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표본크기가 커지면 신뢰구간은 왜 좁아질까

천안쌍용고등학교 학생의 풀이 기록에는 다음 문장이 남아 있었다.

“표본평균과 표준편차가 같으므로 표본크기 \(n\)이 달라도 신뢰구간의 폭은 같다.”

이 판단은 표본평균과 산포가 같다는 사실만 보고 표준오차의 변화를 놓친 경우다. 쌍용지구과외에서 이 유형을 다룰 때는 신뢰구간의 폭을 결정하는 식부터 확인한다.

표본크기와 신뢰구간 계산

모집단의 표준편차가 \(\sigma=12\)로 알려져 있고, 신뢰수준이 95%라고 하자. 이때 모평균의 신뢰구간은

\[ \bar{x}\pm 1.96\frac{\sigma}{\sqrt n} \]

이다. 따라서 신뢰구간의 전체 폭은

\[ 2\times1.96\frac{12}{\sqrt n} =\frac{47.04}{\sqrt n} \]

가 된다.

표본크기 표준오차 신뢰구간의 폭
\(n=36\) \(12/6=2\) \(2\times1.96\times2=7.84\)
\(n=144\) \(12/12=1\) \(2\times1.96\times1=3.92\)

폭의 변화는 \(\sqrt n\)에 반비례한다

표본크기를 \(36\)에서 \(144\)로 네 배 늘리면 \(\sqrt n\)은 두 배가 된다. 그러므로 표준오차와 신뢰구간의 폭은 절반으로 줄어든다.

표본평균이 같고 표준편차가 같아도 \(n\)이 달라지면 표준오차가 달라진다. 따라서 “구간폭이 같다”는 처음 풀이는 옳지 않다.

구간폭을 절반으로 만드는 조건

기존 표본크기를 \(n\), 새로운 표본크기를 \(kn\)이라 하자. 신뢰구간의 폭을 절반으로 만들려면

\[ \frac{1}{\sqrt{kn}}=\frac12\frac{1}{\sqrt n} \]

이어야 한다. 양변을 정리하면

\[ \sqrt{k}=2,\qquad k=4 \]

이다. 즉 표본크기를 네 배로 해야 신뢰구간의 폭이 절반이 된다.

판단 기준

  • 표본크기가 커지면 표준오차는 감소한다.
  • 표준오차가 감소하면 신뢰구간은 좁아진다.
  • 표본크기를 \(k\)배 하면 구간폭은 \(1/\sqrt{k}\)배가 된다.

따라서 최종적으로 옳은 설명은 “다른 조건이 같을 때 표본크기가 증가하면 신뢰구간의 폭은 좁아지며, 폭을 절반으로 하려면 표본크기를 네 배로 해야 한다”이다.

쌍용지구 고2수학과외 학부모 후기

새 수학 노트로 바꾼 날이었어요. 아이가 그래프 문제를 풀고 나서 계산 과정만 보는 게 아니라, 교점이 놓인 자리만 그래프에 따로 표시해 두었더라고요. 제가 먼저 말을 꺼내기도 전이라 잠깐 멈춰서 보게 됐어요. 쌍용지구 수학과외 이야기를 나누던 때에도 이런 장면이 눈에 들어왔는데, 예전에는 다음에 확인할 부분을 따로 남겨두지 않았거든요. 그래서 노트를 다시 펼치면 처음부터 전체를 훑곤 했어요. 그런데 그날에는 계산한 교점을 그래프에 다시 찍어 보고, 식에서 나온 결과와 위치가 맞는지까지 살폈습니다. 학교 숙제를 마친 뒤에도 같은 단원의 그래프를 보며 계산된 교점을 다시 표시해 두었어요. 아직 확인하지 못한 부분은 옆에 따로 남겨서, 어디까지 봤는지 바로 알 수 있게 해둔 모습이었습니다.

★★★★★학부모 후기

시험 직전 마지막 주말, 아이가 문제를 다 푼 뒤 바로 답지를 찾지 않고 연산 과정을 잠시 들여다보더라고요. 문제를 덮기 예전에는 처음 했던 계산과 다른 방식으로 마지막 결과를 한 번 더 확인했어요. 전에는 한 번 본 자료에서 필요한 부분만 다시 찾아보는 일이 거의 없었거든요. 쌍용지구 수학과외 이야기를 나누던 중에도 이런 장면이 집에서 보이니 조금 새롭게 보이더라고요. 다음 수업에서 물어볼 내용을 정리하던 밤에도 비슷한 모습이 나타났어요. 자료 전체를 처음부터 넘긴 게 아니라 확인할 곳을 먼저 좁혀 놓고, 앞에서 구한 결과를 다른 방법으로 다시 살폈습니다. 같은 답을 두 번 보는 데 그치지 않고 계산 방식을 바꿔 확인한 뒤 필요한 부분만 남겨 두고 자료를 정리하더라고요.

★★★★★학부모 후기

쌍용지구에서 과외를 시작할 때만 해도 책상에 앉는 것부터 부담스러웠고, 어려운 문제는 풀고도 풀이를 다시 보지 않았습니다. 시험 전 마지막 주말, 선생님은 사소한 질문도 왜 궁금했는지부터 차분히 들어주며 무리하지 않게 수업을 이끌었습니다. 이제는 숙제가 많으면 먼저 말하고, 공부 시간을 예전보다 자연스럽게 받아들입니다.

★★★★★학부모 후기

학교 과제가 몰린 날에도 예전처럼 수학 숙제를 뒤로 미루지 않고, 아이가 먼저 해야 할 일을 나누어 질문할 내용을 적어두는 모습이 눈에 띄었습니다. 쌍용지구에서 수업을 받으며 선생님은 시험 기간에도 진도를 서두르기보다 막히는 부분을 다시 확인해 주셨고, 틀린 문제를 펼쳐보는 부담도 조금씩 줄었습니다. beside? no foreign. 수업 후에는 공부가 덜 막막하다고 말해 학부모로서 마음이 놓였습니다.

★★★★★학부모 후기

쌍용지구에서 수학 과외를 시작한 뒤에도 아이는 답이 바로 나오지 않으면 금세 긴장하고, 복습보다 진도를 서두르려 했습니다. 시험 전날 선생님은 아이와 대화하며 필요한 복습부터 골랐고, 틀린 문제도 풀이 전체를 다시 시키기보다 처음 어긋난 부분을 차분히 찾아 주셨습니다. 요즘은 수업이 끝나면 배운 내용을 먼저 이야기해 주어 성적보다 반가운 변화를 느낍니다.

★★★★★학부모 후기