区間推定(interval estimation)は推定したいパラメータの真の値がある区間に入る確率が以上(はが区間に入らない確率)になる区間を推定する。つまり、
のを推定する。
なお、このを信頼係数(confidence coefficient)といい、区間を信頼区間(confidence interval)と呼ぶ。
Source
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
import japanize_matplotlib
from scipy.stats import norm
z = np.linspace(-4, 4, 100)
y = norm.pdf(z)
fig, ax = plt.subplots(dpi=100, figsize=[6, 3])
ax.set(title="標準正規分布", xlabel="Z", xlim=(-4, 4))
ax.plot(z, y, color="dimgray")
ax.axhline(y=0, color="dimgray", linewidth=1)
alpha = 0.05 / 2
for a in [alpha, (1 - alpha)]:
x = norm.ppf(a)
ax.axvline(x=x, color="steelblue")
if x < 0:
ax.text(x - 0.1, norm.pdf(x) + 0.01, f"Z = {x:.2f}", color="steelblue", horizontalalignment="right")
ax.fill_between(z, 0, y, where = z <= x, color="steelblue")
else:
ax.text(x + 0.1, norm.pdf(x) + 0.01, f"Z = {x:.2f}", color="steelblue", horizontalalignment="left")
ax.fill_between(z, 0, y, where = z >= x, color="steelblue")

標準正規分布はの範囲にわたって確率密度関数がゼロでない領域が存在するが、図のように正規分布の両端でそれぞれ確率分だけ推定を誤る可能性を許容すると、一定の範囲で区切ることができる。図はとして、両側それぞれでその半分の確率の領域で区切っており、それに相当するの値がである。
一般化してこのような値をと表すことにすると、区間推定は
となり、これをについて解くと
であり、信頼区間は
となる。
pythonでの実装¶
母集団がの範囲の値をとる一様分布(母平均)であるとし、そこから得た次のようなサンプルがあるとする。
Source
np.random.seed(0)
n = 100
x = np.random.uniform(low=0, high=1, size=n)
mu = 0.5 # 母平均
fig, ax = plt.subplots()
ax.hist(x)
ax.set(title="Histogram of Data")
ax.axvline(x.mean(), color="darkorange")
ax.text(x.mean() + 0.02, 1, f"標本平均: {x.mean():.3f}", color="darkorange", size=14)
ax.axvline(mu, color="limegreen")
ax.text(mu + 0.02, 3, f"母平均: {mu:.3f}", color="limegreen", size=14)
fig.show()
式をpythonに落とし込んで計算すると次のようになる
# ※ddof=1: 不偏標準偏差にするためのオプション
std_error = x.std(ddof=1) / np.sqrt(n)
# 信頼区間
alpha = 0.05
z = norm.ppf(1 - alpha / 2)
[x.mean() - z * std_error, x.mean() + z * std_error][0.4160030960878336, 0.5295845829372018]statsmodelsのemplike.DescStatで計算することもできる
# statsmodelsを使う場合
from scipy.stats import norm
import statsmodels.api as sm
el = sm.emplike.DescStat(x)
el.ci_mean()(0.4166429503391242, 0.5294769896986984)scipy.stats の norm.interval() で計算することもできる。
from scipy.stats import norm, sem
norm.interval(confidence=0.95, loc=x.mean(), scale=sem(x))
# ※ sem は standard error of mean、つまり x.std(ddof=1) / np.sqrt(n)と等しい(0.4160030960878336, 0.5295845829372018)サンプルをとって95%信頼区間を計算する作業を100回繰り返したものが以下の図である。なので、100回の調査で5回程度は推定を誤る(信頼区間に母平均が含まれない)可能性がある。
Source
np.random.seed(0)
fig, ax = plt.subplots(dpi=90, figsize=[6, 3.5])
ax.set(title="信頼区間", xlabel="平均", ylabel="試行回数")
ax.axvline(mu, color="limegreen", label="母平均μ")
is_first_success = True
is_first_fail = True
n_trial = 100
for i in range(n_trial):
x = np.random.uniform(size=n)
lower, upper = norm.interval(confidence=0.95, loc=x.mean(), scale=sem(x))
args = dict(y=i, xmin=lower, xmax=upper)
if mu < lower or upper < mu:
# 凡例表示のため初回だけlabelをつける
if is_first_fail:
ax.axhline(**args, color="crimson", label="信頼区間(失敗)")
is_first_fail = False
else:
ax.axhline(**args, color="crimson")
else:
if is_first_success:
ax.axhline(**args, color="steelblue", label="信頼区間(成功)")
is_first_success = False
else:
ax.axhline(**args, color="steelblue")
ax.legend()
fig.show()