Выборка и генеральная совокупность. Центральная предельная теорема

Поговорим о том, что такое выборка и генеральная совокупность, чем они отличаются, и возможно ли определить генеральную совокупность при ограниченном наборе данных.

Давайте представим, что у нас стоит задача получить количественные данные (quantitative data) о росте всех мужчин в России. Когда мы говорим о количественных данных, мы всегда говорим о каком-нибудь числовом значении. Приступив к делу, можем начать опрашивать мужчин на улице, помещая полученные данные, к примеру, в Python-список:

# данные по 1000 респондентов в сантиметрах
[185.0, 179.0, 186.0, 195.0, 178.0, 178.0, 196.0, 188.0, 175.0, 185.0, 175.0, 175.0, 182.0, 161.0, 163.0, 174.0, 170.0, 183.0, 171.0, 166.0, 195.0, 178.0, 181.0, 166.0, 175.0, 181.0, 168.0, 184.0, 174.0, 177.0, 174.0, 199.0, 180.0, 169.0, 188.0, 168.0, 182.0, 160.0, 167.0, 182.0, 187.0, 182.0, 179.0, 177.0, 165.0, 173.0, 175.0, 191.0, 183.0, 162.0, 183.0, 176.0, 173.0, 186.0, 190.0, 189.0, 172.0, 177.0, 183.0, 190.0, 175.0, 178.0, 169.0, 168.0, 188.0, 194.0, 179.0, 190.0, 184.0, 174.0, 184.0, 195.0, 180.0, 196.0, 154.0, 188.0, 181.0, 177.0, 181.0, 160.0, 178.0, 184.0, 195.0, 175.0, 172.0, 175.0, 189.0, 183.0, 175.0, 185.0, 181.0, 190.0, 173.0, 177.0, 176.0, 165.0, 183.0, 183.0, 180.0, 178.0, 166.0, 176.0, 177.0, 172.0, 178.0, 184.0, 199.0, 182.0, 183.0, 179.0, 161.0, 180.0, 181.0, 205.0, 178.0, 183.0, 180.0, 168.0, 191.0, 188.0, 188.0, 171.0, 194.0, 166.0, 186.0, 202.0, 170.0, 174.0, 181.0, 175.0, 164.0, 181.0, 169.0, 185.0, 171.0, 195.0, 172.0, 177.0, 188.0, 168.0, 182.0, 193.0, 164.0, 182.0, 183.0, 188.0, 168.0, 167.0, 185.0, 183.0, 183.0, 183.0, 173.0, 182.0, 183.0, 173.0, 199.0, 185.0, 168.0, 187.0, 170.0, 188.0, 192.0, 172.0, 190.0, 184.0, 188.0, 199.0, 178.0, 172.0, 171.0, 172.0, 179.0, 183.0, 183.0, 188.0, 180.0, 195.0, 177.0, 207.0, 186.0, 171.0, 169.0, 185.0, 178.0, 187.0, 185.0, 179.0, 172.0, 165.0, 176.0, 189.0, 182.0, 168.0, 182.0, 184.0, 171.0, 182.0, 181.0, 169.0, 184.0, 186.0, 191.0, 191.0, 166.0, 171.0, 185.0, 185.0, 185.0, 219.0, 186.0, 191.0, 190.0, 187.0, 177.0, 188.0, 172.0, 178.0, 175.0, 181.0, 203.0, 161.0, 187.0, 164.0, 175.0, 191.0, 181.0, 169.0, 173.0, 187.0, 173.0, 182.0, 180.0, 173.0, 201.0, 186.0, 160.0, 182.0, 173.0, 189.0, 172.0, 179.0, 185.0, 189.0, 168.0, 177.0, 175.0, 173.0, 198.0, 184.0, 167.0, 189.0, 201.0, 190.0, 165.0, 175.0, 193.0, 173.0, 184.0, 188.0, 171.0, 179.0, 148.0, 170.0, 177.0, 168.0, 196.0, 166.0, 176.0, 181.0, 194.0, 166.0, 192.0, 180.0, 170.0, 185.0, 182.0, 174.0, 181.0, 176.0, 181.0, 187.0, 196.0, 168.0, 201.0, 160.0, 178.0, 186.0, 183.0, 174.0, 178.0, 175.0, 174.0, 188.0, 184.0, 173.0, 189.0, 183.0, 188.0, 186.0, 172.0, 174.0, 187.0, 186.0, 180.0, 181.0, 193.0, 174.0, 185.0, 178.0, 178.0, 191.0, 188.0, 188.0, 193.0, 180.0, 187.0, 177.0, 183.0, 179.0, 181.0, 186.0, 172.0, 201.0, 170.0, 168.0, 192.0, 188.0, 186.0, 186.0, 180.0, 171.0, 181.0, 173.0, 190.0, 179.0, 172.0, 177.0, 184.0, 174.0, 172.0, 182.0, 182.0, 175.0, 175.0, 182.0, 166.0, 166.0, 173.0, 178.0, 183.0, 195.0, 189.0, 178.0, 180.0, 170.0, 180.0, 177.0, 183.0, 172.0, 185.0, 195.0, 179.0, 184.0, 187.0, 176.0, 182.0, 180.0, 181.0, 172.0, 180.0, 185.0, 195.0, 190.0, 202.0, 172.0, 189.0, 182.0, 202.0, 172.0, 172.0, 174.0, 159.0, 175.0, 172.0, 182.0, 183.0, 199.0, 190.0, 174.0, 171.0, 185.0, 167.0, 198.0, 192.0, 175.0, 163.0, 194.0, 179.0, 192.0, 164.0, 174.0, 180.0, 180.0, 175.0, 186.0, 169.0, 179.0, 181.0, 185.0, 187.0, 169.0, 165.0, 193.0, 183.0, 173.0, 196.0, 181.0, 192.0, 181.0, 201.0, 198.0, 178.0, 190.0, 186.0, 194.0, 170.0, 187.0, 191.0, 162.0, 168.0, 160.0, 177.0, 187.0, 195.0, 181.0, 196.0, 166.0, 163.0, 179.0, 184.0, 180.0, 159.0, 179.0, 167.0, 187.0, 184.0, 171.0, 175.0, 169.0, 179.0, 190.0, 170.0, 185.0, 175.0, 172.0, 179.0, 170.0, 174.0, 168.0, 200.0, 180.0, 173.0, 182.0, 179.0, 178.0, 186.0, 188.0, 175.0, 174.0, 177.0, 157.0, 165.0, 194.0, 196.0, 178.0, 186.0, 183.0, 211.0, 191.0, 179.0, 170.0, 164.0, 182.0, 172.0, 166.0, 174.0, 169.0, 197.0, 189.0, 180.0, 195.0, 181.0, 171.0, 195.0, 185.0, 170.0, 178.0, 171.0, 166.0, 189.0, 199.0, 166.0, 186.0, 173.0, 175.0, 174.0, 171.0, 180.0, 172.0, 183.0, 179.0, 178.0, 171.0, 174.0, 188.0, 185.0, 170.0, 181.0, 188.0, 163.0, 185.0, 173.0, 186.0, 172.0, 162.0, 164.0, 180.0, 183.0, 171.0, 186.0, 163.0, 179.0, 168.0, 173.0, 180.0, 171.0, 176.0, 190.0, 174.0, 188.0, 169.0, 185.0, 194.0, 155.0, 172.0, 186.0, 178.0, 184.0, 174.0, 181.0, 178.0, 192.0, 183.0, 183.0, 176.0, 175.0, 176.0, 184.0, 176.0, 183.0, 201.0, 189.0, 177.0, 192.0, 176.0, 160.0, 170.0, 161.0, 176.0, 180.0, 197.0, 183.0, 178.0, 188.0, 158.0, 182.0, 188.0, 165.0, 191.0, 183.0, 176.0, 186.0, 203.0, 182.0, 182.0, 175.0, 172.0, 188.0, 171.0, 181.0, 175.0, 185.0, 183.0, 190.0, 175.0, 177.0, 170.0, 176.0, 184.0, 188.0, 171.0, 189.0, 194.0, 184.0, 199.0, 172.0, 168.0, 162.0, 195.0, 187.0, 179.0, 183.0, 169.0, 204.0, 181.0, 181.0, 187.0, 185.0, 182.0, 172.0, 185.0, 199.0, 193.0, 196.0, 175.0, 170.0, 179.0, 181.0, 191.0, 163.0, 195.0, 178.0, 176.0, 170.0, 163.0, 188.0, 181.0, 167.0, 167.0, 177.0, 197.0, 177.0, 165.0, 178.0, 177.0, 153.0, 179.0, 178.0, 187.0, 198.0, 191.0, 177.0, 169.0, 206.0, 181.0, 180.0, 180.0, 182.0, 179.0, 174.0, 175.0, 180.0, 175.0, 173.0, 181.0, 177.0, 195.0, 153.0, 191.0, 192.0, 159.0, 177.0, 176.0, 166.0, 172.0, 169.0, 198.0, 189.0, 193.0, 187.0, 169.0, 175.0, 185.0, 168.0, 187.0, 178.0, 176.0, 187.0, 184.0, 176.0, 192.0, 169.0, 186.0, 186.0, 177.0, 183.0, 167.0, 189.0, 178.0, 175.0, 190.0, 173.0, 166.0, 164.0, 186.0, 167.0, 198.0, 159.0, 197.0, 182.0, 179.0, 175.0, 184.0, 180.0, 191.0, 181.0, 182.0, 176.0, 179.0, 183.0, 163.0, 167.0, 187.0, 182.0, 178.0, 180.0, 183.0, 175.0, 172.0, 182.0, 170.0, 184.0, 163.0, 190.0, 185.0, 183.0, 190.0, 197.0, 190.0, 162.0, 167.0, 174.0, 180.0, 185.0, 173.0, 182.0, 172.0, 174.0, 166.0, 171.0, 166.0, 170.0, 191.0, 171.0, 206.0, 185.0, 182.0, 171.0, 187.0, 174.0, 181.0, 206.0, 179.0, 191.0, 173.0, 180.0, 198.0, 174.0, 198.0, 187.0, 174.0, 186.0, 190.0, 186.0, 164.0, 173.0, 178.0, 179.0, 186.0, 182.0, 167.0, 184.0, 186.0, 186.0, 191.0, 188.0, 185.0, 179.0, 163.0, 184.0, 182.0, 183.0, 167.0, 169.0, 191.0, 180.0, 187.0, 180.0, 180.0, 189.0, 175.0, 181.0, 175.0, 176.0, 177.0, 182.0, 175.0, 193.0, 171.0, 178.0, 176.0, 194.0, 182.0, 190.0, 165.0, 183.0, 189.0, 181.0, 191.0, 175.0, 194.0, 203.0, 176.0, 176.0, 195.0, 196.0, 175.0, 176.0, 177.0, 167.0, 171.0, 170.0, 172.0, 180.0, 182.0, 196.0, 170.0, 190.0, 178.0, 180.0, 187.0, 169.0, 184.0, 182.0, 185.0, 183.0, 205.0, 174.0, 175.0, 174.0, 174.0, 174.0, 192.0, 194.0, 174.0, 172.0, 185.0, 174.0, 186.0, 182.0, 165.0, 195.0, 198.0, 174.0, 176.0, 183.0, 183.0, 187.0, 200.0, 178.0, 172.0, 166.0, 173.0, 180.0, 198.0, 175.0, 182.0, 180.0, 192.0, 205.0, 175.0, 175.0, 190.0, 187.0, 198.0, 186.0, 176.0, 186.0, 191.0, 188.0, 185.0, 191.0, 192.0, 194.0, 186.0, 178.0, 181.0, 192.0, 172.0, 184.0, 176.0, 180.0, 193.0, 182.0, 180.0, 166.0, 187.0, 186.0, 202.0, 177.0, 182.0, 182.0, 196.0, 179.0, 183.0, 186.0, 182.0, 176.0, 182.0, 191.0, 170.0, 181.0, 173.0, 192.0, 165.0, 174.0, 184.0, 196.0, 179.0, 174.0, 199.0, 166.0, 158.0, 184.0, 175.0, 170.0, 187.0, 182.0, 174.0, 167.0, 189.0, 187.0, 179.0, 198.0, 169.0, 165.0, 173.0, 180.0, 182.0, 178.0, 184.0, 167.0, 194.0, 179.0, 191.0, 183.0, 185.0, 186.0, 184.0, 186.0, 193.0, 182.0, 187.0, 179.0, 194.0, 173.0, 198.0, 180.0, 166.0, 181.0, 173.0, 188.0, 173.0, 176.0, 161.0, 175.0, 156.0, 164.0, 188.0, 188.0, 184.0, 170.0, 180.0, 180.0, 168.0, 195.0, 189.0, 178.0, 180.0, 182.0, 160.0, 178.0, 173.0, 170.0, 177.0, 198.0, 186.0, 174.0, 186.0]

Опросив тысячу респондентов, можем ли мы сказать, что полученные результаты полностью отражают фактические показатели роста всех российских мужчин? Нет, не можем, ведь мы же не измеряли рост каждого человека. То есть на первый взгляд задача кажется нереализуемой.

По сути, те мужчины, которых удалось измерить, попали в выборку (sample). А все российские мужчины — это генеральная совокупность (population).

Но можно ли вообще хоть как-то определить генеральную совокупность, имея ограниченный набор данных? На самом деле, да. Существует теоретическое обоснование этой возможности и называется оно Центральной предельной теоремой.

Центральная предельная теорема

Central Limit Theorem говорит, что при множественном выборочном сборе данных среднее средних всех полученных выборок (распределение средних) станет стремиться к среднему генеральной совокупности. Давайте рассмотрим, как это может выглядеть на практике.

Возьмем несколько выборок из одной генеральной совокупности и узнаем среднее из каждой выборки.

Теперь посчитаем среднее арифметическое средних наших выборок. Мы получим новое среднее значение, которое станет стремиться к среднему генеральной совокупности (для обозначения используется греческая буква μ, "мю").

Что из этого всего следует? На самом деле, очень важная вещь: по факту мы получили возможность сказать что-либо определенное про ту величину, которую в принципе невозможно охватить измерением.

По материалам сайта https://www.dmitrymakarov.ru/intro/.