検定・推定

信頼区間とは?95%信頼区間の求め方と意味を例題で|母平均・母比率・母分散の計算ツール

信頼区間の記事のアイキャッチ。Vブロックの上の軸をマイクロメータで測る写真に「信頼区間とは 95%」の文字

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10個の部品の平均が 50.10mm。では、今日つくった全部の部品の本当の平均は? 答えは「49.915〜50.285mm のあいだ」です。

答え

信頼区間とは、標本から計算した「母集団の本当の値(母平均など)が入っていそうな範囲」です。95%信頼区間は、同じ方法で何度も標本を取って区間を作ると、そのうち約95%の区間が本当の値を含むように作った範囲です。母平均なら 標本平均 ± t × s ÷ √n(t は自由度 n−1 の両側5%点)で求めます。

冒頭の数字は、このあとの例題で1行ずつ計算します。ページの途中に、データ数と平均と標準偏差を入れるだけの計算ツールも置きました。

信頼区間の求め方の早見表|母平均・母比率・母分散

信頼区間の式は、推定したいものによって5つの形があります。どれも「点の推定値 ± 境界値 × ばらつき」の形で、母分散だけは割り算の形になります。

推定したいもの95%信頼区間の式使う分布
母平均(σ がわかる)標本平均 ± 1.96 × σ ÷ √n標準正規分布
母平均(σ がわからない)標本平均 ± t(n−1, 0.025) × s ÷ √nt分布
母比率(不良率)p̂ ± 1.96 × √( p̂(1−p̂) ÷ n )標準正規分布(近似)
母分散(n−1)s² ÷ χ²(n−1, 0.025) 〜 (n−1)s² ÷ χ²(n−1, 0.975)χ²分布
母不適合数(欠点数)x ± 1.96 × √x標準正規分布(ポアソンの近似)

p̂ は標本の不良率(ピーハット)。s は標本の標準偏差(n−1 で割ったもの)

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95%信頼区間とは?「95%」の正しい意味

95%信頼区間とは、同じ方法で何度も区間を作ったとき、約95%の区間が本当の値を含む作り方で作った区間です。「95%」は作り方の確かさで、今日の1本の区間についての確率ではありません。

工程から10個ずつ取って区間を作る作業を20回くり返した図では、20本のうち19本が本当の平均 50.10mm を含み、1本が外れました。同じ作り方を2万回くり返すと、含んだ割合は95.0%になります。

資料によって言い方が分かれる点です。「母平均が95%の確率でこの区間に入る」という説明もよく見かけます。母平均は1つの決まった値なので、作った区間が当たっているか外れているかのどちらかしかない。この記事は、作り方の確かさとしての読み方を採ります。現場での使い方としては「この範囲なら外す心配は小さい」と受け取って差し支えありません。

区間の真ん中に使う標準誤差(s÷√n)の意味は標準誤差の記事でくわしく説明しています。

95%信頼区間の意味の図。母平均50.10mmの工程から10個ずつ20回とって作った区間のうち19本が本当の平均を含み1本が外れた

区間推定とは?点推定との違い

区間推定とは、母平均などを1つの値ではなく範囲で推定する方法です。1つの値で答えるのが点推定で、標本平均 50.10mm がそれにあたります。

たとえると

池の魚を、銛(もり)で1点を狙うか、網で範囲をすくうかの違いです。銛の1点はほとんど当たりません。網を広げれば捕まえやすくなりますが、広げすぎると「池のどこかにいる」と言っているのと同じで役に立たない。信頼区間は、外す確率を5%に決めたうえで、網をどこまで広げるかを計算します。

点推定区間推定
答え方50.10mm49.915〜50.285mm
わかることいちばんありそうな値どのくらい確かか(幅)
弱いところどれくらい外れうるかがわからない幅を決める信頼率を先に決める必要がある

母平均の信頼区間の公式|のりしろを決める3つ

母平均の95%信頼区間(σ がわからないとき)
標本平均 ± t(n−1, 0.025) × s ÷ √n

t(n−1, 0.025):自由度 n−1 の t分布の両側5%点。σ がわかっているときは t の代わりに 1.96、s の代わりに σ を使う

± のあとの「のりしろ」は、3つの数で決まります。

決めるもの大きくすると例題の値
信頼率(t の値)95%→99% で t が 2.262→3.250 になり、幅は約1.4倍t(9, 0.025)=2.262
ばらつき sばらつきが2倍なら幅も2倍s=0.258mm
データ数 nn を4倍にすると幅は半分(√n で効く)n=10

σ がわかっているときの t の代わりの 1.96 より、t の値は大きくなります。s そのものがばらつく分だけ、区間を広げて外れを防いでいるためです。n が30を超えるあたりから t は 2 前後になり、1.96 に近づきます。

95%信頼区間の求め方|部品寸法の例題5ステップ

例題:部品を10個測った寸法(mm)は 50.2・49.8・50.5・50.1・49.9・50.3・50.0・50.4・49.7・50.1。母平均の95%信頼区間を求めます。σ はわかりません。

STEP 1 標本平均
合計 501.0 ÷ 10 = 50.10mm
STEP 2 標準偏差 s
平均との差の2乗の合計(偏差平方和)は 0.60。不偏分散 s²=0.60÷(10−1)=0.0667、s=√0.0667=0.258mm
STEP 3 標準誤差
s÷√n = 0.258÷√10 = 0.258÷3.162 = 0.0816mm
STEP 4 t の値
自由度 10−1=9、両側5%の t の値は 2.262
STEP 5 区間
のりしろ=2.262×0.0816=0.185mm。下限 50.10−0.185=49.915、上限 50.10+0.185=50.285

結論は「母平均の95%信頼区間は 49.915〜50.285mm」と書きます。99%にすると t=3.250 で、のりしろは 0.265mm、区間は 49.835〜50.365mm に広がります。

例題の数字は、手計算とは別に統計ソフトの t分布の区間の関数でも出し直し、小数第3位まで一致を確かめました。σ が 0.25mm とわかっている工程なら、のりしろは 1.96×0.25÷√10=0.155mm で、t を使うときより狭くなります。

例題の95%信頼区間の図。10個の平均50.10mm、s=0.258mm、t=2.262で、のりしろ0.185mm、区間は49.915〜50.285mm

信頼区間の計算ツール|母平均・母比率・母分散

推定したいものを選び、必要な欄だけ入れてください。初めは例題の数字(n=10・平均 50.10・s=0.2582)が入っていて、49.9153〜50.2847 になります。母比率を選ぶと n と不良の数 x を使います。

入力すると、その場で計算し直します。入力した数字は画面の中で計算するだけで、どこにも送信されません。

母比率(不良率)の信頼区間の求め方

母比率の信頼区間は、標本の不良率 p̂ を中心に ±1.96×√(p̂(1−p̂)÷n) で求めます。不良が少ないときは、この近似より正確法の区間を使います。

例題:400個を検査して不良が12個。p̂=12÷400=0.03。√(0.03×0.97÷400)=0.00853、のりしろ=1.96×0.00853=0.0167。95%信頼区間は 1.33%〜4.67% です。

同じデータを二項分布から正確に求める方法(クロッパー・ピアソン法)だと、区間は 1.56%〜5.18% になり、少し右にずれます。不良率のように 0 に近い割合は分布が左右対称でないためで、x が5未満なら正確法を使います。母比率の検定と区間は母比率の検定・推定の記事で、欠点数の区間まで解いています。

母分散の信頼区間の求め方|左右が対称にならない

母分散の信頼区間は、偏差平方和 (n−1)s² を χ²分布の上側と下側の点で割って求めます。割る数の大きいほうが下限になる点に気をつけます。

例題の10個なら、偏差平方和は 0.60、自由度9。χ²(9, 0.025)=19.02、χ²(9, 0.975)=2.700 なので、母分散の95%信頼区間は 0.60÷19.02=0.0315 〜 0.60÷2.700=0.222。母標準偏差に直すと 0.178〜0.471mm です。

s=0.258mm に対して、下は 0.08mm しか下がらないのに、上は 0.21mm も上がります。10個で見積もったばらつきは、思ったより大きいかもしれないということ。χ²表の読み方はカイ二乗分布の記事で、ばらつきを基準値と比べる検定はカイ二乗検定で扱っています。

信頼区間の幅を狭くするには|必要なデータ数の逆算

信頼区間の幅は √n に反比例するので、狭くしたい幅から必要なデータ数を逆算できます。σ がわかっている工程なら n=(1.96×σ÷のりしろ)² です。

例:σ=0.25mm の工程で、母平均を ±0.1mm の精度で知りたい。n=(1.96×0.25÷0.1)²=4.9²=24.01。切り上げて 25個 測れば足ります。半分の ±0.05mm にしたいなら、4倍の約97個が要る計算です。

検定で「差を見のがさない」ための n の決め方は、考え方が少し違います。検出力から決める方法は別の記事で計算ツールつきで説明しています。

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信頼区間と仮説検定の関係

95%信頼区間に基準値が入っていなければ、両側5%の検定で「基準値と差がある」と判定されます。2つは同じ分布を使っていて、表と裏の関係です。

例題の区間 49.915〜50.285mm には 50.0 が入っているので、「平均は 50.0mm とは違う」とはいえません。区間のほうが情報が多く、差がどの程度ありうるかまで読めます。検定の手順は仮説検定の記事で、2つのばらつきの比の区間に使う F分布はF検定の記事で説明しています。

信頼区間を現場で使うときの判断とExcel

現場で信頼区間を使うときは、区間の両端を規格と並べて見ます。平均が規格の中心にあっても、区間の端が規格に近ければ、データを足して確かめる必要があります。

筆者なら、工程の変更を判断するときに「有意かどうか」より先に、信頼区間の端が規格幅のどこに来るかを見ます。理由は、区間の端は「最悪このくらいまでありうる」を示すので、そのまま不良のリスクの見積もりにつながるからです。

Excel でやりたいこと関数
のりしろ(σ不明・t)=CONFIDENCE.T(0.05, 標準偏差, データ数)
のりしろ(σ既知・z)=CONFIDENCE.NORM(0.05, σ, データ数)
t の値=T.INV.2T(0.05, データ数−1)
母分散の区間の χ² の点=CHISQ.INV.RT(0.025, 自由度) と =CHISQ.INV.RT(0.975, 自由度)

QC検定での信頼区間の出方

QC検定の手法の問題では、検定のあとに「母平均の点推定と95%信頼区間を求めよ」と続く形がよく見られます。σ が既知か未知かで 1.96 か t かを選ぶのが分かれ目です。

  • σ が与えられていれば 1.96(z)、標本の s なら t(自由度 n−1)
  • 母分散の区間は割る数の大きいほうが下限
  • 母比率の区間は p̂ で分母を計算する(検定のときは基準値 p0)

級ごとの出題範囲は、日本規格協会の「品質管理検定レベル表」で確かめてください。確認しようとした時点では公式のページが保守中で開けなかったため、この記事では級を断定していません。

よくある質問

Q. 95%信頼区間の意味は何ですか?

A. 同じ方法で何度も標本を取って区間を作ると、そのうち約95%の区間が本当の母平均を含む、という意味です。

Q. 母平均の信頼区間をExcelで求めるには?

A. CONFIDENCE.T(0.05, 標準偏差, データ数)で求めた幅を、標本平均に足し引きすれば95%信頼区間になります。

Q. 信頼区間を狭くするにはどうすればいいですか?

A. データ数を増やすか、ばらつきを減らします。幅は√nに反比例するので、半分にするにはデータが4倍要ります。

まとめ|信頼区間は「外す確率5%の網」の広さ

  • 信頼区間は、母平均などが入っていそうな範囲。95%は「作り方の確かさ」
  • 母平均は 標本平均 ± t×s÷√n。例題は 50.10 ± 0.185 = 49.915〜50.285mm
  • 母比率は p̂ ± 1.96√(p̂(1−p̂)/n)、母分散は (n−1)s²÷χ² で左右非対称
  • 幅は √n に反比例。±0.1mm(σ=0.25)なら25個
  • 区間に基準値が入らなければ、両側5%の検定でも有意
参考にした資料

(2026年10月に確認)

法令・規格・資料は改訂されることがあります。実務で使うときは、発行元の最新版で確かめてください。

この記事の理解を深める本と道具
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シラス
電験三種・QC検定1級 / メーカーでパワエレ設計・品質保証 実務10年

メーカーで電気設計と品質保証に携わってきた経験をもとに執筆しています。むずかしい専門用語をできるだけ使わず、はじめて学ぶ人がつまずかないように、図とたとえで説明することを大切にしています。

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