연결 강의: 이상화 교수 - 확률과 통계 (HYU 2014) 21강
표본평균 복습
평균 , 분산 인 모집단에서 IID sample 을 얻었다고 하자. Sample mean은 다음과 같다.
표본평균의 평균과 분산은 다음과 같다.
모집단이 normal distribution이면 도 표본 수에 관계없이 정확히 normal distribution이다. 일반적인 모집단에서는 적절한 조건 아래 이 커질수록 중심극한정리에 의해 normal distribution으로 근사된다.
표본 수가 증가하면 standard error 이 작아져 표본평균이 모평균 주변에 더 모인다.
분모가 n인 표본분산
모분산 도 표본으로 추정해야 한다. 먼저 표본값과 표본평균 사이의 제곱 편차를 으로 나눈 값을 생각한다.
제곱 편차에 모평균 를 더하고 빼면 다음 identity를 얻는다.
양변을 으로 나누고 기댓값을 취한다.
의 평균은 모분산보다 작다. 같은 표본으로 구한 에 맞춰 편차를 계산하면서 변동의 일부를 이미 사용했기 때문이다.
불편표본분산
Bias를 보정하기 위해 분모를 로 바꾼다.
이때 기댓값은 모분산과 정확히 같다.
따라서 은 모분산의 unbiased estimator이다. 표본편차들은 다음 제약을 만족한다.
마지막 편차는 앞의 개가 정해지면 자동으로 결정되므로 독립적으로 움직일 수 있는 값은 개이다. 이를 degrees of freedom가 이라고 표현하며, 표본분산의 분모가 인 이유와 연결된다.
모평균의 신뢰구간
모분산 을 알고 있고 표본평균을 normal distribution으로 다룰 수 있다면 다음 pivot은 standard normal distribution을 따른다.
양측 confidence level이 일 때 모평균의 confidence interval은 다음과 같다.
95% confidence interval에서는 을 사용한다.
Confidence level 95%는 계산된 한 구간 안에 모평균이 95%의 사후확률로 들어 있다는 뜻이 아니다. 같은 절차로 표본추출과 구간 계산을 반복하면 만들어진 구간 중 약 95%가 고정된 모평균을 포함한다는 의미이다. 또한 제품의 95%가 정상이라는 뜻도 아니다.
Student t distribution
현실에서는 모분산 을 모르는 경우가 많다. Normal population에서 대신 sample standard deviation 를 사용하면 다음 statistic이 Student t distribution을 따른다.
아래첨자 은 degrees of freedom이다. 자유도를 라고 할 때 PDF는 다음과 같다.
는 factorial을 양의 실수와 복소수로 확장한 gamma function이다.
Student t distribution은 0을 중심으로 대칭이지만 standard normal distribution보다 tail이 두껍다. 모표준편차 대신 표본표준편차를 사용하면서 생기는 추가 불확실성을 반영한 것이다. 자유도가 커지면 normal distribution에 가까워진다.
작은 표본이라는 사실만으로 언제나 t distribution을 사용할 수 있는 것은 아니다. 위의 정확한 결과에는 원래 모집단이 normal distribution이라는 조건이 필요하다. 다만 모집단이 크게 비대칭적이지 않으면 실무에서 어느 정도 robust하게 쓰이기도 한다.
모분산을 모르는 normal population의 평균에 대한 confidence interval은 다음과 같다.
Chi-square distribution
가 서로 독립인 standard normal random variables라고 하자. 이들의 제곱합은 degrees of freedom가 인 chi-square distribution을 따른다.
제곱한 값을 더하므로 는 음수가 될 수 없다. PDF는 다음과 같다.
평균과 분산은 다음과 같다.
자유도가 작으면 오른쪽으로 치우쳐 있고, 자유도가 커질수록 모양이 점차 대칭적으로 변한다.
표본분산과 Chi-square distribution
모집단이 normal distribution이면 불편표본분산은 chi-square distribution과 직접 연결된다.
이 관계는 모분산의 confidence interval과 hypothesis test를 만드는 데 사용된다. 양측 confidence level이 일 때 모분산의 confidence interval은 다음과 같다.
는 자유도 인 chi-square distribution의 누적확률 에 해당하는 quantile이다.
측정 오차가 independent normal distribution으로 모델링된다면 표준화한 오차의 제곱합도 chi-square distribution을 따른다. 따라서 여러 측정값이 기준 위치에서 전체적으로 얼마나 벗어났는지를 확률적으로 판단할 때 사용할 수 있다.
세 분포의 연결
Normal population에서 평균과 분산을 추론할 때 세 분포는 다음처럼 연결된다.
- 모분산을 알고 있을 때 표준화한 표본평균은 standard normal distribution을 따른다.
- 모분산을 모르고 로 대신할 때 표준화한 표본평균은 Student t distribution을 따른다.
- 표본분산을 모분산과 비교한 값은 chi-square distribution을 따른다.
Student t statistic은 standard normal random variable을 독립인 chi-square random variable의 제곱근으로 나눈 형태로도 정의된다.
중요 개념 정리
- 분모가 인 표본분산은 평균적으로 모분산을 작게 추정한다.
- 분모를 로 둔 은 모분산의 unbiased estimator이다.
- 모분산을 모르는 normal population의 평균을 추론할 때 Student t distribution을 사용한다.
- Chi-square distribution은 independent standard normal random variables의 제곱합 분포이다.
- Normal population에서는 이 을 따른다.
- Confidence level은 개별 관측값의 정상 비율이 아니라, 반복된 구간 추정 절차의 coverage를 뜻한다.