Im Krankenhaus gelingen 70 % der Tumor-Operationen. Ein neuer Arzt schafft 40 von 50, also 80 %.
Ist er wirklich besser, oder hatte er Glück? Der Binomialtest fragt: Wie wahrscheinlich
wären 40 oder noch mehr Erfolge, wenn er nur so gut wäre wie die anderen? Diese
Wahrscheinlichkeit ist der p-Wert. In (i) wird er berechnet und mit dem Niveau 5 %
verglichen, in (ii) wird gesucht, wie viele Erfolge gereicht hätten, in (iii) wird der p-Wert
als Maß für die Beweiskraft gedeutet. Rechts steht der ganze Lösungsweg, links die Erklärung zum
aktuellen Schritt. Mit Weiter geht es Schritt für Schritt voran. Ein Klick auf einen
Schritt springt direkt dorthin.
Schritt 0Die Aufgabe
In einem Krankenhaus werden 70 % bestimmter Tumoren erfolgreich entfernt. Ein neuer Arzt
entfernt erfolgreich 40 Tumore in seinen ersten 50 Operationen.
Kann man zum Niveau α=5% zeigen, dass der neue Arzt besser arbeitet als die
Anderen und dass er deshalb zum Oberarzt ernannt werden sollte?
Wie viele erfolgreiche Operationen (in den ersten 50 Operationen) wären mindestens nötig
gewesen, um zum Niveau α=5% zeigen zu können, dass der neue Arzt besser arbeitet?
Interpretieren Sie den in (i) erhaltenen p-Wert als Evidenzmaß gegen H0 (vgl.
untenstehende Tabelle).
Die Tabelle, auf die (iii) verweist („Evidenzmaß“ heißt: Maß für die Beweiskraft):
p-Wert
gegen H0 spricht
größer als 15 %
nichts
10 % bis unter 15 %
kaum etwas
5 % bis unter 10 %
einiges
1 % bis unter 5 %
vieles
unter 1 %
sehr vieles
Zur Musterlösung: Alle Ergebnisse der Musterlösung stimmen (0,0789; mindestens 41;
„einiges“). Kleine Unterschiede in der Schreibweise stehen in Schritt 3 und Schritt 11.
(i) Ist der neue Arzt nachweislich besser?
Binomialtest zum Niveau α = 5 %
Schritt 140 von 50: besser oder nur Glück?
Beobachtet: Erfolge x in n Operationen
n=50,x=40
Beobachtete Erfolgsquote p^ des neuen Arztes, verglichen mit dem Krankenhaus
p^=nx=5040=0,8=80%gegenu¨ber70%
Zwei mögliche Erklärungen für die 80 %
(a) er ist wirklich besseroder(b) er ist so gut wie alle, hatte aber Glu¨ck
Schritt 2Welcher Test: der Binomialtest
Die Zufallsvariable: gezählt werden Erfolge, nichts wird gemessen
X=Anzahl erfolgreicher Operationen unter den ersten 50
Voraussetzungen der Binomialverteilung
zwei Ausga¨nge je Operation⋅Operationen unabha¨ngig⋅gleiche Erfolgswahrscheinlichkeit p
Das Modell; p ist die unbekannte Erfolgswahrscheinlichkeit des neuen Arztes
X∼B(50;p)
Der Test, der eine Wahrscheinlichkeit p mit einem Vergleichswert p0 vergleicht
Binomialtest mit p0=0,7
Schritt 3Hypothesen und Signifikanzniveau
Was man zeigen möchte, kommt in die Alternative HA
H0:p≤0,7gegenHA:p>0,7
Die Musterlösung schreibt H1 statt HA; gemeint ist dasselbe.
Signifikanzniveau: so oft darf man sich höchstens irren, wenn man H0 verwirft
α=5%=0,05
Schritt 4Was wäre bei 70 % zu erwarten?
Gerechnet wird am Rand von H0, mit p=p0=0,7
X∼B(50;0,7)
Erwartungswert: so viele Erfolge im Mittel
E(X)=n⋅p0=50⋅0,7=35
Standardabweichung: so weit streut X typischerweise um 35
σX=n⋅p0⋅(1−p0)=50⋅0,7⋅0,3=10,5≈3,24
Die Beobachtung liegt 5 Erfolge über dem Erwartungswert, in Standardabweichungen gemessen
40−35=5,3,245≈1,54
Schritt 5Der p-Wert: 40 oder noch mehr Erfolge
p-Wert: Wahrscheinlichkeit unter H0 für das Beobachtete
oder etwas noch Extremeres
beobachtet: 40noch extremer (noch mehr fu¨r HA): 41,42,…,50
Also alle Säulen ab 40
p-Wert=P(X≥40)=P(X=40)+P(X=41)+⋯+P(X=50)
Warum nicht nur P(X=40)? Jede einzelne Anzahl ist selten, sogar die häufigste:
P(X=35)≈0,1223
Schritt 6Eine Säule von Hand: P(X=40)
Binomialformel mit n=50 und p0=0,7
P(X=k)=(k50)⋅0,7k⋅0,350−k
Für k=40: 40 Erfolge, 50−40=10 Misserfolge
P(X=40)=(4050)⋅0,740⋅0,310
Wie viele Möglichkeiten gibt es, welche 40 der 50 Operationen gelingen? (40! kürzt sich
weg)
1 - pbinom(40, 50, 0.7) # falsch: das ist P(X >= 41)
#[1] 0.04023163
Schritt 9Entscheidung: H0 beibehalten
Regel: H0 verwerfen, wenn p-Wert ≤α
p-Wert≈0,0789>0,05=α⟹H0 beibehalten
Antwort: Zum Niveau α=5% lässt sich nicht zeigen, dass der neue
Arzt besser arbeitet als die anderen. Mit diesem Test ist die Ernennung zum Oberarzt also
nicht begründbar. Widerlegt ist damit aber auch nicht, dass er besser ist: Die 50
Operationen reichen nur nicht als Nachweis.
Schritt 10Probe mit binom.test
binom.test(40, 50, p = 0.7, alternative = "greater")
# Exact binomial test
#
# data: 40 and 50
# number of successes = 40, number of trials = 50, p-value = 0.07885
# alternative hypothesis: true probability of success is greater than 0.7
# …
# sample estimates:
# probability of success
# 0.8
Vergleich mit Schritt 7 und Schritt 1
p-value=0,07885=P(X≥40)✓p^=0,8✓
(ii) Wie viele Erfolge hätten gereicht?
der kleinste Wert mit p-Wert ≤ 5 %
Schritt 11Gesucht: die kleinste Anzahl, die reicht
Hätte der Arzt x Erfolge gehabt, wäre sein p-Wert P(X≥x) gewesen
gesucht: das kleinste x mit P(X≥x)≤0,05
Ein Erfolg mehr heißt: eine Säule weniger in der Summe, der p-Wert wird kleiner
P(X≥x+1)=P(X≥x)−P(X=x)
Schritt 12Die Tabelle durchgehen: 41 ist die Grenze
Erfolge x
P(X=x)
P(X≥x)
≤0,05?
38
0,08383
0,22287
nein
39
0,06019
0,13904
nein
40
0,03862
0,07885
nein
41
0,02198
0,04023
ja, als erste
42
0,01099
0,01825
ja
43
0,00477
0,00726
ja
Herkunft: P(X=x) mit dbinom(38:43, 50, 0.7); P(X≥x)
aus P(X≥40)=0,07885 durch Säulen abziehen bzw. dazuzählen
Von 40 auf 41: die Säule P(X=40) aus Schritt 6 fällt weg
P(X≥41)=P(X≥40)−P(X=40)=0,07885−0,03862=0,04023
Vergleich mit α
P(X≥40)≈0,0789>0,05,P(X≥41)≈0,0402≤0,05
Ergebnis: mindestens 41 Erfolge; der Ablehnbereich
xmin=41,H0 verwerfen fu¨r X∈{41,42,…,50}
Schritt 13Probe mit R: 1 − pbinom(40, 50, 0.7)
1 - pbinom(40, 50, 0.7) # P(X >= 41) = 1 - P(X <= 40)
#[1] 0.04023163
binom.test(41, 50, p = 0.7, alternative = "greater")
# number of successes = 41, number of trials = 50, p-value = 0.04023
Vergleich mit Schritt 12
0,04023≤0,05✓
Schritt 14Warum qbinom(0.95, 50, 0.7) = 40 nicht die Antwort ist
qbinom(0.95, 50, 0.7) # 95-%-Quantil von B(50; 0,7)
#[1] 40
Das 95-%-Quantil: die kleinste Anzahl q mit P(X≤q)≥0,95
P(X≤39)≈0,9211<0,95,P(X≤40)≈0,9598≥0,95⟹q=40
pbinom(40, 50, 0.7) # P(X <= 40)
#[1] 0.9597684
Oberhalb des Quantils bleibt höchstens 5 %: erst X>40, also ab 41, wird verworfen
P(X>40)=P(X≥41)=1−P(X≤40)=1−0,9598=0,0402≤0,05
Die 40 selbst gehört nicht in den Ablehnbereich (Schritt 12)
xmin=q+1=40+1=41
(iii) Der p-Wert als Evidenzmaß
wie viel spricht gegen H₀?
Schritt 15Den p-Wert einordnen: „einiges“
Der p-Wert aus (i) in Prozent, auf eine Nachkommastelle
p-Wert≈0,0789=7,89%≈7,9%
In welchem Bereich der Tabelle liegt er?
5%≤7,9%<10%
p-Wert
gegen H0 spricht
größer als 15 %
nichts
10 % bis unter 15 %
kaum etwas
5 % bis unter 10 %
einiges
1 % bis unter 5 %
vieles
unter 1 %
sehr vieles
Schritt 16Ein Hinweis, kein Nachweis
Was 7,9 % bedeuten: ein Arzt mit genau 70 % Erfolgsquote …
… ka¨me in rund 8 von 100 Fa¨llen auf 40 oder mehr Erfolge in 50 Operationen
Das Niveau bleibt, wie vor dem Test festgelegt
α=5% bleibt fest— nicht nachtra¨glich auf 10% erho¨hen
Zum Vergleich mit einem Erfolg mehr (Schritt 12): Bereich „vieles“ und höchstens α
P(X≥41)≈4,0%,1%≤4,0%<5%=α
Schritt 17Ergebnis
✓(i) p-Wert =P(X≥40)≈0,0789>0,05: H0 wird beibehalten.
Zum Niveau 5 % lässt sich nicht zeigen, dass der neue Arzt besser arbeitet — die
Ernennung zum Oberarzt lässt sich mit diesem Test nicht begründen.
✓(iii) 7,9% liegt zwischen 5 % und 10 %: Gegen H0 spricht einiges — ein
Hinweis, dass er besser ist, aber kein Nachweis.
Proben: Die Summe der elf Säulen (Schritt 7) und
1 - pbinom(39, 50, 0.7) geben beide 0,07885;
binom.test bestätigt 0,07885 und 0,04023. Plausibel ist das auch: 40
liegt nur gut 1,5 Standardabweichungen über dem Erwartungswert 35, so etwas kommt auch bei 70
% Erfolgsquote nicht selten vor.
Typische Fehler: Nur P(X=40)≈0,0386 statt P(X≥40) nehmen — das ist
kleiner als 0,05 und führte zur falschen Entscheidung. In R
1 - pbinom(40, …) statt 1 - pbinom(39, …)
schreiben — das ergibt 0,0402 und würde ebenfalls fälschlich verwerfen. In (ii)
qbinom(0.95, 50, 0.7) = 40 direkt als Antwort nehmen — richtig ist
die nächste Zahl, 41. „H0 beibehalten“ als „der Arzt ist nicht besser“ lesen — es heißt nur
„nicht nachweisbar“.