信賴區間

在統計學中，一個機率樣本的信賴區間（英語：confidence interval，CI），是對產生這個樣本的母體的母數分布（parametric distribution）中的某一個未知母數值，以區間形式給出的估計。相對於點估計（point estimation）用一個樣本統計量來估計母數值，信賴區間還蘊含了估計的精確度的資訊。在現代機器學習中越來越常用的信賴集合（confidence set）概念是信賴區間在多維分析的推廣。

信賴區間在頻率學派中間使用，其在貝氏統計中的對應概念是可信區間（credible interval）。兩者建立在不同的概念基礎上的，貝氏統計將分布的位置母數視為隨機變數，並對給定觀測到的數據之後未知母數的事後分布進行描述，故無論對隨機樣本還是已觀測數據，構造出來的可信區間，其可信水準都是一個合法的機率；而信賴區間的信心水準，只在考慮隨機樣本時可以被理解為一個機率。

定義

對隨機樣本的定義

定義信賴區間最清晰的方式是從一個隨機樣本出發。考慮一個一維隨機變數${\cal {X}}$服從分布${\cal {F}}$，又假設$\theta$是${\cal {F}}$的母數之一。假設我們的數據採集計劃將要獨立地抽樣$n$次，得到一個隨機樣本$\{X_{1},\ldots ,X_{n}\}$，注意這裡所有的$X_{i}$都是隨機的，我們是在討論一個尚未被觀測的數據集。如果存在統計量（統計量定義為樣本$X=\{X_{1},\ldots ,X_{n}\}$的一個函數，且不得依賴於任何未知母數）$u(X_{1},\ldots ,X_{n}),v(X_{1},\ldots ,X_{n})$滿足$u(X_{1},\ldots ,X_{n})<v(X_{1},\ldots ,X_{n})$使得：

$\mathbb {P} \left(\theta \in \left(u(X_{1},\ldots ,X_{n}),v(X_{1},\ldots ,X_{n})\right)\right)=1-\alpha$

則稱$\left(u(X_{1},\ldots ,X_{n}),v(X_{1},\ldots ,X_{n})\right)$為一個用於估計母數$\theta$的$1-\alpha$信賴區間，其中的，$1-\alpha$稱為信心水準，$\alpha$在假說檢定中也稱為顯著水準。

對觀測到的數據的定義

接續隨機樣本版本的定義，現在，對於隨機變數${\cal {X}}$的一個已經觀測到的樣本$\{x_{1},\ldots ,x_{n}\}$，注意這裡用小寫x表記的$x_{i}$都是已經觀測到的數字，沒有隨機性了，定義基於數據的$1-\alpha$信賴區間為：

$\left(u(x_{1},\ldots ,x_{n}),v(x_{1},\ldots ,x_{n})\right)$

注意，信賴區間可以是單尾或者雙尾的，單尾的信賴區間中設定$u=-\infty$或者$v=+\infty$，具體前者還是後者取決於所構造的信賴區間的方向。

初學者常犯一個概念性錯誤，是將基於觀測到的數據所同樣構造的信賴區間的信心水準，誤認為是它包含真實未知母數的真實值的機率。正確的理解是：信心水準只有在描述這個同樣構造信賴區間的過程（或稱方法）的意義下才能被視為一個機率。一個基於已經觀測到的數據所構造出來的信賴區間，其兩個端點已經不再具有隨機性，因此，類似的構造的間隔將會包含真正的值的比例在所有值中，其包含未知母數的真實值的機率是0或者1，但我們不能知道是前者還是後者。

例子

例1：常態分布，已知母體變異數$\sigma ^{2}$

$1-\alpha$水準的常態信賴區間為：

$\left({\bar {x}}-z_{\alpha /2}{\frac {\sigma }{\sqrt {n}}},{\bar {x}}+z_{\alpha /2}{\frac {\sigma }{\sqrt {n}}}\right)$ (雙尾)

$\left(-\infty ,{\bar {x}}+z_{\alpha }{\frac {\sigma }{\sqrt {n}}}\right)$ (單尾)

$\left({\bar {x}}-z_{\alpha }{\frac {\sigma }{\sqrt {n}}},+\infty \right)$ (單尾)

以下為方便起見，只列出雙尾信賴區間的例子，且區間中用"$\pm$"進行簡記：

例2：常態分布，未知母體變異數$\sigma ^{2}$

$1-\alpha$水準的雙尾常態信賴區間為：

$\left({\bar {x}}\pm t_{n-1;\alpha /2}{\frac {s}{\sqrt {n}}}\right)$

例3：兩個獨立常態樣本

設有兩個獨立常態樣本$x$和$y$，樣本大小為$m$和$n$，估計母體均值之差$\mu _{1}-\mu _{2}$，假設母體變異數未知但相等：$\sigma _{1}=\sigma _{2}$(如果未知且不等就要應用Welch公式來確定t分布的自由度) $1-\alpha$水準的雙尾常態信賴區間為：

$\left({\bar {x}}-{\bar {y}}\pm t_{m+n-2;\alpha /2}\cdot s_{p}\cdot {\sqrt {{\frac {1}{m}}+{\frac {1}{n}}}}\right)$，其中$s_{p}={\sqrt {\frac {(m-1)s_{x}^{2}+(n-1)s_{y}^{2}}{m+n-2}}}$且$s_{x},s_{y}$分別表示$x$和$y$的樣本標準差。

常見誤解

從常態分布產生的50個樣本中得出的50個信賴區間

信賴區間及信心水準常被誤解，出版的研究也顯示出既使是專業的科學家也常做出錯誤的詮釋。

• 以95%的信賴區間來說，建構出一個信賴區間，不代表分布的母數有95%的機率會落在該信賴區間內（也就是說該區間有95%的機率涵蓋了分布母數）。 依照嚴格的頻率學派詮釋，一旦信賴區間被建構完全，此區間不是涵蓋了母數就是沒涵蓋母數，已經沒有機率可言。95%機率指的是建構信賴區間步驟的可靠性，不是針對一個特定的區間。內曼本人（信賴區間的原始提倡者）在他的原始論文提出此點：

  「在上面的敘述中可以注意到，機率是指統計學家在未來關心的估計問題。事實上，我已多次說明，正確結果的頻率會趨向於α。考慮到一個樣本已被抽取，[特定端點]也已被計算完成。我們能說在這個特定的例子裡真值[落到端點中]的機率等於α嗎？答案明顯是否定的。母數是未知的常數，無法做出對其值的機率敘述……」

Deborah Mayo針對此點進一步說道：

「無論如何必須強調，在看到[資料的]數值後，Neyman–Pearson理論從不允許做出以下結論，特定產生的信賴區間涵蓋了真值的機率或信心為(1 − α)100%。Seidenfeld的評論似乎源於一種（並非不尋常的）期望值，Neyman–Pearson信賴區間能提供他們無法合理提供的，也就是未知母數落入特定區間的機率大小、信心高低或支持程度的測度。隨著Savage (1962)之後，母數落入特定區間的機率可能是指最終精密度的測度。最終精密度的測度令人嚮往而且信賴區間又常被(錯誤地)解釋成可提供此測度，然而此解釋是不被保證的。無可否認的，『信賴』二字助長了此誤解。」

• 95%信賴區間不代表有95%的樣本資料落在此信賴區間。
• 信賴區間不是樣本母數的可能值的確定範圍，雖然它常被啟發為可能值的範圍。
• 從一個實驗中算出的一個95%信賴區間，不代表從不同實驗得到的樣本母數有95%落在該區間中

構造法

一般來說，信賴區間的構造需要先找到一個樞軸變量（pivotal quantity，或稱pivot），其表達式依賴於樣本以及待估計的未知母數(但不能依賴於母體的其它未知母數)，其分布不依賴於任何未知母數。

下面以上述例2為例，說明如何利用樞軸變量構造信賴區間。對於一個常態分布的隨機樣本${X_{1},\ldots ,X_{n}}$，可以證明(此證明對初學者並不容易)如下統計量互相獨立：

${\bar {X}}={\frac {1}{n}}\sum _{i=1}^{n}X_{i}$ 和 $S^{2}={\frac {\sum _{i=1}^{n}\left(X_{i}-{\bar {X}}\right)^{2}}{n-1}}$

它們的分布是：

${\frac {{\bar {X}}-\mu }{\sigma /{\sqrt {n}}}}\sim N(0,1)$ 和 $(n-1){\frac {S^{2}}{\sigma ^{2}}}\sim \chi _{n-1}^{2}$

所以根據t分布的定義，有

$t={\frac {{\bar {X}}-\mu }{S/{\sqrt {n}}}}\sim t_{n-1}$

於是反解如下等式左邊括號中的不等式

$\mathbb {P} \left(-t_{n-1;\alpha /2}<t={\frac {{\bar {X}}-\mu }{S{\sqrt {n}}}}<t_{n-1;\alpha /2}\right)=1-\alpha$

就得到了例2中雙尾信賴區間的表達式。

與母數檢定的聯繫

有時，信賴區間可以用來進行母數檢定。例如在上面的例1中構造的雙尾$1-\alpha$水準信賴區間，可以用來檢定具有相應的顯著水準為$\alpha$的雙尾對立假說，具體地說是如下檢定： 常態分布母體，知道母體變異數$\sigma ^{2}$，在$\alpha$顯著水準下檢定：

$H_{0}:\mu =\mu _{0}$ vs $H_{1}:\mu \neq \mu _{0}$

檢定方法是：當（且唯若）相應的$1-\alpha$水準信賴區間不包含$\mu _{0}$時拒絕虛無假說$H_{0}$

例1中構造的雙尾$1-\alpha$水準信賴區間也可以用來檢定如下兩個顯著水準為$\alpha /2$的單尾對立假設：

$H_{0}:\mu \leq \mu _{0}$ vs $H_{1}:\mu >\mu _{0}$

和

$H_{0}:\mu \geq \mu _{0}$ vs $H_{1}:\mu <\mu _{0}$

檢定方法是完全類似的，比如對於上述第一個單尾檢定$H_{1}:\mu >\mu _{0}$，若且唯若雙尾信賴區間的左端點大於$\mu _{0}$時拒絕虛無假說。

參考書目

• 羅納德·費雪 (1956) Statistical Methods and Scientific Inference. Oliver and Boyd, Edinburgh. (See p. 32.)
• 弗羅因德 (1962) Mathematical Statistics Prentice Hall, Englewood Cliffs, NJ. (See pp. 227–228.)
• 伊安·海金 (1965) Logic of Statistical Inference. Cambridge University Press, Cambridge
• 齊平 (1962) Introduction to Statistical Inference. D. Van Nostrand, Princeton, NJ.
• 傑克·基弗(1977) "Conditional Confidence Statements and Confidence Estimators (with discussion)" Journal of the American Statistical Association, 72, 789–827.
• 澤西·內曼 (1937) "Outline of a Theory of Statistical Estimation Based on the Classical Theory of Probability" Philosophical Transactions of the Royal Society of London A, 236, 333–380. (Seminal work.)
• G.K.羅賓遜 (1975) "Some Counterexamples to the Theory of Confidence Intervals." Biometrika, 62, 155–161.