hat Standardabweichung s0, also Stichprobenfunktion Prüfgröße Ausgleichungsrechnung I Gerhard Navratil

40 Test einer Standardabweichung (2)
Sicherheitsgrenze aus Tabelle, dabei Entscheidung, ob Test gegen Alternativhypothese s>s0 (einseitige Fragestellung): cS2 oder Test gegen Alternativhypothese ss0 (zweiseitige Fragestellung): qu und qo abgeleitete Prüfgröße: Vergleich Ausgleichungsrechnung I Gerhard Navratil

41 Beispiel Nivellement (einseitig)
s=3,8mm k=8 s0=2,5mm Hypothese: Grundgesamtheit hat s0=2,5mm, also Prüfgröße Sicherheitsgrenze aus Tabelle cS2=15,5 18,5>15,5  Hypothese abgelehnt, erreichte Genauigkeit ist geringer Ausgleichungsrechnung I Gerhard Navratil

42 Beispiel Stationsausgleich (zweiseitig)
s=0,1mgon k=44 s0=0,14mgon Hypothese: Grundgesamtheit hat s0=0,14mgon, also Prüfgröße Sicherheitsgrenze aus Tabelle qu=0,85, qo=1,22 1,4>1,22  Hypothese abgelehnt, erreichte Genauigkeit ist zu hoch Ausgleichungsrechnung I Gerhard Navratil

43 Test zweier Standardabweichungen
Haben die beiden Grundgesamtheiten dieselbe Standardabweichung? Hypothese: Grundgesamtheit haben gleiche Standardabw., also Stichprobenfunktion Prüfgröße (s12>s22) Sicherheitsgrenze mit k1/k2 aus Tabelle Vergleich (Alternativ: s1>s2) Ausgleichungsrechnung I Gerhard Navratil

44 Beispiel Messgenauigkeit
s1=0,39mgon s2=0,27mgon k1=20 k2=15 Hypothese: Messungen gleich genau, also Prüfgröße Sicherheitsgrenze aus Tabelle FS=2,33 2,09<2,33  Hypothese angenommen, beide Geräte gleich genau Ausgleichungsrechnung I Gerhard Navratil

45 Test mehrerer Standard-abweichungen (Cochran-Test)
Haben alle Grundgesamtheiten dieselbe Standardabweichung? Hypothese: Grundgesamtheiten haben die gleiche Standardabw., also Stichprobenfunktion Prüfgröße Sicherheitsgrenze aus Tabelle Vergleich Ausgleichungsrechnung I Gerhard Navratil

46 Beispiel Messgenauigkeit
8 Messungen mit je 10 übersch. Beob. 0,42, 0,41, 0,36, 0,39, 0,42, 0,52, 0,40, 0,38 Hypothese: Messungen gleich genau, also Prüfgröße Sicherheitsgrenze GmaxS=0,283 0,283>0,196  Hypothese angenommen, keine Änderung der Genauigkeit Ausgleichungsrechnung I Gerhard Navratil

47 Ausgleichungsrechnung I
Cochran-Test Besonders gut geeignet, wenn eine Standardabweichung wesentlich größer als die anderen Auch verwendbar, wenn Anzahl der Freiheitsgrade nur nahezu gleich Größere Unterschiede bei den Freiheits-graden: Bartlett-Test Ausgleichungsrechnung I Gerhard Navratil

48 Test eines Korrelationskoeffizienten
Ist der Korrelationskoeffizient gleich Null? Hypothese: Korrelationskoeffizient gleich Null, also Stichprobenfunktion Prüfgröße Sicherheitsgrenze aus Tabelle Vergleich Ausgleichungsrechnung I Gerhard Navratil

49 Beispiel trig. Höhenmessungen
15 Messungen nach 2 Punkten  Verbesserungen Hypothese: Keine Korrelation, also Prüfgröße Sicherheitsgrenze tS=2,17 2,57>2,17  Hypothese abgelehnt Ausgleichungsrechnung I Gerhard Navratil

50 Test eines extremen Merkmals (Ausreißertest)
Ist ein Wert ein Ausreißer? Hypothese: Wert gehört zur Grundgesamt-heit, also Stichprobenfunktion Prüfgröße Sicherheitsgrenze aus Tabelle Vergleich Ausgleichungsrechnung I Gerhard Navratil

51 Beispiel Winkelmessung
6 Winkelmessungen, ein extremer Wert Hypothese: Extremer Wert gehört zu selben Grundgesamtheit, also Prüfgröße Sicherheitsgrenze DS=2,00 2,04>2,00  Hypothese abgelehnt, Wert ist ein Ausreißer und somit zu streichen Ausgleichungsrechnung I Gerhard Navratil

52 Test auf Normalverteilung
Ist die Stichprobe normalverteilt? Hypothese: Stichprobe gehört zu einer normalverteilten Grundgesamtheit, also Stichprobenfunktion Prüfgröße Sicherheitsgrenze aus Tabelle Vergleich Anzahl Klassen theoret. abs. Häufigkeit empirische absolute Häufigkeit Ausgleichungsrechnung I Gerhard Navratil

53 Beispiel Winkelmessung
270 Verbesserungen für ein Netz Hypothese: Verbesserungen sind normal-verteilt, also Prüfgröße Sicherheitsgrenze cS2=14,1 10,5<14,1  Hypothese angenommen, Verteilung der Werte widerspricht nicht der Annahme der Normalverteilung Ausgleichungsrechnung I Gerhard Navratil

54 Ausgleichungsrechnung I
Zusammenfassung Statistische Tests prüfen Hypothesen mittels Stichproben Bei statistischen Tests können 2 Arten von Fehlern passieren: Ablehnung einer richtigen Hypothese (1. Art) Annahme einer falschen Hypothese (2. Art) Für typische Testsituationen gibt es Standardverfahren Ausgleichungsrechnung I Gerhard Navratil

55 Ausgleichungsrechnung I
ENDE A1 ist hier zu Ende Was fehlt noch? (Stoff von A2) Umgang mit groben Fehlern Festlegung des geodätischen Datums Qualitätsangaben über Unbekannte hinaus Komplexere Anwendungen (Deformationsanalyse, Geostatistik etc.) Ausgleichungsrechnung I Gerhard Navratil