8장. 신뢰구간과 가설검정
심화 · 약 10분 · 연습문제 5
요약
신뢰구간의 뜻과 계산, t 분포, 가설검정의 틀, p값, 1종·2종 오류와 검정력, 다중 비교, A/B 테스트
“새 모델의 정확도가 2% 높다”는 결과가 진짜 차이일까요, 우연일까요? 추정값 하나만으로는 알 수 없고, 그 값이 얼마나 흔들릴 수 있는지 함께 말해야 합니다. 이 장에서는 추정의 불확실성을 구간으로 나타내는 신뢰구간과, “차이가 없다”는 가정 아래 이런 결과가 나올 확률을 재는 가설검정(p값)을 다룹니다. 논문의 “± 표준편차”, “95% CI”, “”, “통계적으로 유의하다”를 정확히 읽는 것이 목표입니다.
8.1 신뢰구간
정의 8.1 (신뢰구간). 데이터로 계산한 구간 가 를 만족하면, 이를 의 신뢰구간(confidence interval)이라 합니다.
여기서 무작위인 것은 가 아니라 구간입니다. “95% 신뢰구간”은 “이런 방법으로 구간을 100번 만들면 약 95번은 참값을 포함한다”는 뜻이지, “참값이 이 구간 안에 있을 확률이 95%”라는 뜻이 아닙니다(그 해석은 10장의 베이즈 추론에서 가능합니다).
정리 8.2 (평균의 신뢰구간). 를 알면, 중심극한정리(6장)로 의 95% 신뢰구간은
예제 8.3. , , 이면 , 곧 입니다.
8.2 t 분포
를 모르면 표본표준편차 로 바꾸는데, 그러면 흔들림이 하나 더 생깁니다.
정리 8.4. 정규분포에서 뽑은 데이터이면 는 자유도 인 t 분포(Student's t-distribution)를 따릅니다.
t 분포는 정규분포보다 꼬리가 두껍고, 이 커지면 정규분포에 가까워집니다. 그래서 작은 표본의 95% 신뢰구간은 1.96 대신 더 큰 값을 씁니다(자유도 9이면 2.262, 29이면 2.045).
8.3 가설검정의 틀
- 귀무가설 : “차이가 없다”(예: 두 모델의 정확도가 같다). 대립가설 : “차이가 있다”.
- 검정통계량: 데이터를 요약한 수(예: ).
- p값: 이 참이라고 할 때, 지금만큼 또는 더 극단적인 통계량이 나올 확률.
- p값이 미리 정한 유의수준 (보통 0.05)보다 작으면 을 기각합니다.
정의 8.5 (p값). (양측검정).
p값은 “이 참일 확률”이 아닙니다. “이 참이라면 이런 데이터가 얼마나 드문가”입니다.
예제 8.6. 동전을 100번 던져 앞면 60번. 이면 , 양측 p값 이므로 5% 수준에서 “공정하다”를 기각합니다.
8.4 두 종류의 오류
| 참 | 거짓 | |
|---|---|---|
| 기각 | 1종 오류(확률 ) | 맞음(확률 = 검정력) |
| 기각 안 함 | 맞음 | 2종 오류(확률 ) |
- 1종 오류: 효과가 없는데 있다고 함(거짓 양성). 유의수준 로 정합니다.
- 2종 오류: 효과가 있는데 놓침(거짓 음성). 검정력 는 표본이 클수록, 효과가 클수록 커집니다.
“유의하지 않다”는 “효과가 없다”가 아니라 “이 데이터로는 효과를 보일 수 없었다”입니다.
8.5 다중 비교
검정을 20번 하면, 모든 귀무가설이 참이어도 적어도 하나가 로 나올 확률은 입니다. 여러 조건을 비교하는 실험에서는 본페로니 보정(각 검정을 으로)처럼 기준을 엄하게 해야 합니다. 하이퍼파라미터를 많이 시험해 가장 좋은 것만 보고하는 것도 같은 함정입니다.
8.6 A/B 테스트
예제 8.7. 버튼 A의 클릭률 (), B는 (). 차이의 표준오차는 이고, 합친 비율 로 계산하면 . , 양측 p값 입니다.
8.7 이 장의 요약
- 95% 신뢰구간 (σ를 모르고 표본이 작으면 t 분포).
- p값 = 아래에서 이만큼 극단적인 결과가 나올 확률. 이 참일 확률이 아닙니다.
- 1종·2종 오류, 검정력, 다중 비교 보정.
쓰이는 곳. 논문의 실험 결과 표(“평균 ± 표준편차, 5번 반복”), “유의한 향상”, A/B 테스트, 임상시험, 물리학의 “5σ 발견 기준”(p ≈ 3×10⁻⁷)이 이 장의 개념입니다. 여러 시드로 실험을 반복하고 신뢰구간을 보고하는 것이 좋은 머신러닝 논문의 기본입니다.
문제
8.1 [계산] · 확인 문제
, , 일 때 의 95% 신뢰구간을 씁니다.
| 끝 | 값 |
|---|---|
| 아래 | [?] |
| 위 | [?] |
정답
48.04
51.96
풀이
이므로 입니다.
8.2 [계산] · 확인 문제
동전을 400번 던져 앞면이 220번일 때, 에 대한 검정통계량 는?
정답
2
풀이
평균 200, 표준편차 이므로 입니다.
8.3 [계산] · 확인 문제
귀무가설이 모두 참인 독립 검정 10개를 각각 로 할 때, 적어도 하나를 잘못 기각할 확률은? (소수 넷째 자리까지)
정답
0.4013
풀이
입니다.
8.4 [계산]
신뢰구간의 폭을 절반으로 줄이려면 표본 크기를 몇 배로 해야 할까요?
정답
4
풀이
폭이 에 비례하므로 4배입니다.
8.5 [개념]
“”에 대한 해석으로 옳은 것은?
- 귀무가설이 참일 확률이 3%입니다.
- 대립가설이 참일 확률이 97%입니다.
- 귀무가설이 참이라면 이만큼 극단적인 결과가 나올 확률이 3%입니다.
- 결과가 우연일 확률이 3%입니다.
정답
3
풀이
p값은 귀무가설을 가정했을 때 데이터(또는 더 극단적인 데이터)가 나올 확률입니다. 1, 2, 4는 흔한 오해로, 가설의 확률을 말하려면 베이즈 추론(10장)이 필요합니다.