






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.