통계적 추론 - 가설검정(Hypothesis test) - 2

지난 글에서는 가설검정 중에서 1표본 Z검정에 대해서 정리하였다.

즉, 하나의 모집단과 표본에 대한 가설검정만 다루었다.

 

이번에는 두 모집단과 표본에 대해서 가설검정 하는 내용을 다루려고 한다(2표본 Z검정).

이 글은 훌륭한 유튜브 강의 영상인 손으로만 푸는 통계 내용을 많이 참조하였음을 밝힌다.

 

이번에는 어떤 두 모집단 A, B가 있다고 하자. 이때 각 모집단의 모분산 $\sigma_{A}^2$와 $\sigma_{B}^2$는 알려져있다고 가정한다.

그런데 누군가가 모집단 A의 평균 $\mu_{A}$와 모집단 B의 평균 $\mu_{B}$가 같다고 하는 의심스러운 주장을 하고 있다. 이런 의심스러운 주장(가설)을 통계적으로 검정해보려고 한다. 다르게 말하면 우리는 $\mu_{A} = \mu_{B}$임을 주장하고 싶다. 그럼 여기서 귀무가설과 대립가설은 어떻게 될까? 아래와 같이 된다.

귀무가설 $\mathcal{H_{0}}$: $\mu_{A} = \mu_{B}$

대립가설 $\mathcal{H_{1}}$: $\mu_{B} \ne \mu_{B}$  

 

 

가설 검정의 기본적인 원리는 1표본 Z검정 때와 같다. 모집단 전체를 조사하기 어려우니까 각각 표본을 뽑아 조사하도록 하고, 아래와 같이 표본을 뽑는다. 이번에도 모집단 A와 B의 모분산이 알려져 있고, 표본의 크기 $n_A$와 $n_B$는 30보다 크다고 가정한다.

표본의 크기가 30보다 크므로, 중심극한 정리에 의해, 다음이 성립한다.

$$\bar{X_{A}}\sim\mathcal{N}(\mu_{A}, \frac{\sigma_{A}^2}{n_{A}}),$$ $$\bar{X_{B}}\sim\mathcal{N}(\mu_{B}, \frac{\sigma_{B}^2}{n_{B}})$$

 

이전에 1표본 Z검정에서는 모집단의 평균이 특정 값인지 아닌지를 따지는 것이어서 $E(\bar{X})$를 특정 값 $\mu'$인 정규분포로 놓고 표준정규분포를 이용해 p-value를 구하고 유의수준 $\alpha$와 비교했다. 근데 여기서는 귀무가설 자체가 어떤 특정 값과 비교하는 것이 아니고, 값을 모르는 두 모집단의 평균이 같다라는 것이기 때문에 이전과 같이 할 수가 없다. 그래서 약간의 기술을 사용하는데, 다음과 같이 변수를 새로 정의한다. $$Y = \bar{X}_{A} - \bar{X}_{B}$$

이렇게 해주는 이유는 어차피 $\mu_{A}$와 $\mu_{B}$를 알 수 없으니, 둘의 차이를 새로운 관점으로 해서 접근해보겠다는 것이다.

그러면 귀무가설은 $$\mu_{A} = \mu_{B}$$ $$\Leftrightarrow E(Y) = \mu_{A} - \mu_{B} = 0$$

이 된다. 그런데 $\bar{X}_{A}$와 $\bar{X}_{B}$가 각각 정규분포를 따르므로, $Y$는 다음과 같은 정규분포를 따른다. $Y$가 아래와 같은 정규분포를 따른다는 것은 수학적 증명이 필요한데, 자세한 증명은 손으로만 푸는 통계 채널을 참고하도록 하고 여기서는 생략한다. $$Y\sim\mathcal{N}(0, \frac{\sigma_{A}^2}{n_{A}} + \frac{\sigma_{B}^2}{n_{B}})$$

모집단 A, B에서 각각 뽑은 표본의 평균을 $\bar{X_{A, 1}}, \bar{X_{B, 1}}$이라고 하면 $Y_{1} = \bar{X}_{A, 1} - \bar{X}_{B, 1}$이다. 즉, 모집단 A, B에서 표본을 하나씩 뽑으면 위 정규분포에서도 $Y$에 대한 표본을 하나 뽑은 것과 같다. 유의수준 $\alpha$를 0.05로 정했다고 하고, 어쨌든 이 상태에서 $Y$의 분포에 대한 평균과 분산을 알고 있으니 표준정규분포를 이용해서 $Y_{1}$에 대한 p-value를 구할 수가 있다. 만약 구한 p-value가 $\alpha$보다 작으면, 즉 표본이 기각역 안에 있으면 귀무가설을 기각하고 대립가설을 채택할 수가 있게 된다.

 

다시 말해서, 두 모집단 A, B의 평균의 차이가 0이다 라는 귀무가설이 참이라고 했을 때, 표본을 추출해봤더니 뽑힐 확률이 5%미만인 표본이 나왔다면, 귀무가설이 잘못되었다고 볼 수 있는 것이다.