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Startseite/Statistik und Wahrscheinlichkeit/Der p-Wert

Der p-Wert

Teststatistik auf der Dichte unter der Nullhypothese; die schattierte ein- oder zweiseitige Flanke ist der p-Wert. Warum er nicht die Wahrscheinlichkeit ist, dass H₀ wahr ist.

Hypothesentest

Szenario

Alternativhypothese (Flanke)

Signifikanzniveau α

100

Ein-Stichproben-z-Test bei bekanntem σ: unter H₀ ist das Stichprobenmittel normal mit Mittel μ₀ und Standardfehler σ/√n, z = (x̄ − μ₀)/SE ist also standardnormal. Das Münzszenario ist ein Test eines Anteils mit der Normalnäherung der Binomialverteilung, SE = √(p₀(1−p₀)/n), ohne Stetigkeitskorrektur; die simulierten Experimente werfen wirklich n Münzen, ihr Histogramm ist daher diskret. Zieht man die Marke, ändert sich der beobachtete Wert; ändert man n, bleibt x̄ fest und die simulierten Experimente werden gelöscht.

Tastenkürzel

  • •Space / Enter — 1000 Experimente unter H₀ simulieren
  • •R — Szenario zurücksetzen (neuer Startwert)
  • •Rosa Marke ziehen — beobachtete Teststatistik verschieben

Gemessene Größen

Nullwert μ₀ (H₀)0.500
σ = √(p₀(1−p₀))0.500
Stichprobengröße n100
Beobachtetes p̂0.600 (≈ 60 von 100 Köpfe)
SE = σ/√n0.05000
z_obs = (x̄ − μ₀)/SE2.000
p-Wert (exakt)0.0455
Empirischer Anteil ≥ so extrem—
Signifikanzniveau α0.05
Kritisches z±1.960
EntscheidungH₀ ablehnen

Zum Modell

Der Simulator zeigt einen Ein-Stichproben-z-Test bei bekannter Standardabweichung σ der Grundgesamtheit. Unter der Nullhypothese H₀: μ = μ₀ ist das Stichprobenmittel aus n Beobachtungen normalverteilt mit Mittel μ₀ und Standardfehler SE = σ/√n, die Teststatistik z = (x̄ − μ₀)/SE folgt also der Standardnormalverteilung. Die Fläche zeichnet diese standardnormale Dichte in z-Einheiten, mit einer zweiten Achse in den Roh-Einheiten des Szenarios (Kopfanteil, IQ-Punkte, mmHg), die beobachtete Statistik z_obs als verschiebbare Marke und den p-Wert als schattierte Flanke: p = 1 − Φ(z) bei einer rechtsseitigen Alternative, Φ(z) bei einer linksseitigen und 2·Φ(−|z|) bei einer zweiseitigen, wobei Φ die Verteilungsfunktion der Standardnormalverteilung ist. Φ wird mit Codys rationaler Tschebyschow-Näherung von erfc berechnet (Fehler weit unter 1e-7), die kritischen Werte z_c = Φ⁻¹(1 − α) oder ±Φ⁻¹(1 − α/2) mit Acklams Umkehrfunktion und einem anschließenden Newton-Schritt; die Entscheidung „H₀ ablehnen“ (p < α) ist damit exakt und nicht von einer Tafel abgelesen. Das Münzszenario ist ein Test eines Anteils, H₀: p = 0,5, mit der Normalnäherung der Binomialverteilung, SE = √(p₀(1−p₀)/n), ohne Stetigkeitskorrektur; simuliert man in diesem Szenario Experimente, wirft das Programm wirklich n Münzen je Experiment, das Histogramm ist also diskret und sein Flankenanteil kann leicht von der glatten Näherung abweichen. Die empirische Schicht zieht 1000 Experimente aus H₀ selbst mit einem Generator mit Startwert, zeichnet ihre Statistiken als Histogramm unter der Kurve und zählt den Anteil, der mindestens so extrem ist wie z_obs; dieser Anteil ist eine Monte-Carlo-Schätzung des p-Werts und macht seine Bedeutung greifbar — wie oft der Zufall allein, unter H₀, so extreme Daten erzeugt. Der Regler für die Stichprobengröße hält x̄ fest und verkleinert den SE, das zeigt, warum derselbe rohe Effekt mit wachsendem n signifikant wird. Vereinfachungen: σ gilt als bekannt (sonst wäre eine t-Statistik nötig), die Beobachtungen werden als unabhängig und identisch verteilt angenommen, und es gibt keine Korrektur für multiples Testen. Verwandte Simulatoren: statistics/type-i-ii-errors-power (α, β und Teststärke als Flächen unter zwei Kurven), statistics/confidence-interval (das Gegenstück eines zweiseitigen Tests), statistics/normal-distribution (Φ und z-Werte), statistics/central-limit-theorem (warum die Stichprobenverteilung von x̄ normal ist) und statistics/binomial-distribution (die exakte Verteilung hinter dem Münzszenario).

Für wen: Oberstufe und erstes Studienjahr: erster Kontakt mit dem Hypothesentest (AP Statistics, A-level, einführende Statistik).

Wichtige Begriffe

  • nullhypothese h₀
  • teststatistik z
  • stichprobenverteilung
  • standardfehler σ/√n
  • p-wert
  • signifikanzniveau α
  • kritischer wert
  • ein- und zweiseitiger test

So funktioniert es

Unter der Nullhypothese H₀ schwankt das Stichprobenmittel um μ₀ mit dem Standardfehler σ/√n, die Teststatistik z = (x̄ − μ₀)/SE folgt also einer Standardnormalkurve. Der p-Wert ist die schattierte Flanke: die Wahrscheinlichkeit, unter wahrem H₀ eine Statistik zu erhalten, die mindestens so weit von μ₀ entfernt ist wie die beobachtete — eine Flanke bei einer gerichteten Alternative, beide bei einer zweiseitigen. Er ist P(Daten so extrem | H₀), nicht P(H₀ | Daten): ein p-Wert von 0,03 heißt, dass solche Daten in 3 % der Welten entstehen, in denen H₀ gilt, nicht dass H₀ mit einer Chance von 3 % wahr ist. Simulieren zieht 1000 Experimente aus H₀ selbst und zählt, wie oft sie z_obs übertreffen; dieser Anteil geht gegen den exakten p-Wert, und genau das misst der p-Wert. Schiebt man n, bleibt der rohe Effekt derselbe, der SE schrumpft aber, dasselbe x̄ wird also überraschender und p fällt — das Modell setzt bekanntes σ und eine normale (oder normal genäherte) Stichprobenverteilung voraus.

Wichtige Gleichungen

z = (x̄ − μ₀) / SE, SE = σ / √n (Münze: SE = √(p₀(1−p₀)/n))
p = 1 − Φ(z) (rechts) · Φ(z) (links) · 2·Φ(−|z|) (zweiseitig)
H₀ ablehnen ⇔ p < α ⇔ z jenseits von z_c = Φ⁻¹(1 − α) oder ±Φ⁻¹(1 − α/2)
Φ(z) = ½·erfc(−z/√2)

Häufige Fragen

Wenn der p-Wert 0,03 ist: besteht dann eine Chance von 3 %, dass die Nullhypothese wahr ist?
Nein. Der p-Wert wird unter der Annahme berechnet, dass H₀ wahr ist: er ist die Wahrscheinlichkeit für Daten, die mindestens so extrem sind wie die eigenen, in dieser hypothetischen Welt, P(Daten so extrem | H₀). Die Wahrscheinlichkeit, dass H₀ angesichts der Daten wahr ist, P(H₀ | Daten), hinge auch davon ab, wie plausibel H₀ vor dem Experiment war, und genau das nutzt ein p-Wert überhaupt nicht. Der Simulator macht das sichtbar: jedes der 1000 simulierten Experimente kommt aus einer Welt, in der H₀ exakt wahr ist, und etwa 3 % von ihnen liegen trotzdem jenseits von z_obs. Ein kleiner p-Wert sagt, dass die Daten unter H₀ ungewöhnlich sind, nicht dass H₀ unwahrscheinlich ist.
Warum liefert dasselbe beobachtete Mittel einen kleineren p-Wert, wenn n größer ist?
Weil der Standardfehler σ/√n mit n schrumpft. Bei n = 25 und σ = 15 liegt ein Klassenmittel von 104 nur 1,33 Standardfehler über 100, das tritt in einem zweiseitigen Test zufällig in etwa 18 % der Fälle auf; bei n = 100 entspricht dieselbe Differenz von 4 Punkten 2,67 Standardfehlern, und p fällt auf etwa 0,008. Der rohe Effekt ist derselbe, ein Mittel aus vielen Beobachtungen schwankt unter H₀ aber weniger, dieselbe Abweichung lässt sich also schwerer durch Zufall erklären. Deshalb misst statistische Signifikanz allein nicht, wie groß oder wichtig ein Effekt ist.
Was ist der Unterschied zwischen einem einseitigen und einem zweiseitigen p-Wert?
Ein zweiseitiger Test fragt, wie oft H₀ eine Statistik erzeugt, die in irgendeiner Richtung mindestens so weit von μ₀ entfernt ist, also p = 2·Φ(−|z|), und die schattierte Fläche liegt in beiden Flanken. Ein einseitiger Test legt die Richtung vorher fest — etwa dass das Medikament den Blutdruck senkt — und zählt nur Abweichungen in diese Richtung, mit p = 1 − Φ(z) bei einer rechtsseitigen Alternative. Bei demselben z ist der einseitige p-Wert genau halb so groß wie der zweiseitige, und der kritische Wert wandert bei α = 0,05 von ±1,96 auf 1,645. Die Richtung muss festliegen, bevor man die Daten ansieht; wählt man danach die Flanke, die gerade passt, verdoppelt sich die echte Rate falsch positiver Entscheidungen.
Warum nutzt das Münzbeispiel eine Normalkurve, obwohl die Zahl der Köpfe binomial ist?
Die Zahl der Köpfe in n fairen Würfen ist binomialverteilt, Binomial(n; 0,5), eine diskrete Verteilung, für großes n aber eng durch eine Normalkurve mit Mittel np₀ und Standardabweichung √(np₀(1−p₀)) genähert; für den Anteil p̂ = Köpfe/n sind das Mittel p₀ und SE = √(p₀(1−p₀)/n). Bei n = 100 ist die Näherung gut: 60 Köpfe geben z = 2,0 und einen zweiseitigen p-Wert von 0,046, während die exakte zweiseitige Binomialwahrscheinlichkeit für 60 oder mehr (oder 40 oder weniger) Köpfe 0,057 beträgt. Die simulierten Experimente werfen echte Münzen, ihr Histogramm ist daher gestuft, und der empirische Anteil folgt der exakten Binomialverteilung statt der glatten Kurve. Bei kleinem n oder einem p₀ weit weg von 0,5 wird die Näherung schlechter, dann sollte man den exakten Binomialtest verwenden.