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Startseite/Statistik und Wahrscheinlichkeit/Konfidenzintervall

Konfidenzintervall

Stichprobe ziehen und ein Intervall zu 90/95/99 % für μ bilden; 100-mal wiederholen und zählen, wie viele Intervalle das wahre Mittel treffen.

Stichprobe

20

Konfidenzniveau

Methode

3 Stichproben/s

Grundgesamtheit

50
10

Jede Stichprobe besteht aus n unabhängigen Ziehungen aus der normalen Grundgesamtheit N(μ, σ²). Das Intervall ist x̄ ± c·σ/√n mit c = z*, wenn σ als bekannt gilt, oder x̄ ± c·s/√n mit c = t* (ν = n − 1), wenn σ durch die Stichprobenstandardabweichung s geschätzt wird. Ändert man eine Einstellung, wird die Sammlung geleert, damit die Überdeckungszahl immer zu einem festen Verfahren gehört. Die Grundgesamtheit ist exakt normal; bei schiefen Daten gilt das t-Intervall bei kleinem n nur näherungsweise.

Tastenkürzel

  • •Space / Enter — eine Stichprobe ziehen
  • •P — Auto-Ziehen an / aus
  • •R — zurücksetzen (neuer Startwert)

Gemessene Größen

Stichprobengröße n20
Konfidenzniveau95%
t* (ν = n − 1 = 19)2.0930
Letztes x̄—
Letzte Stichprobenstreuung s—
Letzte Fehlerspanne—
Letztes Intervall [unten, oben]—
Gezogene Intervalle0
Überdeckung (enthalten μ)—
Nominelles Niveau95%
Mittlere Breite—

Zum Modell

Der Simulator wiederholt ein festes Verfahren viele Male. Eine Grundgesamtheit wird als Normalverteilung N(μ, σ²) modelliert, voreingestellt mit μ = 50 und σ = 10; jeder Druck auf „1 Stichprobe ziehen“ entnimmt ihr n unabhängige Werte, berechnet das Stichprobenmittel x̄ = Σxᵢ/n und die Stichprobenstandardabweichung s = √(Σ(xᵢ − x̄)²/(n − 1)) und bildet ein zweiseitiges Intervall für μ. Beim z-Verfahren gilt σ der Grundgesamtheit als bekannt, das Intervall lautet x̄ ± z*·σ/√n, wobei z* = Φ⁻¹(1 − α/2) und α = 1 − Niveau; für 80, 90, 95 und 99 % sind die kritischen Werte 1,2816, 1,6449, 1,9600 und 2,5758. Beim t-Verfahren wird σ durch s ersetzt, der kritische Wert ist das Quantil t* der t-Verteilung von Student mit ν = n − 1 Freiheitsgraden, sodass P(|T| ≤ t*) = Niveau. Die inverse Normalverteilung wird aus Acklams rationaler Näherung berechnet, durch Newton-Schritte an Codys erfc verfeinert (volle doppelte Genauigkeit), das t-Quantil durch Umkehren der exakten t-Verteilungsfunktion F_ν(t) = 1 − ½·I_{ν/(ν+t²)}(ν/2, ½), wobei I die regularisierte unvollständige Betafunktion ist, ausgewertet mit dem Kettenbruch aus Numerical Recipes; die Umkehrung ist eine abgesicherte Newton-Iteration in einer Bisektionsklammer und mit gedruckten t-Tafeln auf besser als 10⁻⁶ genau. Jedes Intervall wird als waagerechter Balken gezeichnet, zentriert auf sein x̄, cyan wenn es μ enthält und rosa wenn es μ verfehlt, und ein Zähler zeigt neben dem nominellen Niveau an, wie viele der bisher gezeichneten Intervalle μ enthalten. Weil der Zufallsgenerator einen Startwert hat, beginnt Zurücksetzen einen neuen reproduzierbaren Lauf. Das Kästchen „z* verwenden, obwohl σ unbekannt ist“ begeht absichtlich den Lehrbuchfehler, den kritischen Wert der Normalverteilung mit der Stichprobenstreuung s zu verbinden: bei n = 5 auf dem 95-%-Niveau fällt die tatsächliche Überdeckung auf etwa 88 %, weil s σ öfter unter- als überschätzt und z* diese zusätzliche Unsicherheit ignoriert; zurück zu t* stellt die nominelle Überdeckung bei jedem n wieder her. Vereinfachungen: die Grundgesamtheit ist exakt normal, die Ziehungen sind unabhängig und die Intervalle symmetrisch zweiseitig; bei schiefen Grundgesamtheiten oder abhängigen Daten gilt die angegebene Überdeckung nur näherungsweise und nur für großes n. Verwandte Simulatoren: statistics/normal-distribution (das hier genutzte Φ und Φ⁻¹), statistics/central-limit-theorem (warum x̄ näherungsweise normal ist, mit Standardabweichung σ/√n), statistics/law-of-large-numbers (wie sich die laufende Überdeckung dem nominellen Niveau nähert) sowie statistics/p-value und statistics/type-i-ii-errors-power (dieselben kritischen Werte für Hypothesentests).

Für wen: Oberstufe und Statistik im ersten Studienjahr (AP Statistics, A-level, einführende Kurse zur schließenden Statistik).

Wichtige Begriffe

  • konfidenzintervall
  • konfidenzniveau
  • überdeckungswahrscheinlichkeit
  • stichprobenmittel x̄ und standardfehler σ/√n
  • kritischer wert z* und t*
  • t-verteilung von student und freiheitsgrade
  • fehlerspanne
  • stichprobenverteilung

So funktioniert es

Jede Stichprobe der Größe n aus einer normalen Grundgesamtheit N(μ, σ²) liefert ein Stichprobenmittel x̄ und ein Konfidenzintervall x̄ ± c·(Streuung)/√n; das Intervall wandert von Stichprobe zu Stichprobe, während μ fest bleibt. Das Konfidenzniveau ist eine Eigenschaft des Verfahrens, nicht eines einzelnen Intervalls: auf lange Sicht enthalten etwa 95 % der 95-%-Intervalle μ, und der Simulator zählt genau das, während sich Balken in cyan (Treffer) und rosa (Fehltreffer) stapeln. Ist σ bekannt, stammt der kritische Wert z* aus der inversen Normalverteilung; ersetzt man σ durch die Stichprobenstandardabweichung s, wird die zusätzliche Unsicherheit durch den breiteren kritischen Wert t* der t-Verteilung von Student mit ν = n − 1 Freiheitsgraden ausgeglichen. „z* verwenden, obwohl σ unbekannt ist“ ankreuzen und zusehen, wie die Überdeckung bei kleinem n unter das nominelle Niveau fällt — die Unterdeckung, zu deren Ausgleich die t-Verteilung erfunden wurde. Die Grundgesamtheit ist exakt normal und die Ziehungen unabhängig; die Intervalle sind zweiseitig und symmetrisch.

Wichtige Gleichungen

σ bekannt: x̄ ± z*·σ/√n, z* = Φ⁻¹(1 − α/2), α = 1 − Niveau
σ unbekannt: x̄ ± t*·s/√n, t* = F⁻¹_ν(1 − α/2), ν = n − 1
s² = Σ(xᵢ − x̄)² / (n − 1)
F_ν(t) = 1 − ½·I_{ν/(ν+t²)}(ν/2, ½) (regularisierte unvollständige Beta)

Häufige Fragen

Bedeutet ein 95-%-Konfidenzintervall, dass μ mit Wahrscheinlichkeit 95 % in dem Intervall liegt, das ich gerade berechnet habe?
Nein. Das Mittel μ der Grundgesamtheit ist eine feste Zahl, und das konkrete Intervall auf dem Bildschirm enthält es oder nicht; nach dem Ziehen der Stichprobe bleibt nichts Zufälliges übrig. Die 95 % beschreiben das Verfahren: wiederholt man das Ziehen viele Male, enthalten etwa 95 % der erzeugten Intervalle μ. Der Simulator zeigt genau das — jeder Balken ist eine Wiederholung, und der Zähler nähert sich 95 %, während die Zahl der Intervalle wächst, auch wenn das jüngste Intervall durchaus einer der rosa Fehltreffer sein kann.
Warum werden die Intervalle schmaler, wenn n wächst, und um wie viel?
Die halbe Breite ist c·σ/√n (oder c·s/√n), die Breite schrumpft also mit der Wurzel der Stichprobengröße, nicht mit n selbst. Vervierfacht man n von 20 auf 80, halbiert sich die Breite; von n = 20 auf n = 200 schrumpft sie um etwa den Faktor √10 ≈ 3,2. Beim t-Verfahren kommt ein zweiter, kleinerer Effekt hinzu: t* mit ν = n − 1 sinkt mit wachsendem n gegen z*, von 2,776 bei n = 5 über 2,093 bei n = 20 auf 1,972 bei n = 200, jeweils für das 95-%-Niveau. Die Überdeckung ändert sich dagegen nicht mit n — die Intervalle eines korrekten 95-%-Verfahrens enthalten μ in etwa 95 % der Fälle, ob n gleich 2 oder 200 ist.
Warum fällt die Überdeckung unter 95 %, wenn ich „z* verwenden, obwohl σ unbekannt ist“ ankreuze?
Das Intervall x̄ ± 1,96·s/√n tut so, als sei s das wahre σ. In einer kleinen Stichprobe schwankt s selbst stark, und weil die Verteilung von s schief ist, fällt es häufiger unter σ als über σ aus. Ist s zu klein, wird das Intervall zu kurz und verfehlt μ eher; der Wert z* gleicht das nicht aus. Der kritische Wert der t-Verteilung von Student tut es: er ist um genau den Betrag größer als z*, der nötig ist, damit P(|x̄ − μ| ≤ t*·s/√n) dem nominellen Niveau gleicht. Bei n = 5 ist der Abstand groß (t* = 2,776 gegen 1,960, und die Überdeckung von z mit s liegt bei etwa 88 %); bei n = 30 ist er klein (2,045 gegen 1,960, Überdeckung etwa 94 %). Daher die alte Faustregel „für n ≥ 30 das z verwenden“.
Warum hat das Intervall beim t-Verfahren jedes Mal eine andere Breite, während beim z-Verfahren alle Balken gleich lang sind?
Beim z-Verfahren verwendet die halbe Breite z*·σ/√n nur bekannte Konstanten, jedes Intervall hat also dieselbe Länge und nur seine Mitte x̄ wandert. Beim t-Verfahren verwendet die halbe Breite t*·s/√n die Stichprobenstandardabweichung s, die für jede neue Stichprobe neu berechnet wird; s schwankt um σ, stark bei kleinem n und schwach bei großem n, die Balken sind also verschieden lang. Die in der Anzeige genannte mittlere Breite weicht daher leicht von t*·σ/√n ab, weil der Erwartungswert von s ein wenig unter σ liegt (der Faktor c₄ ist 0,940 bei n = 5 und 0,987 bei n = 20).