Математическое ожидание (среднее) среднего арифметического (выборочного среднего), рассчитанного по выборке объема , отобранной из совокупности, равно истинному среднему совокупности, т.е.
. (1)
Стандартное отклонение выборочного среднего равно истинному стандартному отклонению совокупности, деленному на корень из , т.е.
. (2)
В большинстве случаев при 5 распределение выборочных средних может быть аппроксимировано нормальным распределением.
Если предположить, что выборка содержит приблизительно 20 или более элементов, можно сделать следующее заключение. Так как изменяется в соответствии с нормальным распределением со средним и стандартным отклонением , то маловероятно, что в любой случайной выборке разность () будет больше и почти невероятно, что она будет больше . Следовательно, скорее всего выборочное среднее не будет отличаться от истинного среднего соответствующей совокупности больше чем на . В тех случаях, когда стандартное отклонение неизвестно, часто используют его оценку, полученную по выборке.