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信頼区間と検定の関係性

信頼区間

平均値の区間推定を行う場合について考える。

母平均をμ\mu、標本平均をXˉ\bar{X}とすると、Z=n(Xˉ−μ)σZ = \frac{\sqrt{n} (\bar{X} - \mu)}{\sigma}は標準正規分布に従うため確率を計算できるため、信頼係数1−α1-\alphaに相当する確率になる区間

P(−Zα/2≤n(Xˉ−μ)σ≤Zα/2)=1−αP\left( -Z_{\alpha/2} \leq \frac{\sqrt{n} (\bar{X} - \mu)}{\sigma} \leq Z_{\alpha/2} \right) = 1 - \alpha

となるように区間を決めて、これをμ\muについて解くと

P(Xˉ−Zα/2×σn≤μ≤Xˉ+Zα/2×σn)=1−αP\left( \bar{X} - Z_{\alpha/2} \times \frac{\sigma}{\sqrt{n}} \leq \mu \leq \bar{X} + Z_{\alpha/2} \times \frac{\sigma}{\sqrt{n}} \right) = 1 - \alpha

と、母平均を含む確率が1−α1-\alphaの区間ということになる。

信頼区間を取り出すと

[Xˉ−Zα/2×σn,Xˉ+Zα/2×σn]\left[ \bar{X} - Z_{\alpha/2} \times \frac{\sigma}{\sqrt{n}}, \bar{X} + Z_{\alpha/2} \times \frac{\sigma}{\sqrt{n}} \right]

となる。

Source
<Figure size 1100x200 with 3 Axes>

検定

母平均μ\mu、母分散σ2\sigma^2の正規母集団についての

H0:μ=μ0 vs H1:μ≠μ0H_0: \mu = \mu_0 \text{ vs } H_1: \mu \neq \mu_0

という検定問題について考える。

帰無仮説が正しければ、標本平均は中心極限定理により正規分布N(μ,σ2/n)N(\mu, \sigma^2 / n)に従うため、標準化したZZは標準正規分布N(0,1)N(0, 1)に従う。 なので、標準正規分布のパーセント点Zα/2Z_{\alpha/2}と比較して

∣Z∣>Zα/2  ⟹  H0を棄却∣Z∣≤Zα/2  ⟹  H0を受容|Z| > Z_{\alpha/2} \implies H_0\text{を棄却}\\ |Z| \leq Z_{\alpha/2} \implies H_0\text{を受容}\\

となる

検定の棄却域は有意水準α\alpha、すなわち「帰無仮説H0H_0が正しいにも関わらず誤ってH0H_0を棄却してしまう確率」を

Pμ=μ0(∣Z∣>Zα/2)=αP_{\mu = \mu_0}(|Z| > Z_{\alpha/2}) = \alpha

となるようにZα/2Z_{\alpha/2}を設定している。 (μ=μ0\mu = \mu_0は帰無仮説のもとで、ということ)

逆に受容域は

Pμ=μ0(∣Z∣≤Zα/2)=1−αP_{\mu = \mu_0}(|Z| \leq Z_{\alpha/2}) = 1 - \alpha
Source
<Figure size 600x300 with 1 Axes>

まとめ

  • 信頼区間とは、ある区間[L,U][L, U]が母数μ\muを含む確率が1−α1-\alphaになるような区間のこと:Pμ(μ∈[L,U])=1−αP_{\mu}( \mu \in [L, U] ) = 1-\alpha

  • 仮説検定とは、帰無仮説のもとで確率変数XXが受容域A={X∈X ∣ ∣Z∣≤Zα/2}A = \big\{ X \in \mathcal{X}\ \big| \ |Z| \leq Z_{\alpha/2} \big\}に含まれる確率をPμ=μ0(X∈A)=1−αP_{\mu = \mu_0}(X \in A) = 1 - \alphaとして、その範囲内に統計量TTが収まるかどうかを判定したもの

参考文献

  • 久保川達也(2017)『現代数理統計学の基礎』、p.169