プリンキピア

第8章信頼区間

8.3 A Population Proportion8.3 母比率

During an election year, we see articles in the newspaper that state confidence intervals in terms of proportions or percentages. For example, a poll for a particular candidate running for president might show that the candidate has 40% of the vote within three percentage points (if the sample is large enough). Often, election polls are calculated with 95% confidence, so, the pollsters would be 95% confident that the true proportion of voters who favored the candidate would be between 0.37 and 0.43: (0.40 – 0.03,0.40 + 0.03).
英語のヒント
選挙の年には、比率や百分率で信頼区間を述べる新聞記事を目にする。たとえば大統領選のある候補者の世論調査では、得票率は40%、誤差は3パーセントポイント以内と示されることがある(標本が十分大きい場合)。選挙の世論調査は信頼水準95%で計算されることが多いため、調査者は、その候補者を支持する有権者の真の比率が0.37から0.43の間、すなわち(0.40 − 0.03, 0.40 + 0.03)にあると95%の信頼度でいえる。
Investors in the stock market are interested in the true proportion of stocks that go up and down each week. Businesses that sell personal computers are interested in the proportion of households in the United States that own personal computers. Confidence intervals can be calculated for the true proportion of stocks that go up or down each week and for the true proportion of households in the United States that own personal computers.
株式市場の投資家は、毎週値上がり・値下がりする銘柄の真の比率に関心を持つ。パソコンを販売する企業は、米国の世帯のうちパソコンを所有する世帯の比率に関心を持つ。毎週値上がり・値下がりする銘柄の真の比率や、米国でパソコンを所有する世帯の真の比率についても、信頼区間を計算できる。
The procedure to find the confidence interval, the sample size, the error bound, and the confidence level for a proportion is similar to that for the population mean, but the formulas are different.
英語のヒント
比率について信頼区間、標本の大きさ、誤差限界、信頼水準を求める手順は、母平均の場合と似ているが、公式は異なる。
How do you know you are dealing with a proportion problem? First, the underlying distribution is a binomial distribution. (There is no mention of a mean or average.) If X is a binomial random variable, then X ~ B(n, p) where n is the number of trials and p is the probability of a success. To form a proportion, take X, the random variable for the number of successes and divide it by n, the number of trials (or the sample size). The random variable p′ (read "P prime") is that proportion,
扱っている問題が比率の問題だと、どうすれば分かるか。まず、背景の分布は二項分布である。(平均については何も述べられていない。)Xが二項確率変数なら、X ~ B(n, p)であり、nは試行回数、pは成功の確率である。比率を作るには、成功回数の確率変数Xを、試行回数(または標本の大きさ)nで割る。確率変数p′(「ピー・プライム」と読む)がこの比率である。
P ′ = X n
(Sometimes the random variable is denoted as P ^ , read "P hat".)
(この確率変数を P ^ と表し、「ピー・ハット」と読むこともある。)
When n is large and p is not close to zero or one, we can use the normal distribution to approximate the binomial.
nが大きく、pが0にも1にも近くないとき、正規分布で二項分布を近似できる。
X~N(np, npq )
If we divide the random variable, the mean, and the standard deviation by n, we get a normal distribution of proportions with p′, called the estimated proportion, as the random variable. (Recall that a proportion as the number of successes divided by n.)
確率変数、平均、標準偏差をnで割ると、推定比率と呼ぶp′を確率変数とする、比率の正規分布が得られる。(比率は成功回数をnで割ったものだということを思い出そう。)
X n = P ′ ~ N( np n , npq n )
Using algebra to simplify : npq n = pq n
代数的に簡単にすると、 npq n = pq n となる。
p′ follows a normal distribution for proportions: Xn=P′~N(p,pqn)
p′は比率の正規分布に従う:Xn=P′~N(p,pqn)
The confidence interval has the form (p′ – EBP, p′ + EBP). EBP is error bound for the proportion.
信頼区間の形は(p′ − EBP, p′ + EBP)である。EBPは比率の誤差限界である。
p′ = x n
p′ = the estimated proportion of successes (p′ is a point estimate for p, the true proportion.)
p′ = 成功比率の推定値(p′は真の比率pの点推定値である)。
x = the number of successes
x = 成功回数
n = the size of the sample
n = 標本の大きさ
The error bound for a proportion is
比率の誤差限界は次のとおりである:
EBP=( z α 2 )( p ′ q ′ n ) where q′ = 1 – p′
EBP=( z α 2 )( p ′ q ′ n ) 。ここでq′ = 1 − p′である。
This formula is similar to the error bound formula for a mean, except that the "appropriate standard deviation" is different. For a mean, when the population standard deviation is known, the appropriate standard deviation that we use is σ n . For a proportion, the appropriate standard deviation is p q n .
この公式は平均の誤差限界の公式に似ているが、「適切な標準偏差」が異なる。平均の場合、母標準偏差が既知なら、使うべき標準偏差は σ n である。比率の場合、適切な標準偏差は p q n である。
However, in the error bound formula, we use p ′ q ′ n as the standard deviation, instead of p q n .
ただし、誤差限界の公式では、標準偏差として p ′ q ′ n を p q n の代わりに使う。
In the error bound formula, the sample proportions p′ and q′ are estimates of the unknown population proportions p and q. The estimated proportions p′ and q′ are used because p and q are not known. The sample proportions p′ and q′ are calculated from the data: p′ is the estimated proportion of successes, and q′ is the estimated proportion of failures.
誤差限界の公式で、標本比率p′とq′は、未知の母比率pとqの推定値である。pとqが分からないため、推定比率p′とq′を使う。標本比率p′とq′はデータから計算する。p′は成功比率の推定値、q′は失敗比率の推定値である。
The confidence interval can be used only if the number of successes np′ and the number of failures nq′ are both greater than five.
この信頼区間を使えるのは、成功回数np′と失敗回数nq′が両方とも5より大きい場合に限る。
Example 8.10例題 8.10
Suppose that a market research firm is hired to estimate the percent of adults living in a large city who have smartphones. Five hundred randomly selected adult residents in this city are surveyed to determine whether they have smartphones. Of the 500 people surveyed, 421 responded yes - they own smartphones. Using a 95% confidence level, compute a confidence interval estimate for the true proportion of adult residents of this city who have smartphones.
英語のヒント
大都市に住む成人のうちスマートフォンを持つ人の割合を推定するため、市場調査会社が雇われたとする。市内の成人住民500人を無作為に選び、スマートフォンを持っているか調査した。500人中421人が、持っていると回答した。信頼水準95%を使い、この都市の成人住民のうちスマートフォンを持つ人の真の比率について、信頼区間による推定を計算せよ。
Solution解き方
  • The first solution is step-by-step.
    最初の解法では、手順を追って示す。
  • The second solution uses a function of the TI-83, 83+ or 84 calculators.
    2つ目の解法では、TI-83、83+、84の電卓の機能を使う。
Let X = the number of people in the sample who have cell phones. X is binomial. X~B( 500, 421 500 ) .
X = 標本中の携帯電話を持つ人数とする。Xは二項分布に従う。 X~B( 500, 421 500 ) 。
To calculate the confidence interval, you must find p′, q′, and EBP.
信頼区間を計算するには、p′、q′、EBPを求めなければならない。
n = 500
x = the number of successes = 421
x = 成功回数 = 421
p ′ = x n = 421 500 =0.842
p ′ = 0.842 is the sample proportion; this is the point estimate of the population proportion.
p ′ = 0.842 は標本比率であり、母比率の点推定値である。
q ′ = 1 - p ′ = 1 - 0.842 = 0.158
Since CL = 0.95, then α = 1 – CL = 1 – 0.95 = 0.05 ( α 2 ) = 0.025.
CL = 0.95なので、α = 1 − CL = 1 − 0.95 = 0.05、 ( α 2 ) = 0.025となる。
Then z α 2 = z 0.025 = 1.96
すると、 z α 2 = z 0.025 = 1.96 となる。
Use the TI-83, 83+, or 84+ calculator command invNorm(0.975,0,1) to find z0.025. Remember that the area to the right of z0.025 is 0.025 and the area to the left of z0.025 is 0.975. This can also be found using appropriate commands on other calculators, using a computer, or using a Standard Normal probability table.
TI-83、83+、84+のinvNorm(0.975,0,1)コマンドでz0.025を求める。z0.025の右側の面積は0.025、z0.025の左側の面積は0.975であることを思い出そう。ほかの電卓の適切なコマンド、コンピューター、標準正規分布の確率表でも求められる。
EBP=( z α 2 ) p ′ q ′ n =(1.96) (0.842)(0.158) 500 =0.032
p ′ – EBP = 0.842 – 0.032 = 0.81
p ′ +EBP=0.842+0.032=0.874
The confidence interval for the true binomial population proportion is (p′ – EBP,p′ + EBP) = (0.810,0.874).
二項母集団の真の比率の信頼区間は、(p′ – EBP,p′ + EBP) = (0.810,0.874)である。
Interpretation: We estimate with 95% confidence that between 81% and 87.4% of all adult residents of this city have smartphones.
解釈:この都市の成人住民全体の81%から87.4%がスマートフォンを持っていると、95%の信頼度で推定する。
Explanation of 95% Confidence Level: Ninety-five percent of the confidence intervals constructed in this way would contain the true value for the population proportion of all adult residents of this city who have smartphones.
信頼水準95%の説明:この方法で作った信頼区間の95%が、この都市の成人住民全体のうちスマートフォンを持つ人の母比率の真の値を含む。
Solution解き方
Using the Calculator電卓の操作
Example 8.11例題 8.11
For a class project, a political science student at a large university wants to estimate the percent of students who are registered voters. He surveys 500 students and finds that 300 are registered voters. Compute a 90% confidence interval for the true percent of students who are registered voters, and interpret the confidence interval.
英語のヒント
大きな大学で政治学を学ぶ学生が、授業の課題として、有権者登録を済ませた学生の割合を推定したいと考えている。500人を調査すると、300人が登録済みだった。登録済み学生の真の割合の90%信頼区間を計算し、解釈せよ。
Solution解き方
  • The first solution is step-by-step.
    最初の解法では、手順を追って示す。
  • The second solution uses a function of the TI-83, 83+, or 84 calculators.
    2つ目の解法では、TI-83、83+、84の電卓の機能を使う。
x = 300 and n = 500
x = 300、n = 500
p ′ = x n = 300 500 =0.600
q ′ =1- p ′ =1-0.600=0.400
Since CL = 0.90, then α = 1 – CL = 1 – 0.90 = 0.10 ( α 2 ) = 0.05
CL = 0.90なので、α = 1 − CL = 1 − 0.90 = 0.10、 ( α 2 ) = 0.05となる。
z α 2 = z0.05 = 1.645
Use the TI-83, 83+, or 84+ calculator command invNorm(0.95,0,1) to find z0.05. Remember that the area to the right of z0.05 is 0.05 and the area to the left of z0.05 is 0.95. This can also be found using appropriate commands on other calculators, using a computer, or using a standard normal probability table.
TI-83、83+、84+のinvNorm(0.95,0,1)コマンドでz0.05を求める。z0.05の右側の面積は0.05、z0.05の左側の面積は0.95であることを思い出そう。ほかの電卓の適切なコマンド、コンピューター、標準正規分布の確率表でも求められる。
EBP=( z α 2 ) p ′ q ′ n =(1.645) (0.60)(0.40) 500 =0.036
p ′ –EBP=0.60−0.036=0.564
p ′ +EBP=0.60+0.036=0.636
The confidence interval for the true binomial population proportion is (p′ – EBP, p′ + EBP) = (0.564,0.636).
二項母集団の真の比率の信頼区間は、(p′ − EBP, p′ + EBP) = (0.564, 0.636)である。
  • Interpretation: We estimate with 90% confidence that the true percent of all students that are registered voters is between 56.4% and 63.6%.
    解釈:全学生のうち有権者登録済みの学生の真の割合は56.4%から63.6%の間にあると、90%の信頼度で推定する。
  • Alternate Wording: We estimate with 90% confidence that between 56.4% and 63.6% of ALL students are registered voters.
    別の表現:全学生の56.4%から63.6%が有権者登録を済ませていると、90%の信頼度で推定する。
Explanation of 90% Confidence Level: Ninety percent of all confidence intervals constructed in this way contain the true value for the population percent of students that are registered voters.
信頼水準90%の説明:この方法で作ったすべての信頼区間の90%が、有権者登録済みの学生の母比率の真の値を含む。
Solution解き方
Using the Calculator電卓の操作