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"통계적으로 유의미함" 대 "실질적으로 유의미함"

여러분,

지난 가을 선거를 지켜보면서 특정 여론조사가 다음과 같은 결과가 나왔다는 소식을 자주 들었습니다. 통계적으로 유의미한. 예를 들어, 1,000명을 대상으로 한 여론조사에서 A 후보가 51 대 49%로 B 후보를 앞섰지만 그 결과는 통계적으로 유의미하지 않았습니다. 오차 범위(MOE) 는 3%를 조금 넘었습니다. 이와 같은 예는 통계적 유의성이 중요하다는 느낌을 주는 것은 당연합니다. 그러나 표본 크기가 매우 큰 경우 이러한 유의성은 오해의 소지가 있을 수 있습니다. 이전에 이 주제에 대해 블로그에 올린 적이 있지만, 특히 정량적 예시를 통해 반복해서 설명할 필요가 있습니다.

이 예시를 위해 SMT 업계의 몇 가지 데이터를 살펴보겠습니다. 엔지니어가 3가지 솔더 페이스트의 성능을 평가하고자 한다고 가정해 보겠습니다. 전송 효율성 (TE). 목표 값은 100%입니다. 붙여넣기 1의 TE는 98%, 붙여넣기 2의 TE는 97%, 붙여넣기 3의 TE는 86%입니다. 모든 페이스트에 대한 데이터의 표준 편차는 20%입니다. 안타깝게도 그녀의 회사는 아직 현대식 SPI(솔더 페이스트 검사) 타입의 부피 측정 장치로 모든 솔더 페이스트 침전물을 현미경으로 측정해야 합니다. 따라서 그녀는 각 페이스트에 대해 20개의 샘플만 측정합니다. 위의 데이터와 각각 20개의 샘플을 가지고 통계 계산을 수행하여 95% 신뢰도로 페이스트 1과 2의 TE에 통계적으로 유의미한 차이가 없지만 두 페이스트가 모두 페이스트 3보다 우수하다는 것을 보여줄 수 있습니다.

하지만 한 달 후 회사에서 SPI 툴을 구입합니다. 이 도구는 솔더 페이스트 침전물을 매우 빠르게 스캔할 수 있어서 그녀는 3개의 페이스트 각각에 대해 20,000개의 침전물을 스캔합니다. SPI가 정확히 동일한 결과, 즉 페이스트 1의 TE가 98%, 페이스트 2의 TE가 97%, 페이스트 3의 TE가 86%로 나온다는 점은 위안이 됩니다. 모든 페이스트는 여전히 20%의 표준 편차를 보입니다.

그럼 결과는 같겠죠? 아니요. 물론 페이스트 1과 페이스트 2가 여전히 페이스트 3을 이겼지만, 이 경우에는 페이스트 1이 페이스트 2보다 통계적으로 우월합니다. 실제로 붙여넣기 2의 TE가 97.67%라고 하더라도 붙여넣기 1이 95% 신뢰도로 붙여넣기 2보다 통계적으로 우월합니다.

이러한 변화의 원인은 무엇인가요? 표본 크기와 관련이 있습니다. 평균의 95% 신뢰 구간 (CIM)은 부분적으로 표준 편차를 표본 크기의 제곱근으로 나눈 값에 의해 결정됩니다. 이 용어는 평균의 표준 오차 (SEM).

샘플 크기가 커질수록 SEM은 작아집니다. 그림 1은 평균의 샘플링 분포 은 표본 크기가 20인 경우 붙여넣기 1과 2에 대해, 그림 2는 표본 크기가 20,000인 경우를 보여줍니다. 각 분포의 평균에 대한 신뢰 구간은 화살표가 있는 선으로 표시되어 있습니다. 그림 1에서 표본 크기가 20인 경우 CIM이 강하게 중첩되어 통계적 차이가 없음을 알 수 있습니다. 반면, 그림 2에서는 CIM이 크게 분리되어 있어 이 두 분포가 통계적으로 크게 다르다는 것을 알 수 있습니다.

Distribution plot of two normal curves with means near 98, showing a dashed interval bracket.

그림 1. 표본 크기가 20인 과거 1과 2에 대한 평균의 샘플링 분포입니다. 평균의 95% 신뢰 구간(CIM)은 화살표 선으로 표시되어 있습니다. CIM이 겹치므로 통계적 차이가 있음을 알 수 있습니다.

Distribution plot of two normal curves, one blue centered near 97 and one red dashed centered near.

그림 2. 표본 크기가 20,000인 과거 1과 2에 대한 평균의 샘플링 분포입니다. 평균의 95% 신뢰 구간(CIM)은 화살표 선으로 표시되어 있습니다. CIM이 겹치지 않으므로 통계적으로 유의미한 차이가 있음을 알 수 있습니다.

이 상황은 우리에게 어떤 결과를 가져올까요?

표본 크기가 20,000개일 때 평균 TE가 98%인 경우와 97.67%인 경우 사이에 통계적으로 유의미한 차이가 있다고 말할 수 있다면 그 값에 의문을 제기해야 합니다. 예를 들어 경영진이 솔더 페이스트 구매 시 TE가 가장 중요한 변수라고 결정했다고 가정해 보겠습니다. 또한 페이스트 1의 TE가 98%이고 페이스트 2의 TE가 통계적으로 다른 97.67%라고 가정해 봅시다. 하지만 페이스트 1은 일시 정지에 대한 반응이 매우 낮습니다. 또한 다른 모든 성능 지표가 동일하다고 가정해 봅시다. 이 경우 붙여넣기 1과 2의 TE는 "실질적으로 크게" 다르지 않으므로 동일하게 간주해야 한다고 주장하고 싶습니다. 붙여넣기 2의 일시 정지 성능에 더 우수한 응답을 더하면 붙여넣기 2가 승자가 됩니다.

"실질적 중요성"은 어떻게 결정되나요? 사례마다 다르겠지만, TE의 경우 2~5% 범위의 차이는 실질적으로 유의미하지 않다고 주장하고 싶습니다. 대부분의 경우 엔지니어링은 몇 가지 실험을 통해 '실질적인 중요성'을 결정해야 합니다. 하지만 수천 개의 데이터 포인트를 측정할 수 있는 SPI 장치와 같은 최신 도구를 사용하면 통계적 차이와 실제적 차이의 이분법을 이해할 필요성이 점점 더 커지고 있음을 알 수 있습니다.

최근 샘플 크기가 20,000개가 넘는 일부 TE 데이터를 분석하면서 이러한 상황이 더욱 실감났습니다.

건배,

론 박사