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同じ 2.00 で結論が分かれる - 母平均の z 検定と t 検定

標本 16 個から統計量 2.00 が出たとします。母分散を知っていれば両側の p 値は 0.0455 で、5% を割るので棄却できます。

母分散を知らない場合、同じ 2.00 でも p 値は 0.0639 です。棄却できません。

データも計算式も同じ。違うのは、割った相手が既知の か、標本から推定した かだけです。

何が変わるのか

母平均 が指定した値 と等しいかを調べます。 を置き、標本平均が からどれだけ離れているかを測る。

離れ具合は、標本平均のばらつきを単位にして測ります。標本平均の標準偏差は です。

問題は を知っているかどうか。知っていればそのまま割れますが、知らなければ標本から推定した で代用することになります。

が既知

割る相手が定数。統計量は標準正規分布に従う

が未知

割る相手も標本ごとに揺れる。統計量は t 分布に従い、裾が重くなる

代用したぶんの不確かさが、分布の裾に出ます。同じ値でも判定が甘くなるのはそのためです。

z 検定

が既知のとき、次の統計量を使います。

のもとで です。両側 5% なら で棄却します。

実際にはこの状況はまれです。母平均が分からないのに母分散だけ分かっている、という場面は多くありません。

使う場面があるとすれば、長年の測定で装置のばらつきが分かっている工程管理や、比率の検定のように分散が母数から決まる場合です。

t 検定

が未知のとき、標本標準偏差 で置きかえます[1]。

のもとで は自由度 の t 分布に従います[1][2]。自由度が でなく なのは、 の計算で標本平均を 1 つ使っているためです。

棄却の条件は対立仮説の向きで変わります[3]。

対立仮説棄却する条件
絶対値が 超

ここで は自由度 の t 分布の上側 点です。両側では片側ずつ を配るので、境目が外へ動きます。

臨界値がどれだけ甘くなるか

t 分布の臨界値は、いつも正規分布より外側にあります。自由度が小さいほど差が開く。

自由度両側 5% の点 からの超過
42.776441.7%
92.262215.4%
152.13148.7%
292.04524.4%
991.98421.2%

自由度 99 なら 1.2% の違いしかありません。標本が 100 個あれば、どちらを使ってもほぼ同じ結論になります。

自由度 4 では 4 割も外側です。小さい標本ほど、母分散を知らないことの代償が大きくなる。

例:内容量が表示どおりか

表示 500 g の袋を 16 個はかったところ、平均 496.2 g、標本標準偏差 6.4 g でした。 で両側検定します。

標準誤差は です。統計量を出します。

自由度は で、両側 5% の点は 2.1314。 なので棄却します。

p 値は 0.0313 です。表示より少ないとまでは言えますが、どれだけ少ないかはこの数字には入っていません。

平均の差は g。判定と一緒にこの値も見る必要があります。

例:境目に落ちる場合

同じ 16 個で平均が 503.2 g、標本標準偏差が 6.4 g だったとします。

t 分布の点 2.1314 に届きません。p 値は 0.0639 で、棄却できない。

ここで母分散が だと分かっていたなら、 を 1.960 と比べることになります。こちらは棄却されます。p 値は 0.0455。

同じ数字が、片方では有意で片方では有意でない。1.96 と 2.13 のあいだの という幅が、 で代用した代償にあたります。

判定が分かれるのは境目の近くだけです。 が 3 を超えていれば、どちらの分布で見ても棄却される。

境目の近くの結果を「有意かどうか」だけで語ると、この の幅に結論が乗ってしまう。

片側にする場合

「表示より少ないか」だけを問うなら片側です。 とします。

自由度 15 の片側 5% の点は 1.7531 で、両側の 2.1314 より内側にあります。同じデータなら棄却しやすい。

例のデータでは片側の p 値が 0.0157 になります。両側の 0.0313 のちょうど半分です。

半分になるのは分布が対称だからで、どの検定でもそうなるわけではありません。

正規性はどこまで要るか

導出は、もとの分布が正規であることを前提にしています[1]。 と の独立性が、正規分布でしか成り立たないためです。

ただし が大きければ、 の分布が正規に近づくので結論はあまり変わりません。小さい標本でこそ、正規性の仮定が効いてきます。

外れ値には弱い。1 つの極端な値が と の両方を動かすので、 の分子と分母が同時にずれます。

2 つの母平均を比べる場合

独立な 2 標本の平均を比べる形もあります。母分散が等しく未知のとき、統計量は自由度 の t 分布に従います[1]。

分散をひとまとめに推定してから使う形です。等分散が成り立たない場合は自由度の計算が変わります。

同じ対象を 2 回はかった対応のあるデータでは、差をとって 1 標本の検定に戻します。差の母平均が かどうかを見る形になる。

標本 25 個、標本標準偏差 、 に対して標本平均が でした。両側 5% で正しい判定はどれですか。

  • 、自由度 24 の点 2.064 に届かず棄却できない
  • 、 を超えるので棄却できる
  • 、棄却できない
__RESULT__

標準誤差は なので です。母分散が未知なので比べる相手は t 分布の点で、自由度 24 では 2.064。 と比べるのは母分散が既知の場合です。

母分散を知っているかどうかで、比べる相手が 1.960 から 2.131 へ動く。t 検定と z 検定の違いは、この一点に集約されます。

参考

Student test. Encyclopedia of Mathematics.
Student distribution. Encyclopedia of Mathematics.
Location: t Test for Mean および Critical Values of the Student's t Distribution. NIST/SEMATECH e-Handbook of Statistical Methods.
標本 16 個で統計量 2.00。母分散が既知なら両側 p 値は 0.0455 で棄却でき、未知なら 0.0639 で棄却できません。データも式も同じで、割った相手が $\sigma$ か $s$ かだけが違う。標本から推定したぶんの不確かさが t 分布の裾に出ます。両側 5% の境目は自由度 4 で 2.7764、15 で 2.1314、99 で 1.9842。正規分布の 1.960 との差は自由度 99 なら 1.2% しか残りません。表示 500 g の袋を 16 個はかって平均 496.2 g、標本標準偏差 6.4 g という例で $T = -2.375$ を出し、両側と片側の p 値を比べます。正規性の仮定がどこで効くか、対応のあるデータを 1 標本に戻す形まで。