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统计学 1908

一个平均数的概率误差

威廉·西利·戈塞特(笔名「Student」)

只凭少数几次测量,一个平均值能信到几分?

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In depth · the introduction

只测了寥寥几次,你对一个平均值能有几分把握?

小样本,理应配更宽的余量

当你把一样东西测上成千上万次,你就同时知道了它的平均值和它有多分散,误差棒也尽可放心。但真实的实验通常很小——四块大麦试验田、五位病人、几次试验——这时你会撞上一个更安静的难题:你只能用这同一小撮数字去「猜」分散程度。这个猜测很不牢靠,所以诚实的误差棒,必须比教科书里的正态曲线所暗示的更宽。戈塞特精确算出了到底该宽多少,为小样本给出了一条尾部更厚的新钟形曲线。

那位署名「Student」的酿酒师

威廉·西利·戈塞特并非教授,而是都柏林健力士(Guinness)酿酒厂的化学家、首席实验酿造师;他要靠寥寥几批实验,去种出更好的大麦、酿出更稳定的啤酒。健力士怕泄露商业机密,禁止员工发表论文;于是 1908 年戈塞特解决了小样本问题后,只能以笔名「Student」发表。为检验他的新曲线,他做了一个惊人地「亲手」的实验:取来 3000 名囚犯的身体测量数据,逐条写在卡片上,把这副牌洗匀,再发出 750 个各含四人的小样本——一次全靠手工完成的早期模拟。年轻的罗纳德·费舍尔后来严格证明了戈塞特的结果,纠正了一处微妙的计数错误,并以好友之名将这条曲线命名为「Student t」;二人通信往来数十年。

它为何重要

几乎每一个真正要紧的实验,都是在小样本上做的——你很少能拥有成千上万的病人或收成。在戈塞特之前,统计学家没有一条诚实的路,从少数测量得出结论;在他之后,有了。他所成就的 t 检验,成了在医学、农业、心理学,以及今天决定你看到哪一版网页的 A/B 测试中,追问「这个差别是真的,还是只是运气?」的标准做法。它让科学得以既「小」又「严谨」。

凭几条评价下判断

想象给一家餐厅打分。看 300 条评价,你对那个平均分可以相当有信心。只看 3 条,平均分可能撞了好运、也可能撞了霉运——所以明智的人会留余地,让「真实」品质的可能范围宽得多。Student t 分布,正是这种「留余地」的精确数学:测量越少,曲线铺得越宽,结论就越要谨慎。等测量一多,它又收回到我们熟悉的那条钟形曲线。

一张有两条钟形曲线的图:虚线是正态曲线,实线是 t 曲线。滑块改变样本容量;样本越小,实线越低越宽,标记 95% 临界点的线也越向外移。

它在知识谱系中的位置

戈塞特的曲线是实用统计学的一块基石,与本馆其他「在不确定中推理」的基础并列。贝叶斯(1763)揭示了一次观测该如何修正一个信念;柯尔莫哥洛夫(1933)为概率本身奠定了严格地基;罗纳德·费舍尔(1935)在显著性与 t 检验之上,建起了整门实验设计的科学。每当一项研究以「95% 置信」报告结果,或一家公司判定某个网页设计胜过另一个,戈塞特的小样本数学,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