標本を 4 倍にしても信頼区間の幅は半分にしかならない
標本 16 個で作った 95% 信頼区間の半幅が 3.41 でした。標本を 4 倍の 64 個にすると 1.60 になります。
手間は 4 倍、狭まる幅はおよそ半分。 が分母にいるので、この交換条件からは逃げられません。
区間推定の計算を、この関係を軸に通していきます。
区間が動き、母数は動かない
95% 信頼区間について、「母平均がこの区間にある確率が 95%」という読み方は正しくありません。
母平均は決まった数で、動きません。動くのは標本のほうで、標本が変わるたびに区間の位置も幅も変わります[1]。
同じ手順を何度も繰り返せば、作った区間のうち 95% が母平均を含む。確率は手順についての話で、目の前の 1 本についての話ではない[1]。
目の前の区間は、含んでいるか含んでいないかのどちらかです。どちらかは分かりません。
母分散が分かっている場合
標本平均の標準偏差は です。標準化した量が標準正規分布に従うので、そこから区間を作ります。
95% なら 、99% なら 2.576、90% なら 1.645 です。
母分散が分からない場合
を標本標準偏差 で置きかえ、比べる相手を t 分布にします。
自由度は 。 は より大きいので、区間はそのぶん広くなります。
例 1:16 個の測定から
表示 500 g の袋を 16 個はかり、平均 496.2 g、標本標準偏差 6.4 g でした。
標準誤差は 。自由度 15 の は 2.1314 です。
区間は 。 を含んでいないので、表示どおりとは言いにくい。
母分散が 6.4 だと分かっていれば となり、区間は です。 ぶんだけ狭い。
幅を決めるのは 3 つ
半幅は という積です。動かせるものが 3 つあります。
信頼係数を下げる
ばらつき を小さくする
標本の大きさ を増やす
は測り方の問題で、統計の外側にあります。測定の精度を上げるか、条件をそろえるか。
信頼係数と は、こちらで選べる数です。
例 2:信頼係数を変える
同じ 16 個のデータで、信頼係数だけを動かします。
| 信頼係数 | の値 | 区間の全幅 |
|---|---|---|
| 90% | 1.7531 | 5.61 |
| 95% | 2.1314 | 6.82 |
| 99% | 2.9467 | 9.43 |
99% にすると幅が 1.7 倍になりました。確実さを買うには、幅を払うことになります。
100% の区間を作ることもできますが、それは全実数になって何も言っていません。
例 3:標本を増やす
信頼係数 95%、 のまま だけを変えます。
| 標準誤差 | 半幅 | |
|---|---|---|
| 4 | 3.200 | 10.18 |
| 16 | 1.600 | 3.41 |
| 64 | 0.800 | 1.60 |
| 256 | 0.400 | 0.79 |
を 4 倍にするたびに、半幅がおよそ半分になっています。 が分母にあるためです。
小さい では の値も大きいので、二重に効きます。 では もあり、半幅が 10 を超える。
半幅を 10 分の 1 にしたいなら、 は 100 倍。精度を上げる費用は、思ったより急に増えます。
比率の区間推定
比率の場合、標準誤差は です。 が大きければ正規近似が使えます。
は で最大の 0.25 になります。だから 0.5 に近いほど区間が広い。
比率ではばらつきが から決まってしまう。平均の推定と違い、 を別に測る必要がありません。
そのぶん、必要な標本の大きさを事前に見積もりやすい。最悪の場合として を置けば足ります。
例 4:1000 人の調査
1000 人に聞いて 52% が賛成だったとします。標準誤差は 。
半幅は で、区間は です。
を含んでいます。52% という数字が出ても、実は半数を割っている可能性は消えません。
400 人だと半幅が 0.049 まで広がり、区間は 。人数が半分以下になると、幅は 1.6 倍になります。
必要な人数を逆算する
半幅を 以下にしたいなら、 を について解きます。
95% で なら 。 にすると です。
を 3 分の 1 にすると は 9 倍。世論調査の人数が 1000 前後で止まりがちなのは、この曲がり方のためです。
95% 信頼区間の半幅を半分にしたい。標本の大きさをどうしますか。
- 2 倍にする
- 4 倍にする
- 信頼係数を 90% に下げれば足りる
区間の幅は と と の積で決まる。どれを動かすといくら縮むかを先に見積もれば、調査の設計はそこで決まります。













半幅は n に反比例するので、半分にするには n を 2 倍、つまり n を 4 倍にします。信頼係数を 95% から 90% に下げても、t が 2.1314 から 1.7531 になるだけで、幅は 2 割ほどしか縮みません。