Introduction à l'échantillonnage et à l'estimation
Population, échantillon et fluctuation d'échantillonnage
En statistiques, une population désigne l'ensemble de tous les individus ou objets que nous souhaitons étudier. Par exemple, tous les lycéens de France, toutes les ampoules produites par une usine, ou tous les électeurs d'un pays. Il est souvent impossible d'observer la totalité de cette population.
Un échantillon est un sous-ensemble de cette population, sélectionné de manière à être représentatif. Par exemple, 1000 lycéens tirés au sort parmi tous les lycéens de France. La manière dont l'échantillon est choisi est cruciale pour la validité des conclusions. Un échantillon doit être aléatoire et de taille suffisante.
La taille d'échantillon () est le nombre d'individus ou d'observations dans l'échantillon. Une taille d'échantillon plus grande tend à donner des résultats plus fiables.
La fluctuation d'échantillonnage est un concept clé : si nous prélevons plusieurs échantillons de même taille dans la même population, les caractéristiques observées dans chacun de ces échantillons (par exemple, la proportion d'une certaine propriété) ne seront pas exactement les mêmes. Il y aura une certaine variabilité. Cette variabilité est naturelle et attendue ; elle n'est pas due à une erreur de mesure, mais au simple fait que l'on travaille avec un sous-ensemble de la population. C'est cette fluctuation qui nous empêche de tirer des conclusions avec une certitude absolue, mais nous permet de le faire avec une certaine probabilité.
Fréquence observée et proportion théorique
Lorsque nous étudions une caractéristique dans un échantillon, nous parlons de fréquence observée. C'est le rapport entre le nombre d'individus de l'échantillon présentant cette caractéristique et la taille totale de l'échantillon. Par exemple, si sur 1000 lycéens interrogés, 600 déclarent aimer les mathématiques, la fréquence observée est .
La proportion théorique (ou proportion réelle, notée ) est la vraie proportion de cette caractéristique dans l'ensemble de la population. C'est une valeur inconnue que nous cherchons souvent à estimer. Dans notre exemple, c'est la proportion réelle de tous les lycéens de France qui aiment les mathématiques.
La fréquence observée est une estimation de la proportion théorique . Plus l'échantillon est grand et bien choisi, plus la fréquence observée sera proche de la proportion théorique. La fréquence observée est une variable aléatoire, tandis que la proportion théorique est une constante (inconnue).
Le lien avec la probabilité est direct : si on tire un individu au hasard de la population, la probabilité qu'il présente la caractéristique étudiée est égale à la proportion théorique .
Intervalle de fluctuation asymptotique (IFA)
L'intervalle de fluctuation asymptotique (IFA) pour une proportion est un intervalle qui donne une idée de la variabilité attendue de la fréquence observée dans un échantillon, si la proportion théorique de la population est connue. Il est utilisé pour déterminer si une fréquence observée dans un échantillon est "normale" ou "exceptionnelle" par rapport à une proportion théorique donnée.
L'utilité principale de l'IFA est de servir de base aux tests d'hypothèses. Il permet de dire si un échantillon est compatible avec une certaine proportion supposée pour la population.
La formule de l'IFA au seuil de 95% pour la fréquence observée d'un échantillon de taille , connaissant la proportion de la population, est : Ce provient de la loi normale centrée réduite et correspond à l'intervalle centré qui contient 95% des valeurs.
Les conditions d'application de cet IFA sont cruciales :
- L'échantillon doit être aléatoire et indépendant.
- La taille de l'échantillon doit être suffisamment grande. On exige généralement :
- Si ces conditions sont remplies, on peut considérer que la distribution de la fréquence observée est approximativement normale.
Si la fréquence observée de l'échantillon tombe en dehors de cet intervalle, il est peu probable (moins de 5% de chance) que l'échantillon provienne d'une population ayant la proportion supposée.


