סטטיסטיקה למתקדמים · פרק 5 מ-7

מרווחי סמך (כשסטיית התקן ידועה)

"±3 מנדטים" — כל ישראלי שמע את זה בחדשות. אף אחד לא הסביר בדיוק מה זה. זה מרווח-סמך, ויש לו נוסחה מדויקת.

בקצרה

  • מה תלמדו: מרווחי סמך — הטווח שבו התוצאה האמיתית צפויה ליפול, עם רמת ביטחון נתונה.
  • זמן קריאה: 8 דק'

הפתיחה

בכל תוצאות סקר-בחירות שמתפרסמות בישראל מופיע אותו מספר קטן בסוגריים: ±3 מנדטים, ±4%, ±2.5 נקודות. זהו מרווח הסמך — הטווח שבו, עם מידה מסוימת של ביטחון, אנחנו מצפים שהתוצאה האמיתית תיפול.

הנוסחה מאחוריו פשוטה, ועוד פרק זה — לא תצטרכו לנחש.


ההגדרה

מרווח סמך (Confidence Interval) הוא קטע שמחושב מהמדגם כך שבהסתברות (1−α) הוא מכיל את הפרמטר האמיתי μ.

בשפה פשוטה: אם נבנה 100 מרווחי-סמך מ-100 מדגמים שונים — כ-95 מהם יכילו את μ האמיתי (עבור רמת-ביטחון 95%).


הנוסחה

מרווח סמך לμ (σ ידועה): x̄ ± z_(α/2) · (σ/√n)

כאשר:
– x̄ = ממוצע המדגם
– σ = סטיית-תקן אוכלוסייה (ידועה בפרק זה)
– n = גודל המדגם
– z_(α/2) = ערך-z ל"קצות" — מחפשים בטבלת-z


ערכי z לפי רמת ביטחון

רמת ביטחון (1−α) α α/2 z_(α/2)
90% 0.10 0.05 1.645
95% 0.05 0.025 1.960
99% 0.01 0.005 2.576

מדוע 1.96? כי P(Z < 1.96) = 0.975, ומכיוון שהפעמון סימטרי — 95% מהשטח נמצא בין −1.96 ל+1.96.


דוגמה — ממוצע גובה

מדדו מדגם של n=100 ישראלים בני 18. x̄ = 175.3 ס"מ. ידוע שסטיית-התקן באוכלוסייה σ = 6.2 ס"מ.

בנו מרווח-סמך 95%:

שלב חישוב ערך
SE = σ/√n 6.2/√100 = 6.2/10 0.620
z · SE 1.960 × 0.620 1.215
גבול תחתון 175.3 − 1.215 174.085
גבול עליון 175.3 + 1.215 176.515

מרווח הסמך 95%: (174.1 , 176.5)

פירוש: אנחנו בטוחים ב-95% שגובה הישראלי הממוצע בן-18 נמצא בין 174.1 ל-176.5 ס"מ.


השפעת רמת הביטחון על רוחב המרווח

רמת ביטחון z מרווח ביחס לנ"ל
90% 1.645 1.645×0.62 = ±1.02 → (174.28, 176.32)
95% 1.960 1.960×0.62 = ±1.22 → (174.08, 176.52)
99% 2.576 2.576×0.62 = ±1.60 → (173.70, 176.90)

הלקח: ביטחון גבוה יותר → מרווח רחב יותר. אין ארוחות חינם: אם רוצים להיות יותר בטוחים — מוותרים על דיוק. זה לא כשל של השיטה; זה האמת הסטטיסטית.

x-2.58s+2.58s99%x-1.96s+1.96s95%x-1.645s+1.645s90%מרווח-סמך: רמות 90%, 95%, 99%ביטחון גבוה יותר = מרווח רחב יותר
רמת-ביטחון 99% = מרווח רחב. 90% = מרווח צר. x = ממוצע המדגם · ספרות סטנדרטית · הגרף מיועד להמחשה בלבד ואינו ייעוץ השקעות.

השפעת גודל המדגם על רוחב המרווח

n SE = 6.2/√n 95% מרווח
25 1.240 ±2.43
100 0.620 ±1.22
400 0.310 ±0.61
900 0.207 ±0.41

חישוב n נדרש: אם רוצים מרווח של ±1 ס"מ ברמת 95%:

z · σ/√n ≤ 1 → 1.96 × 6.2/√n ≤ 1 → √n ≥ 1.96×6.2 → √n ≥ 12.15 → n ≥ 148


מרווח הסמך בסקר הבחירות הישראלי

הדוגמה שחיכיתם לה. בסקר על תמיכה במפלגה: n=500, x̄ = 0.33 (33%), σ ≈ 0.47 (מוגדר מניחוש סטיית-תקן מקסימלית לבינארי).

SE = 0.47/√500 = 0.47/22.36 = 0.021 (כ-2.1%)

מרווח 95%: 0.33 ± 1.96 × 0.021 = 0.33 ± 0.041 ≈ 29%–37%

זה מה שאומר "±4 נקודות אחוז" שרואים בחדשות. לא עגלו ל-±3 — רק הדגימו את הרעיון.


הבעיה ההופכית כמה גדול צריך המדגם להיות?

כל סקר בחירות בישראל מתפרסם עם "טעות דגימה" של בערך ארבעה אחוזים, וכמעט תמיד מאחוריו מדגם של 500 עד 700 נשאלים. למה דווקא בסדר-גודל הזה? מי שהבין את הפרק הזה עד כאן יודע לפתור את השאלה הרגילה: נתון מדגם, מצא את המרווח. אבל בעולם האמיתי השאלה לרוב הפוכה — קודם מחליטים כמה דיוק רוצים, ורק אז שואלים כמה גדול המדגם שיספק אותו. זו השאלה שעונה על "כמה אנשים צריך לדגום".

נחזור למנגנון. רוחב חצי-המרווח — המרחק מן האומדן אל קצה המרווח, שנקרא לו השוליים — הוא מספר סטיות-התקן (לפי רמת הסמך) כפול סטיית התקן של הממוצע:

E = z cdot frac{sigma}{sqrt{n}}

עד עכשיו חיפשנו את E מתוך n נתון. אבל בשאלה ההפוכה E הוא הנתון — הדיוק שאנחנו דורשים — ו-n הוא הנעלם. נבודד אותו באלגברה פשוטה:

n = left( frac{z cdot sigma}{E} right)^{2}

שלושה גורמים קובעים את גודל המדגם: רמת הסמך שדורשים (z), הפיזור הטבעי של התופעה (sigma), והדיוק שרוצים (E). שניים מהם בשליטתנו, אחד אינו.

דוגמה פתורה — כמה נמדדים למרווח רצוי

נניח שקופת חולים רוצה לאמוד את זמן ההמתנה הממוצע במוקד הטלפוני שלה. ממדידות העבר ידוע שסטיית התקן של זמן ההמתנה היא כ-14 דקות. ההנהלה רוצה אומדן ברמת סמך של 95% (כלומר z = 1.96), עם דיוק של ארבע דקות לכל כיוון. כמה שיחות צריך לדגום?

n = left( frac{1.96 cdot 14}{4} right)^{2} = (6.86)^{2} = 47.06

גודל מדגם חייב להיות מספר שלם, ותמיד מעגלים אותו כלפי מעלה — עיגול כלפי מטה היה מרחיב את המרווח מעבר לדיוק שביקשנו. לכן נדגום 48 שיחות. נוודא שזה אכן עובד: סטיית התקן של הממוצע ב-48 שיחות היא 14/sqrt{48} = 2.02 דקות, והשוליים יוצאים 1.96 cdot 2.02 = 3.96 דקות — כמעט בדיוק ארבע הדקות שביקשנו, ומעט פחות, בזכות העיגול כלפי מעלה.

המחיר של דיוק — הקשר אינו ליניארי

כאן מסתתר השיעור החשוב של הפרק. נניח שההנהלה רוצה להכפיל את הדיוק — מרווח של שתי דקות בלבד לכל כיוון במקום ארבע. אינטואיציה תמימה תאמר "אז נכפיל את המדגם". אבל n תלוי בריבוע של E, ולכן חצי-שוליים דורש פי ארבעה נמדדים:

n = left( frac{1.96 cdot 14}{2} right)^{2} = (13.72)^{2} = 188.24 ;Rightarrow; 189

48 שיחות נתנו דיוק של ארבע דקות; 189 שיחות נדרשות כדי לחתוך אותו לשתיים. כל הכפלה של הדיוק מרבעת את העלות. זו הסיבה שסקרים מסחריים נעצרים על דיוק של שלושה-ארבעה אחוזים: לרדת מתחת לזה עולה הרבה יותר מדי, על שיפור שולי.

אותו היגיון חל על רמת הסמך. אם נדרוש ביטחון גבוה יותר — 95% במקום 90%, או אפילו 99% — מספר סטיות-התקן z גדל, ואיתו המדגם. עבור אותו דיוק של ארבע דקות, ברמת סמך של 99% (z = 2.576) נצטרך:

n = left( frac{2.576 cdot 14}{4} right)^{2} = 81.29 ;Rightarrow; 82

אותו דיוק בדיוק, אבל ביטחון גבוה יותר — וכבר צריך כמעט להכפיל את המדגם מ-48 ל-82. ביטחון, גם הוא, עולה כסף.

אותה נוסחה, תופעה אחרת

הנוסחה אינה תלויה בנושא — רק במספרים. ניקח את מפעל הצמיגים מן הדוגמאות הקודמות בפרק, שבו סטיית התקן של הלחץ המקסימלי ידועה ושווה ל-0.7 אטמוספרה. נניח שאנחנו רוצים לאמוד את הלחץ הממוצע בדיוק של עשירית אטמוספרה לכל כיוון, ברמת סמך של 95%. כמה צמיגים לבדוק?

n = left( frac{1.96 cdot 0.7}{0.1} right)^{2} = (13.72)^{2} = 188.24 ;Rightarrow; 189

189 צמיגים. ואם נסתפק ברמת סמך של 90% (z = 1.64, הערך שבו הפרק משתמש), המדגם הנדרש מצטמצם ל-132 — ויתור קטן על ביטחון, חיסכון של כמעט שליש בבדיקות. הערה אחת לסיום: הנוסחה הזו מניחה שסטיית התקן ידועה מראש. כשהיא אינה ידועה — המצב השכיח בשטח — נצטרך לאמוד אותה תוך כדי, וזה כבר מוביל אל התפלגות אחרת (התפלגות t) שבפרק הבא.

שלושת הגורמים האלה הם הידיות שביד הדוגם: כמה דיוק (E), כמה ביטחון (z), וכמה רחבה התופעה מלכתחילה (sigma). את הפיזור הטבעי איננו יכולים לשנות — הוא תכונה של העולם. אבל את הדיוק ואת הביטחון אנחנו בוחרים, ובכל בחירה כזו אנחנו למעשה מתמחרים את גודל המדגם. השאלה "כמה אנשים לדגום" אינה שאלה טכנית — היא החלטה על כמה אנחנו מוכנים לשלם עבור ודאות.

מה זה אומר עבורך

הפעם הבאה שתראו ±3 בסקר — תדעו: זו לא הערכה שרירותית. זו נוסחה עם ארבעה מספרים: ממוצע המדגם, סטיית-תקן, גודל המדגם, ורמת הביטחון שנבחרה. שינוי אחד מהם — המרווח משתנה. הסקרים שבוחרים ב-95% ואומרים ±3 — בוחרים לא להסביר זאת לציבור. עכשיו אתם יודעים.


סיכום

גורם כיוון השפעה על רוחב המרווח
n גדל מרווח מצטמצם (÷√n)
σ גדל מרווח מתרחב
רמת ביטחון עולה מרווח מתרחב

הנוסחה: x̄ ± z_(α/2) · (σ/√n). בפרק הבא — בדיקת השערות: לא רק "מה הטווח?" אלא "האם הממוצע שמדדנו שונה מספיק מהממוצע הנטען?"

גילוי נאות: התוכן באתר אינו ייעוץ פיננסי, פנסיוני, מסים או השקעות. החלטות פיננסיות אישיות מומלץ לקבל בליווי בעל מקצוע מוסמך.