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표본분포와 추정

빅데이터분석기사 · 통계기법 이해 · 약 12분

쉽게 말하면

표본을 뽑을 때마다 평균은 조금씩 달라요. 그래도 표본을 많이 모으면 표본평균들은 진짜 평균 근처에 종 모양으로 모여요. 그래서 '평균 키는 172cm'처럼 한 값으로 말하기도 하고(점추정), '95% 신뢰도로 170~174cm 사이'처럼 범위로 말하기도 해요(구간추정).

시험용 정의

모수를 표본으로 짐작하는 것을 추정이라 한다. 표본을 다시 뽑으면 통계량도 달라지는데, 같은 크기의 표본을 반복해 뽑았을 때 통계량이 이루는 분포를 표본분포라 한다. 중심극한정리에 따르면 모집단 분포가 무엇이든 표본 크기 n 이 충분히 크면(보통 30 이상) 표본평균의 분포는 평균 μ, 표준편차 σ / √n 인 정규분포에 가까워진다. 이 σ / √n 을 표준오차라 한다. 모수를 하나의 값으로 추정하면 점추정, 범위로 추정하면 구간추정이다. 구간추정의 신뢰수준 95% 는 같은 방법으로 구간을 100번 만들면 그중 약 95개가 모수를 포함한다는 뜻이다.

비유로 이해하기

과녁에 그물 던지기다. 모수는 과녁 한가운데 고정된 점이고, 신뢰구간은 매번 던지는 그물이다. 95% 신뢰수준은 '이 방법으로 던진 그물 100개 중 95개가 점을 덮는다'는 뜻이다. 한번 던진 그물은 점을 덮었거나 못 덮었거나 둘 중 하나다. 그물을 넓게 만들면(신뢰수준↑) 더 자주 덮지만 덜 정확하고, 표본을 늘리면 좁은 그물로도 잘 덮는다.

자세히

먼저 알아 둘 말

말뜻
추정량모수를 추정하는 규칙 (표본평균 x̄)
표본분포표본을 반복해 뽑을 때 통계량이 이루는 분포
표준오차추정량의 표준편차. 표본평균이면 σ / √n (σ 를 모르면 s / √n)
신뢰수준같은 방법으로 만든 구간 중 모수를 포함하는 비율 (90%, 95%, 99%)

중심극한정리

  • 표본평균의 분포에 대한 정리다. 개별 값의 분포가 정규분포가 된다는 말이 아니다
  • 모집단이 정규분포일 필요는 없다. 단, 모집단이 비대칭일수록 더 큰 표본이 필요하다
  • 표본평균 분포의 평균은 μ, 표준편차(표준오차)는 σ / √n
  • 표본평균은 표본마다 달라진다. 다시 뽑아도 항상 같은 값이 나오지 않는다

좋은 추정량의 조건

조건뜻
불편성추정량의 기댓값이 모수와 같다. 표본평균, n - 1 로 나눈 표본분산
효율성불편추정량 중 분산이 작을수록 좋다
일치성표본이 커질수록 모수에 가까워진다
충족성모수에 대한 표본의 정보를 모두 담는다

신뢰구간 만들기

모평균의 신뢰구간은 x̄ ± (임계값) × 표준오차 다. 모표준편차를 알면 정규분포 임계값(95% 면 1.96, 99% 면 2.58)을, 모르면 자유도 n - 1 인 t 분포 임계값을 쓴다.

  • 신뢰수준↑ → 임계값↑ → 구간 넓어짐 (정밀도는 떨어짐)
  • 표본 크기↑ → 표준오차↓ → 구간 좁아짐
  • '계산한 이 구간에 모수가 들어 있을 확률이 95%' 라는 말은 엄밀히는 틀린 해석이다. 모수는 고정된 값이고 확률적인 것은 구간을 만드는 방법이다

시험에 이렇게 나와요

확인 문제

Q1. 표본 크기를 100 에서 400 으로 늘리면 표본평균의 표준오차는 어떻게 될까?

  1. 절반이 된다
  2. 두 배가 된다
  3. 변하지 않는다
  4. 4분의 1 이 된다
정답 보기

1번 절반이 된다

표준오차는 σ / √n 이다. n 이 4배면 √n 은 2배라서 표준오차는 절반이 된다.

Q2. 중심극한정리에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 모집단이 반드시 정규분포여야 한다
  2. 표본이 커질수록 정규분포에 가까워진다
  3. 모집단이 비대칭일수록 더 큰 표본이 필요하다
  4. 표본평균의 분포에 대한 정리다
정답 보기

1번 모집단이 반드시 정규분포여야 한다

모집단 분포와 관계없이 성립하는 것이 핵심이다.

Q3. 모표준편차가 12 이고 표본 크기가 36 일 때 표본평균의 표준오차는?

  1. 12
  2. 1/3
  3. 6
  4. 2
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4번 2

12 / √36 = 12 / 6 = 2.

Q4. 다른 조건이 같을 때 신뢰구간의 폭을 좁히는 방법은?

  1. 표본 크기를 늘린다
  2. 표준편차가 큰 표본을 쓴다
  3. 표본 크기를 줄인다
  4. 신뢰수준을 99% 로 높인다
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1번 표본 크기를 늘린다

표본이 크면 표준오차가 줄어 구간이 좁아진다.

Q5. 추정량의 기댓값이 모수와 같은 성질은?

  1. 효율성
  2. 일치성
  3. 충족성
  4. 불편성
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4번 불편성

불편성이다. 평균적으로 치우치지 않는다는 뜻이다. 효율성은 분산이 작은 성질, 일치성은 표본이 커질수록 모수에 가까워지는 성질이다.

Q6. 같은 모집단에서 크기 30 인 표본을 다시 뽑았을 때에 대한 설명으로 옳은 것은?

  1. 표본평균은 항상 처음과 같다
  2. 표본평균이 처음과 다를 수 있다
  3. 모평균이 바뀐다
  4. 표준오차가 0 이 된다
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2번 표본평균이 처음과 다를 수 있다

표본마다 통계량은 달라진다. 그 흔들림이 표본분포다.

헷갈리기 쉬운 O·X

신뢰수준을 95% 에서 99% 로 높이면 신뢰구간은 좁아진다.

정답 보기

X 더 넓어진다.

중심극한정리는 표본 하나하나의 값이 정규분포를 따르게 된다는 뜻이다.

정답 보기

X 표본 '평균'의 분포가 정규분포에 가까워진다는 뜻이다.

n - 1 로 나눈 표본분산은 모분산의 불편추정량이다.

정답 보기

O

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