什麼是中央極限定理?
中央極限定理(Central Limit Theorem,簡稱 CLT)是統計學的基石之一。它指出:當你從任何一個平均數為 \(\mu\)、標準差為 \(\sigma\) 的母體中,反覆抽取大小為 n 的隨機樣本時,隨著 n 越來越大,這些樣本平均數的分布會逐漸趨近常態分布——而且不論原始母體的形狀如何都成立。這個計算器會幫你算出該抽樣分布的兩個關鍵參數:它的平均數與標準誤。
如何使用這個計算器
輸入母體平均數(\(\mu\))、母體標準差(\(\sigma\)),以及你的樣本數(n)。工具會回傳抽樣分布的平均數(其值等於 \(\mu\))、平均數的標準誤(SE),以及樣本平均數的變異數(\(\sigma^2/n\))。一個常用的經驗法則是:當 n ≥ 30 時,常態近似就相當可靠。
公式解析
中央極限定理告訴我們關於樣本平均數抽樣分布的兩件事。第一,它的中心與母體一致:
$$\mu_{\bar{x}} = \mu$$第二,隨著樣本越大,它的離散程度就越小:
$$SE = \frac{\sigma}{\sqrt{n}}$$由於除以 \(\sqrt{n}\) 會降低變異性,因此樣本越大,對真實平均數的估計就越精準。樣本平均數的變異數,正好就是標準誤的平方,也就是 \(\sigma^2/n\)。
實例演算
假設某母體的 \(\mu = 100\)、\(\sigma = 15\),而你抽取樣本數 \(n = 36\)。那麼 \(\mu_{\bar{x}} = 100\),且
$$SE = \frac{15}{\sqrt{36}} = \frac{15}{6} = 2.5$$樣本平均數的變異數為
$$\frac{15^2}{36} = \frac{225}{36} = 6.25$$換句話說,這些樣本平均數會緊密地集中在 100 附近,標準誤僅為 2.5。
常見問題
母體一定要是常態分布嗎?不需要。這正是中央極限定理強大之處——只要 n 夠大,即使母體是偏斜的,樣本平均數的抽樣分布仍會趨近常態。
樣本數要多大才算「夠大」?常見的準則是 n ≥ 30,不過若母體嚴重偏斜,可能需要更大的樣本。
為什麼樣本越大,標準誤反而越小?因為平均更多的觀測值能互相抵消隨機雜訊,所以 n 越大,平均數的估計就越穩定。