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統計學 1908

一個平均數的機率誤差

威廉·西利·戈塞特(筆名「Student」)

只憑少數幾次測量,一個平均值能信到幾分?

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In depth · the introduction

只測了寥寥幾次,你對一個平均值能有幾分把握?

小樣本,理應配更寬的餘量

當你把一樣東西測上成千上萬次,你就同時知道了它的平均值和它有多分散,誤差棒也盡可放心。但真實的實驗通常很小——四塊大麥試驗田、五位病人、幾次試驗——這時你會撞上一個更安靜的難題:你只能用這同一小撮數字去「猜」分散程度。這個猜測很不牢靠,所以誠實的誤差棒,必須比教科書裡的常態曲線所暗示的更寬。戈塞特精確算出了到底該寬多少,為小樣本給出了一條尾部更厚的新鐘形曲線。

那位署名「Student」的釀酒師

威廉·西利·戈塞特並非教授,而是都柏林健力士(Guinness)釀酒廠的化學家、首席實驗釀造師;他要靠寥寥幾批實驗,去種出更好的大麥、釀出更穩定的啤酒。健力士怕洩露商業機密,禁止員工發表論文;於是 1908 年戈塞特解決了小樣本問題後,只能以筆名「Student」發表。為檢驗他的新曲線,他做了一個驚人地「親手」的實驗:取來 3000 名囚犯的身體測量資料,逐條寫在卡片上,把這副牌洗勻,再發出 750 個各含四人的小樣本——一次全靠手工完成的早期模擬。年輕的羅納德·費雪後來嚴格證明了戈塞特的結果,糾正了一處微妙的計數錯誤,並以好友之名將這條曲線命名為「Student t」;兩人通信往來數十年。

它為何重要

幾乎每一個真正要緊的實驗,都是在小樣本上做的——你很少能擁有成千上萬的病人或收成。在戈塞特之前,統計學家沒有一條誠實的路,從少數測量得出結論;在他之後,有了。他所成就的 t 檢定,成了在醫學、農業、心理學,以及今天決定你看到哪一版網頁的 A/B 測試中,追問「這個差別是真的,還是只是運氣?」的標準做法。它讓科學得以既「小」又「嚴謹」。

憑幾條評價下判斷

想像給一家餐廳打分。看 300 條評價,你對那個平均分可以相當有信心。只看 3 條,平均分可能撞了好運、也可能撞了霉運——所以明智的人會留餘地,讓「真實」品質的可能範圍寬得多。Student t 分布,正是這種「留餘地」的精確數學:測量越少,曲線鋪得越寬,結論就越要謹慎。等測量一多,它又收回到我們熟悉的那條鐘形曲線。

一張有兩條鐘形曲線的圖:虛線是常態曲線,實線是 t 曲線。滑桿改變樣本容量;樣本越小,實線越低越寬,標記 95% 臨界點的線也越向外移。

它在知識譜系中的位置

戈塞特的曲線是實用統計學的一塊基石,與本館其他「在不確定中推理」的基礎並列。貝葉斯(1763)揭示了一次觀測該如何修正一個信念;柯爾莫哥洛夫(1933)為機率本身奠定了嚴格地基;羅納德·費雪(1935)在顯著性與 t 檢定之上,建起了整門實驗設計的科學。每當一項研究以「95% 信賴」報告結果,或一家公司判定某個網頁設計勝過另一個,戈塞特的小樣本數學,都在悄悄地起作用。

The original document
Original source text
Student [W. S. Gosset] · The Probable Error of a Mean · Biometrika 6(1): 1–25 · March 1908
What the paper set out to do
The paper opens by noting a gap everyone had stepped around: the standard way of judging how close a sample mean lies to the true mean assumes the sample is large enough to treat its measured spread as if it were the real one. Gosset asks the unhandled question — what to do when the sample is small, so that the spread itself is only a shaky estimate.
Gosset's route to the distribution
Assuming the underlying measurements are normally distributed, he works out the distribution of the sample standard deviation, argues that for normal data the sample mean and the sample spread vary independently, and from these obtains the distribution of the standardised quantity z = (mean − true mean) / s. Lacking a fully rigorous proof, he fixes the form of the curve by matching its moments and tabulates it.
Checking it by experiment
To test his curve, Gosset took W. R. Macdonell's measurements of 3,000 criminals — height and left-middle-finger length — wrote each on a piece of cardboard, shuffled them, and dealt out 750 samples of four. Comparing the spread of those small samples against his formula was an early hand-run simulation, a forerunner of the Monte Carlo method.
[ … ]
Student [W. S. Gosset] · the Galton Laboratory & the Guinness brewery · 1908