给估计加上一段幅度,就得到置信区间
从样本得到的点估计是一个数,所以它几乎肯定与真值稍有偏差。置信区间承认这种不确定性,做法是在估计值两侧加上误差范围,得到估计值 ± z·SE 这个区间。微妙之处在于解读:95% 的置信不是关于眼前这一个区间的说法,而是当反复抽样时,这套程序抓住真值的比例。真值是固定的,随机的是区间。在五幅图里,我们依次用误差范围构造区间、看反复抽样中 95% 的区间覆盖真值、在置信水平与宽度之间权衡、让误差随 1/√n 缩小,并把正确解读与常见误解区分开。
置信区间从点估计出发,在两侧各加上一段误差范围。误差范围 = z·SE,倍数 z 由置信水平决定:90% 时 z = 1.645,95% 时 z = 1.96,99% 时 z = 2.576。用下面的选项改变置信水平,括号会围绕同一个估计值变宽,而固定的真值仍停在原处。
这幅图才是 95% 的真正含义。每个样本给出不同的估计,所以区间每次都在变。多抽几次,其中约 95% 覆盖固定的真值,而没盖住的区间用红色画出。抽得越多,观测到的覆盖比例就越贴近置信水平。真值从未移动,移动的是区间。
更高的把握并非免费。想更常覆盖真值,就得把网撒得更宽。提高置信水平会使曲线下中间的面积增大,同时也把区间宽度 2·z·SE 拉长。95% 与 99% 的带子宽度明显不同,这种权衡无法回避。
误差范围是 z·σ/√n,所以样本越大它越小,但只以 1/√n 的速度减小。这正是你在抽样分布里见到的那个标准误差。要把精度提高一倍,也就是把误差范围减半,就必须把样本扩大到四倍。收益递减从一开始就写在公式里。
最后一步是谨慎的解读。重复很多次时这个程序有 95% 的比例抓住真值,这句话是对的。但真值落在这个区间内的概率是 95%,这句话是错的。区间一旦画出,固定的真值要么在里面,要么不在。概率寓于随机抽样这个行为之中,而不是附在一个已经实现的区间上。