第二章误差理论与数据处理
权的计算
将各组的权予以约简,用简单的数值来
表示各组的权,如设 x
1
0.05, x2 0.2, x3 0.1,
则 p1 : p2 : p3 16 : 1 : 4 ,则
p1 16, p2 1, p3 4
(3)加权算术平均值
x1
l
i 1
n1
1i
n1
n1
, x2
ˆ dn
极差法可迅速算出标准差,并且有一定 精度,一般在n<10均可采用,不象Bessel或 Peters法那样求算术平均值,残余误差那么麻 烦。
(4)最大误差法
当多个独立测量值服从正态分布时,可用 下式求得的标准差的无偏估计:
ˆ vi
max ' n
k
最大误差法简单、迅速、方便,且n<10时, 该法具有一定精度。在代价较高的破坏性实验 中一般只容许进行一次实验,且需估计精度情 形下,则该法则特别有用。
分布。
高斯公布的四个特点
对称性:正误差与负误差出现的次数在绝对值相
等时一样。
单峰性:绝对值小的误差出现的次数比绝对值大
的误差出现的次数多。
有界性:在一定测量条件下,随机误差的绝对值
不会超过一定界限。
抵偿性:随着测量次数的增加,随机误差的算术
实际上真值一般情况下是 未知,在有限次测量下,用残 余误差代替随机误差可得到标 准差的估计值:
ˆ
v
i 1
n
2 i
n 1
该证明如下:
(一)构建残余误差与随机误差之间的关系:
i li L0
i li x x l0 vi x vi li x
依据算术平均值的定义计算算术平均值既 烦琐又易产生错误,可用下列简便方法计算:
任选一个 接近所有测量值的数 (称为中数) 作为参考值,计算每个测得值 li 与中数 l0 的差 值 li li l0 i 1, 2,, n 因
x
l
i 1
n
i
n
x0
l
i 1
n
i
n
则 x l0 x0 x0 当 l0 取值合适时因前后相减而变得好计算。
x xi x
i
单位权化可得:
pi vxi pi xi pi x
已成为等精度测量列, pi vx 也成为等精度测量 列,将 pi vx 代入等精度测量列求标准查的公式中,就 有
pi xi
i
i
pv
i 1 i
m
2 xi
m 1
x
i 1
m
2 pi vx i m
( m 1 ) pi
但是由于存在有效数字舍入的情况,实际 得到的可能是经过凑整的非准确数,存在舍入 误差 即 舍前值
x
n
l
i 1
i
n
v
i 1
n
i
n
舍后值
规则一
当n为偶数时:
n vi A 2 i 1
n
当n为奇数时:
n vi ( 0.5) A 2 i 1
n
式中的A为实际求得的算术平均值末位数 的一个单位。
(2)计算校核
算术平均值及其残余误差的计算是否正确, 可用残余误差代数和性质进行校核。 n 因 li
x
i 1
于是
n
n
vi li x ,
i 1, 2,......n
v l x nx nx 0
i 1 i i 1 i i 1
n
n
残余误差代数和为零的性质可作为校核算术 平均值及其残余误差计算是否正确的依据。
i
x
n
x x
ni
i
i
n
i 1
m
i
为什么要权单位化?
当 不可知时,各组测量结果 的残余误差为 x xi x 。 因该残余误差是不等精度的测 量列,其权不一致,为此需使得其 权位单位化。
i
单位权化的定义 单位权化的实质就是使任何
一个量值乘以自身权数的平方根, 得到新的量值权数为1。
(二)随机误差一次方与二次方的和式公式:
v n
i i
x
n x
2 2 2 2 2 v n 2 v v n i i i x x i x
(三)求平均值误差平方和的公式:
n 2 x 2 ( i )2 i 2 2 i j i 2
比较常见的。 定义:即在相同的测量条件,同一个测量者
使用相同的测量仪器和测量方法对同一测量 量进行了多组的测量。
如何求得最后的测量结果及精度?
(1)权的概念
在等精度测量中,各个测得值认为同样可 靠,既具有相同的权。在不等精度测量中,如 不同的测量次数,各组的平均值的可靠精度不 一样,最终的结果不能简单地表示为算术平均 值的形式: x
Байду номын сангаас
1 D( x ) 2 D( l1 ) D( l2 ) ...... D( ln ) n
D( l1 ) 2 1 D( x ) 2 nD( l1 ) n n n
D(l1 ) D(l2 ) ...... D(ln )
x
n
结论
在n次测量的等精度测量中,算术平均值 1 n , x 。但 的标准差是单次测量标准差 n , 也不是n越大越好,因为 n 要出较大的劳动, 而且 难保证测量条件的恒定,从而引入新 n 的误差。一般情况下去n=10为宜。
vx1 x1 x 0.5mm,vx2 0.4mm,vx3 0.1mm m 3, p1 3, p2 2, p3 5 3 ( 0.5 )2 2 ( 0.4 )2 5 ( 0.1 )2 x 0.0002mm ( 3 1 )( 3 2 5 )
测量结果为:
x 999.9420 0.0002( mm )
三、随机误差的几种分布
随机误差的分布中,最常见的是正态分布,还
有均匀分布、三角形分布、x 2 分布、 t 分布、F 分布 等。
1、正态分布
测量列的随机误差 i li L0 满足下列四个条
件的概率分布,称之为正态分布,也称高斯(Gauss)
i 1 1i j n n
i j 0
1i j
n
(四)展开随机误差平方和公式:
2 2 2 2 v n v i i i x 2 i
n 1 i 2 n vi 2
2 v i
n
n 1
2 i
n
精度低的,权低。
★不同的测量方法:测量方法完善的,权高;
测量方法低劣的,权低。 手,权低。
★不同的测量人员:经验丰富的,权高;新
这些权的确定,都基于权代表的数 值的可靠程度这一原则。
不同测量次数的不等精度测量是我
们的研究重点。因单次测量精度皆相同, 其标准差均为 表示
P i ni
i组的权用 ,第
px
i 1 m
m
i i
p
i 1
i
等精度测量是不等精度测量的特例
p1 p2 pm 1 各组的权相等时,
,可见不等精度测量是等精度测量 的特例。
x xi / m
i 1 m
(4)加权算术平均值的标准差
当单次测量的标准差 可知时 :
x
i
ni
全部 为:
n 测得值的算术平均值 x 的标准差
§2.1 随机误差
定义: 在同一测量条件下,多次测量同一量值时,
绝对值和符号的 不可预定方式变化的误差,该
数的出现没有确定的规律,但具有统计规律性。
其产生的原因不外乎有测量装置、环境方面、
人员方面等因素所造成。
二、随机误差的几个统计量
随机误差常见的几个统计量有均值、均方 值、方差等。 1、均值 均值即算术平均值。 (1)算术平均值的意义 在测量中,被测量的N 个测得值的代数和 除以N 得到的值称之为算术平均值。 设n次测得值为则算术平均值为:
3.不等精度测量
上述都是等精度测量问题,一般测量实 践中基本都属于这种类型。为了得到更为精 确的测量结果,我们便会遇到不等精度测量 问题: (一)不同的测量条件; (二)不同的测量仪器; (三)不同的测量方法; (四)不同的测量人员 (五)不同的测量次数。
测量次数的不等精度测量问题
不同的测量次数的不等精度测量问题是
pi xi
pz 1
证明:
D( Z ) PD( xi ) i
P i
2 z
2 xi
1 1 1 1 1 pz : pi 2 : 2 : z xi pi x2 x 2 pi i i 1 pz pi 1 pi
已知各组测量结果的残余误差为:
(2)测量列算术平均值的标准差
算术平均值的标准差是算术平均值作为 测量结果后其不可靠性的评定标准。 也可用于表示同一被测量的多个独立测 量列算术平均值的分散性的参数。因为各个 独立测量列的算术平均值由于随机误差的存 在也不可能相等,必在真值的上下有一定的 分散。
算术平均数值标准差公式推导
l1 l2 ...... ln x n
数时, v 为负,其大小为求 x 时的亏数;
2、方差
(1)定义:方差一般也称之为标准差,这里计 算单次测量的标准差。 在等精度测量中,单次测量的标准差按下 列公式计算: i li L0
2 2 12 2 ...... n 2 i i 1 n