ABI LF - Fehler erster und zweiter Art verstehen

ABI LF - Fehler erster und zweiter Art verstehen
Einleitung
Beim Hypothesentest wird aus einer Stichprobe eine Entscheidung über eine Nullhypothese getroffen. Weil die Stichprobe zufällig ist, kann die Entscheidung falsch sein. Genau deshalb unterscheidest Du zwei Fehlertypen:
- Fehler erster Art: wird verworfen, obwohl gilt.
- Fehler zweiter Art: wird nicht verworfen, obwohl falsch ist.
Zentrales Ziel: Du sollst Fehlentscheidungen nicht nur benennen, sondern im Sachkontext interpretieren, ihre Wahrscheinlichkeiten berechnen und die Wirkung von Signifikanzniveau, Entscheidungsregel und Stichprobenumfang begründen.

Prüfungsbezug Baden-Württemberg
Stand September 2026: Für das schriftliche Abitur 2027 im Leistungsfach Mathematik gelten der Bildungsplan 2016 und der Facherlass 2027. In der Leitidee Daten und Zufall wird ausdrücklich verlangt, Signifikanzniveau und Irrtumswahrscheinlichkeit abzugrenzen sowie Fehler erster und zweiter Art im Kontext eines Hypothesentests zu erläutern.
Die schriftliche Prüfung 2027 umfasst einen Teil ohne Hilfsmittel und einen Teil mit zugelassenen Hilfsmitteln. GeoGebra, LearningApps und die Simulationen dieses aiMOOCs sind Übungswerkzeuge und nicht automatisch Prüfungshilfsmittel.
Prüfungshinweis: Für Deinen tatsächlichen Prüfungsjahrgang muss immer der dann gültige Facherlass geprüft werden.
Bildungsplan Mathematik Leistungsfach – Daten und Zufall
Termine und Informationen zum Abitur Baden-Württemberg
Lernziele
Nach diesem aiMOOC kannst Du
- Fehler erster Art und Fehler zweiter Art formal und im Sachkontext unterscheiden.
- eine Entscheidungstabelle zu einem Hypothesentest aufstellen und interpretieren.
- als bedingte Fehlerwahrscheinlichkeit unter deuten.
- erklären, warum ein Signifikanzniveau nicht die Wahrscheinlichkeit dafür ist, dass falsch ist.
- bei zusammengesetzten Alternativen als von einem konkreten Parameterwert abhängige Größe interpretieren.
- Teststärke, Stichprobenumfang und Entscheidungsregel miteinander verknüpfen.
- mehrschrittige Abituraufgaben selbstständig modellieren und Rechenwege begründen.
Vorwissen-Check
Du solltest sicher mit Binomialverteilung, Bernoulli-Kette, Gegenwahrscheinlichkeit und Summenwahrscheinlichkeiten umgehen können.
Check 1: Für bedeutet die Wahrscheinlichkeit, mindestens Treffer zu beobachten.
Check 2: Ein Ablehnungsbereich enthält genau die Stichprobenergebnisse, bei denen verworfen wird.
Check 3: Eine kleine Wahrscheinlichkeit unter macht ein beobachtetes Ergebnis unter ungewöhnlich; sie liefert aber keine direkte Wahrscheinlichkeit dafür, dass falsch ist.

Die Entscheidungstabelle
Eine Hypothesenentscheidung hat zwei Ebenen: die unbekannte Wirklichkeit und die Entscheidung aufgrund der Stichprobe.
| Wirklichkeit | nicht verworfen | verworfen |
|---|---|---|
| gilt | richtige Entscheidung | Fehler erster Art |
| gilt nicht | Fehler zweiter Art | richtige Entscheidung |
Merksatz: Der Fehlertyp entsteht aus der Kombination von Wirklichkeit und Testentscheidung.
Fehler erster Art
Der Fehler erster Art tritt ein, wenn der Test verwirft, obwohl gilt.
Für eine einfache Nullhypothese gilt:
Bei einem Signifikanztest zum Niveau wird die Fehlerwahrscheinlichkeit erster Art durch nach oben begrenzt.
Wichtig:
und auch
Das Signifikanzniveau beantwortet also keine Rückwärtsfrage über die Wahrheit einer Hypothese.

Fehler zweiter Art
Der Fehler zweiter Art tritt ein, wenn nicht verworfen wird, obwohl ein Parameterwert aus gilt.
Bei einer konkreten Alternative mit Parameterwert :
Die Teststärke oder Power lautet:
Sie ist die Wahrscheinlichkeit, zu verwerfen, wenn der betrachtete alternative Parameterwert tatsächlich gilt.
Leistungsfach-Hinweis: Ist zusammengesetzt, gibt es im Allgemeinen nicht nur „das eine“ . Vielmehr hängt vom konkreten Parameterwert innerhalb von ab.
Interaktives Abiturbeispiel
Ein Hersteller behauptet, höchstens seiner Bauteile seien fehlerhaft. Eine Qualitätskontrolle untersucht zufällig ausgewählte Bauteile.
Wir testen rechtsseitig:
Die Zufallsvariable zählt fehlerhafte Bauteile.
Unter dem Randwert der Nullhypothese gilt:
Als Ablehnungsbereich wird festgelegt:
Schritt 1: Fehler erster Art berechnen
Für den Randwert :
Damit beträgt die tatsächliche Fehlerwahrscheinlichkeit am Rand ungefähr
.
Ein vorgegebenes Signifikanzniveau von wird eingehalten, denn
.
Sachinterpretation: Obwohl die Fehlerquote tatsächlich höchstens beträgt, kann die Stichprobe zufällig mindestens fehlerhafte Bauteile enthalten. Dann würde die Herstellerangabe zu Unrecht verworfen.
Schritt 2: Fehler zweiter Art für eine konkrete Alternative
Nehmen wir an, die wahre Fehlerquote sei tatsächlich
.
Dann entsteht ein Fehler zweiter Art, wenn trotz dieser erhöhten Fehlerquote höchstens fehlerhafte Bauteile beobachtet werden:
Die Teststärke beträgt damit:
Interpretation: Bei einer tatsächlichen Fehlerquote von entdeckt diese Entscheidungsregel die Abweichung nur mit einer Wahrscheinlichkeit von ungefähr .
Für ist
.
Je weiter der wahre Parameter hier von der Nullhypothese entfernt ist, desto leichter kann der Test die Abweichung erkennen.
Visueller Rechenweg
| Schritt | Mathematische Entscheidung | Bedeutung |
|---|---|---|
| 1 | Ausgangsannahme festlegen | |
| 2 | Ablehnungsbereich festlegen | |
| 3 | Risiko erster Art bestimmen | |
| 4 | Risiko zweiter Art bei | |
| 5 | Teststärke bestimmen |
Dynamische Simulationen
Verändere in der Simulation Entscheidungsgrenze, Stichprobenumfang und alternative Trefferwahrscheinlichkeit. Beobachte jeweils beide Verteilungen.
Arbeitsauftrag:
- Verschiebe die Entscheidungsgrenze so, dass der Ablehnungsbereich kleiner wird.
- Beobachte, wie sich das Risiko erster Art verändert.
- Beobachte gleichzeitig, was bei einer fest gewählten Alternative mit dem Risiko zweiter Art geschieht.
- Erhöhe anschließend den Stichprobenumfang und beschreibe den Unterschied.
Eine zweite Simulation zeigt den Zusammenhang von , , Stichprobenumfang und Power besonders deutlich:
Denkfrage: Warum kann eine größere Stichprobe helfen, beide Fehlerrisiken besser zu kontrollieren, obwohl bei festem Stichprobenumfang oft ein Zielkonflikt zwischen und besteht?
Signifikanzniveau richtig verstehen
Das Signifikanzniveau wird vor der Auswertung festgelegt. Es begrenzt das Risiko, fälschlich zu verwerfen.
Bei diskreten Zufallsvariablen kann die tatsächlich erreichte Fehlerwahrscheinlichkeit kleiner sein als das vorgegebene Niveau.
Im Beispiel:
aber
.
Nicht erlaubt ist die Aussage: „Mit Wahrscheinlichkeit ist falsch.“
Richtig ist: „Wenn ein Parameterwert aus gilt, ist die Wahrscheinlichkeit einer fälschlichen Verwerfung durch die Testkonstruktion auf höchstens begrenzt.“
Alpha-Beta-Zielkonflikt
Bei festem Stichprobenumfang und gleicher Teststruktur gilt häufig:
- Wird der Ablehnungsbereich kleiner, sinkt das Risiko erster Art.
- Gleichzeitig wird es schwieriger, eine falsche Nullhypothese zu erkennen; für bestimmte Alternativen steigt dann .
- Wird der Ablehnungsbereich größer, steigt das Risiko erster Art, während für bestimmte Alternativen sinken kann.

Leistungsfach-Frage: Ein „möglichst kleines“ Signifikanzniveau ist nicht automatisch optimal. Die sachlichen Folgen beider Fehlentscheidungen müssen berücksichtigt werden.
Stichprobenumfang und Trennschärfe
Mit größerem konzentriert sich die relative Trefferhäufigkeit stärker um den jeweiligen Parameterwert. Unterschiedliche Parameterwerte können dadurch besser getrennt werden.

Qualitative Aussage: Wird die Entscheidungsregel passend angepasst, kann ein größerer Stichprobenumfang die Teststärke erhöhen, ohne das vorgegebene Signifikanzniveau zu überschreiten.
Übungen mit Hilfen und Feedback
Übung 1: Fehlertyp erkennen
Ein Test prüft
gegen
.
Die Stichprobe führt zur Verwerfung von . Tatsächlich gilt .
Aufgabe: Benenne und interpretiere den Fehler.
Hilfe: Prüfe zuerst, ob zu gehört.
Feedback: gilt, wurde aber verworfen. Es liegt ein Fehler erster Art vor.
Übung 2: Zweiter Fehler
Derselbe Test verwirft nicht. Tatsächlich gilt .
Aufgabe: Benenne den Fehler und formuliere seine Bedeutung im Sachkontext einer Qualitätskontrolle.
Hilfe: liegt in .
Feedback: Eine tatsächlich erhöhte Fehlerquote wird nicht erkannt. Es liegt ein Fehler zweiter Art vor.
Übung 3: Signifikanzniveau erklären
Eine Person sagt: „Beim Niveau ist die Nullhypothese nach einem signifikanten Ergebnis nur mit Wahrscheinlichkeit wahr.“
Aufgabe: Widerlege die Aussage.
Hilfe: Vergleiche mit .
Feedback: Die beiden bedingten Wahrscheinlichkeiten sind verschieden. Das Signifikanzniveau kontrolliert die erste Richtung, nicht die zweite.
Fehleranalyse
Typischer Fehler 1: „Nicht verworfen“ wird mit „bewiesen“ verwechselt.
Korrektur: Ein Test kann nicht allein dadurch bestätigen, dass sie nicht verworfen wird.
Typischer Fehler 2: wird als Wahrscheinlichkeit verstanden, dass falsch ist.
Korrektur: beschreibt eine bedingte Wahrscheinlichkeit unter der Annahme, dass gilt.
Typischer Fehler 3: Für eine zusammengesetzte Alternative wird ein einziges ohne Parameterangabe genannt.
Korrektur: Schreibe zum Beispiel , wenn die Fehlerwahrscheinlichkeit für gemeint ist.
Typischer Fehler 4: Ein Simulationsergebnis wird als Beweis behandelt.
Korrektur: Simulationen visualisieren und plausibilisieren. Exakte Aussagen werden durch mathematische Argumentation und Wahrscheinlichkeitsrechnung begründet.
KI-Hinweis: KI-Ausgaben zu Hypothesentests müssen mathematisch geprüft werden. Eine KI-Antwort ersetzt keinen Beweis und keine nachvollziehbare Begründung.
Selbstkontrolle
Entscheide jeweils, ob die Aussage korrekt ist.
- „Ein Fehler erster Art kann nur auftreten, wenn wahr ist.“ — korrekt
- „Das Signifikanzniveau ist die Wahrscheinlichkeit, dass falsch ist.“ — falsch
- „Die Teststärke ist für die betrachtete Alternative.“ — korrekt
- „Wird nicht verworfen, ist bewiesen.“ — falsch
- „Bei einer zusammengesetzten Alternative kann vom Parameterwert abhängen.“ — korrekt
Transfer
Ein automatisches Warnsystem soll gefährliche Abweichungen in einem technischen Prozess erkennen.
Ein Fehler erster Art bedeutet hier einen unnötigen Alarm trotz regulären Betriebs.
Ein Fehler zweiter Art bedeutet, dass eine tatsächlich vorhandene gefährliche Abweichung nicht erkannt wird.
Transferfrage: Welche Fehlerart im Sachkontext schwerer wiegt, ist keine rein mathematische Frage. Die Mathematik liefert die Wahrscheinlichkeiten; die Bewertung der Folgen gehört zum Modellierungsprozess.
Kompetenzcheck
| Ich kann ... | Nachweis |
|---|---|
| Fehlertypen unterscheiden | Entscheidungstabelle korrekt ausfüllen |
| berechnen | Ablehnungsbereich unter auswerten |
| bestimmen | Annahmebereich unter einer Alternative auswerten |
| Power interpretieren | im Kontext erklären |
| Fehlvorstellungen erkennen | bedingte Wahrscheinlichkeiten sprachlich trennen |
| Verfahren begründen | Modell, Rechnung und Interpretation verbinden |
Reflexion
- Warum ist die Formulierung „ wird nicht verworfen“ präziser als „ wird angenommen“?
- Welche Information fehlt, wenn nur das Signifikanzniveau eines Tests bekannt ist?
- Wie verändert sich die Aussagekraft eines Tests, wenn der Stichprobenumfang stark erhöht wird?
- Welche Entscheidung würdest Du im Sachkontext besonders absichern und warum?
Folgekurs
Als nächster Schritt eignet sich:
ABI LF - Signifikanzniveau, p-Wert und Teststärke unterscheiden
oder
ABI LF - Stichprobenumfang und Power bei Hypothesentests untersuchen
Interaktive Aufgaben
Quiz: Teste Dein Wissen
Wann liegt ein Fehler erster Art vor? (H0 wird verworfen obwohl H0 gilt) (!H0 wird nicht verworfen obwohl H0 falsch ist) (!H0 wird verworfen und H0 ist falsch) (!H0 wird nicht verworfen und H0 gilt)
Wann liegt ein Fehler zweiter Art vor? (H0 wird nicht verworfen obwohl H0 falsch ist) (!H0 wird verworfen obwohl H0 gilt) (!H0 wird verworfen obwohl H0 falsch ist) (!H0 wird nicht verworfen obwohl H0 gilt)
Was beschreibt das Signifikanzniveau? (Eine obere Schranke für das Risiko erster Art) (!Die Wahrscheinlichkeit dass H0 falsch ist) (!Die Wahrscheinlichkeit dass H1 falsch ist) (!Die Wahrscheinlichkeit einer richtigen Entscheidung)
Was ist die Teststärke bei einer konkreten Alternative? (Eins minus Beta) (!Eins minus Alpha) (!Alpha plus Beta) (!Alpha geteilt durch Beta)
Welche Aussage zu einer nicht verworfenen Nullhypothese ist korrekt? (Sie ist durch den Test nicht widerlegt) (!Sie ist mathematisch bewiesen) (!Sie ist mit Sicherheit wahr) (!Ihre Wahrscheinlichkeit beträgt eins)
Wovon kann Beta bei einer zusammengesetzten Alternative abhängen? (Vom betrachteten Parameterwert) (!Nur vom Namen der Hypothese) (!Nur vom Taschenrechnermodell) (!Nur von der Schreibweise des Tests)
Was passiert häufig wenn bei festem Stichprobenumfang der Ablehnungsbereich verkleinert wird? (Das Risiko erster Art sinkt) (!Das Risiko erster Art wird immer eins) (!Beta wird immer null) (!Die Stichprobe wird automatisch größer)
Welche Wahrscheinlichkeit entspricht einem Fehler erster Art bei einfacher Nullhypothese? (Wahrscheinlichkeit der Verwerfung unter H0) (!Wahrscheinlichkeit von H0 nach der Verwerfung) (!Wahrscheinlichkeit von H1 nach der Verwerfung) (!Wahrscheinlichkeit des Annahmebereichs unter H1)
Was bedeutet ein größeres Stichprobenvolumen häufig für die Trennschärfe? (Alternative Parameterwerte können besser unterschieden werden) (!Alle Zufallsfehler verschwinden vollständig) (!Das Signifikanzniveau wird automatisch null) (!Die Nullhypothese wird immer verworfen)
Welche Aussage über Simulationen ist korrekt? (Sie unterstützen das Verständnis ersetzen aber keinen mathematischen Beweis) (!Sie beweisen jede Hypothese) (!Sie machen Wahrscheinlichkeitsrechnung überflüssig) (!Sie sind automatisch im Abitur zugelassen)
Memory
| Fehler erster Art | H0 wird fälschlich verworfen |
| Fehler zweiter Art | H0 wird fälschlich nicht verworfen |
| Signifikanzniveau | obere Schranke für das Risiko erster Art |
| Teststärke | Wahrscheinlichkeit eine konkrete Alternative zu erkennen |
| Ablehnungsbereich | Ergebnisse die zur Verwerfung von H0 führen |
| Beta-Risiko | Wahrscheinlichkeit einer übersehenen Alternative |
Drag and Drop
| Ordne die richtigen Begriffe zu. | Bedeutung |
|---|---|
| Fehler erster Art | H0 gilt und wird verworfen |
| Fehler zweiter Art | H0 gilt nicht und wird nicht verworfen |
| Alpha | kontrolliertes Risiko unter H0 |
| Beta | Risiko bei einer konkreten Alternative |
| Teststärke | Eins minus Beta |
Kreuzworträtsel
| Nullhypothese | Welche Hypothese wird im Signifikanztest zunächst zugrunde gelegt? |
| Stichprobe | Wie heißt die untersuchte zufällige Auswahl aus einer Grundgesamtheit? |
| Ablehnungsbereich | Wie heißt die Menge der Ergebnisse die zur Verwerfung von H0 führt? |
| Signifikanzniveau | Wie heißt die vorgegebene obere Grenze für das Risiko erster Art? |
| Teststaerke | Wie heißt die Wahrscheinlichkeit eine betrachtete Alternative zu erkennen? |
| Binomialtest | Wie heißt ein Test bei dem die Testgröße binomialverteilt modelliert wird? |
LearningApps
Lückentext
Offene Aufgaben
Leicht
- Entscheidungstabelle: Erstelle für einen selbst gewählten Sachkontext eine vollständige Entscheidungstabelle mit beiden Fehlertypen.
- Fehler erster Art: Formuliere drei verschiedene Sachkontexte und beschreibe jeweils die konkrete Folge eines Fehlers erster Art.
- Fehler zweiter Art: Formuliere drei verschiedene Sachkontexte und beschreibe jeweils die konkrete Folge eines Fehlers zweiter Art.
- Signifikanzniveau: Erkläre in höchstens fünf Sätzen, warum ein Signifikanzniveau von fünf Prozent nicht bedeutet, dass die Nullhypothese mit fünf Prozent Wahrscheinlichkeit falsch ist.
Standard
- Binomialtest: Entwickle einen rechtsseitigen Test mit selbst gewählten Werten für , und einen Ablehnungsbereich. Berechne das tatsächliche Risiko erster Art.
- Teststärke: Wähle zwei Parameterwerte aus der Alternative und vergleiche jeweils und .
- Simulation: Nutze eine GeoGebra-Simulation und dokumentiere mit Screenshots oder Skizzen, wie sich die Entscheidungsgrenze auf Alpha und Beta auswirkt.
- Fehleranalyse: Verfasse eine Musterlösung zu einer Aufgabe, in der Du drei typische Fehlformulierungen bewusst einbaust und anschließend korrigierst.
Schwer
- Stichprobenumfang: Untersuche experimentell und rechnerisch, wie sich eine Vergrößerung von auf die Trennung zweier fester Parameterwerte auswirkt.
- Modellierung: Entwickle einen vollständigen Hypothesentest für einen technischen Qualitätsprozess und begründe Nullhypothese, Alternative, Signifikanzniveau und Entscheidungsregel.
- Argumentation: Prüfe die Behauptung „Ein kleineres Signifikanzniveau macht einen Test immer besser“ und verfasse eine mathematisch begründete Gegenargumentation.
- Abiturtraining: Erstelle eine mehrschrittige Abituraufgabe mit Modellierung, Berechnung von Alpha, Berechnung eines Beta-Werts, Interpretation und Transferfrage samt Erwartungshorizont.


Lernkontrolle
- Transfer Fehlentscheidungen: Zwei technische Systeme verwenden unterschiedliche Entscheidungsgrenzen. Vergleiche qualitativ, welches System eher Fehlalarme und welches eher übersehene Störungen produziert.
- Modellkritik: Erkläre, warum die Berechnung eines Beta-Werts ohne Angabe eines konkreten alternativen Parameterwerts bei einer zusammengesetzten Alternative unvollständig sein kann.
- Begründung Signifikanzniveau: Begründe formal und sprachlich den Unterschied zwischen und .
- Power und Stichprobe: Entwickle eine Argumentationskette, warum ein größerer Stichprobenumfang die Trennschärfe eines Tests erhöhen kann.
- Entscheidungsregel: Verändere in einem vorgegebenen Binomialtest die kritische Grenze um eins und untersuche die Folgen für Alpha und für mindestens einen Beta-Wert.
- KI-Prüfung: Lass eine KI eine kurze Erklärung zu Fehler erster und zweiter Art formulieren. Prüfe jede mathematische Aussage selbst und dokumentiere mindestens zwei Prüfschritte.
Lernnachweis
Für einen überzeugenden Lernnachweis solltest Du zeigen, dass Du
- die 2-mal-2-Entscheidungssituation sicher erklären kannst.
- Fehler erster und zweiter Art im Sachkontext korrekt formulierst.
- als bedingte Wahrscheinlichkeit unter interpretierst.
- Signifikanzniveau und tatsächliche Irrtumswahrscheinlichkeit unterscheidest.
- für konkrete Alternativen berechnen und deuten kannst.
- Teststärke und Stichprobenumfang in Zusammenhang bringst.
- Rechenwege formal korrekt dokumentierst und Ergebnisse sprachlich interpretierst.
- Hilfsmittelregelungen Deines Prüfungsjahrgangs von reinen Übungswerkzeugen unterscheiden kannst.
OERs zum Thema

Wikimedia Commons: Hypothesis testing
Testen von Hypothesen – Landesbildungsserver Baden-Württemberg
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