误差理论与数据处理chapter.pptx

n n 三大类误差的特征、性质以及减小各类误差对测量精度影响的措施n n 掌握等精度测量的数据处理方法n n 掌握不等精度测量的数据处理方法重点与难点第1页/共90页 当对同一测量值进行多次等精度的重复测量时，得到一系列不同的测量值（常称为测量列），每个测量值都含有误差，这些误差的出现没有确定的规律，即前一个数据出现后，不能预测下一个数据的大小和方向。但就误差整体而言，却明显具有某种统计规律。随机误差是由很多暂时未能掌握或不便掌握的微小因素构成，主要有以下几方面：测量装置方面的因素 环境方面的因素 人为方面的因素零部件变形及其不稳定性，信号处理电路的随机噪声等。温度、湿度、气压的变化，光照强度、电磁场变化等。瞄准、读数不稳定，人为操作不当等。第一节随机误差一、随机误差产生的原因一、随机误差产生的原因第2页/共90页 随机误差的分布可以是正态分布，也有在非正态分布，而多数随机误差都服从正态分布。我们首先来分析服从正态分布的随机误差的特性。设被测量值的真值为，一系列测得值为，则测量列的随机误差可表示为：(2-1)式中。正态分布的分布密度与分布函数为(2-2)(2-3)式中：标准差（或均方根误差）e自然对数的底，基值为2.7182。它的数学期望为 (2-4)它的方差为：(2-5)第一节随机误差二、正态分布二、正态分布第3页/共90页其平均误差为：(2-6)此外由可解得或然误差为：(2-7)由式（2-2）可以推导出：有 ,可推知分布具有对称性，即绝对值相等的正误差与负误差出现的次数相等，这称为误差的对称性；当=0时有 ，即 ，可推知单峰性，即绝对值小的误差比绝对值大的误差出现的次数多，这称为误差的单峰性；虽然函数的存在区间是-,+，但实际上，随机误差只是出现在一个有限的区间内，即-k,+k,称为误差的有界性；随着测量次数的增加，随机误差的算术平均值趋向于零：这称为误差的补偿性。返回本章目录返回本章目录从正态分布的随机误差都具有的四个特征：对称性、单峰性、有界性、抵偿性。由于多数随机误差都服从正态分布，因此正态分布在误差理论中占有十分重要的地位。第一节随机误差第4页/共90页 图2-1为正态分布曲线以及各精度参数在图中的坐标。值为曲线上拐点A的横坐标，值为曲线右半部面积重心B的横坐标，值的纵坐标线则平分曲线右半部面积。第一节随机误差第5页/共90页 对某量进行一系列等精度测量时，由于存在随机误差，因此其获得的测量值不完全相同，此时应以算术平均值作为最后的测量结果。(一)算术平均值的意义 设 为n次测量所得的值，则算术平均值为:(2-8)(2-8)第一节随机误差三、算术平均值三、算术平均值第6页/共90页下面来证明当测量次数无限增加时，算术平均值必然趋近于真值Lo。即 由前面正态分布随机误差的第四特征可知 ，因此 由此我们可得出结论：如果能够对某一量进行无限多次测量，就可得到不受随机误差影响的测量值，或其影响很小，可以忽略。这就是当测量次数无限增大时，算术平均值（数学上称之为最大或然值）被认为是最接近于真值的理论依据。但由于实际上都是有限次测量，因此，我们只能把算术平均值近似地作为被测量的真值。第一节随机误差第7页/共90页 一般情况下，被测量的真值为未知，不可能按式（2-1）求得随机误差，这时可用算术平均值代替被测量的真值进行计算。此时的随机误差称为残余误差，简称残差：(2-9)此时可用更简便算法来求算术平均值。任选一个接近所有测得值的数 作为参考值，计算每个测得值 与 的差值：(2-10)式中的 为简单数值，很容易计算，因此按（2-10）求算术平均值比较简单。若测量次数有限，由参数估计知，算术平均值是该测量总体期望的一个最佳的估计量，即满足无偏性、有效性、一致性，并满足最小二乘法原理；在正态分布条件下满足最大似然原理。第一节随机误差第8页/共90页例例 2-12-1 测量某物理量10次，得到结果见表2-1，求算术平均值。解：任选参考值=1879.65，计算差值 和 列于表 很容易求得算术平均值 1879.64。（二）算术平均值的计算校核算术平均值及其残余误差的计算是否正确，可用求得的残余误差代数和来校核。由，式中的是根据（2-8）计算的，当求得的为未经凑整的准确数时，则有：(2-11)残余误差代数和为零这一性质，可用来校核算术平均值及其残余误差计算的正确性。但当实际得到的为经过凑整的非准确数，存在 序号123456789101879.641879.691879.601879.691879.571879.621879.641879.651879.641879.65-0.01+0.04-0.05+0.04-0.07-0.03-0.010-0.0100+0.05-0.04+0.05-0.07-0.020+0.010+0.01第一节随机误差第9页/共90页舍入误差，即有：成立。而经过分析证明，用残余误差代数和校核算术平均值及其残差，其规则为：残差代数和应符合：当，求得的为非凑整的准确数时，为零；当，求得的为非凑整的准确数时，为正，其大小为求时的余数；当，求得的为非凑整的准确数时，为负，其大小为求时的亏数。残差代数和绝对值应符合：当n为偶数时，；当n为奇数时，。式中的A为实际求得的算术平均值末位数的一个单位。以上两种校核规则，可根据实际运算情况选择一种进行校核，但大多数情况选用第二种规则可能较方便，它不需要知道所有测得值之和。第一节随机误差第10页/共90页 例例2-2 2-2 用例2-1数据对计算结果进行校核。解：因n为偶数，A0.01，由表2-1知 故计算结果正确。例例2-32-3 测量某直径11次，得到结果如表2-2所示，求算术平均值并进行校核。解：算术平均值为：取2000.067 序号(mm)(mm)12345678910112000.072000.052000.092000.062000.082000.072000.062000.052000.082000.062000.07+0.003-0.017+0.023-0.007+0.013+0.003-0.007-0.017+0.013-0.007+0.003第一节随机误差第11页/共90页用第一种规则校核，则有：用第二种规则校核，则有：故用两种规则校核皆说明计算结果正确。第一节随机误差第12页/共90页（一）均方根误差（标准偏差）（一）均方根误差（标准偏差）为什么用为什么用来作为评定随机误差的尺度？可以从高斯（正来作为评定随机误差的尺度？可以从高斯（正态）分布的分布密度态）分布的分布密度 推知：推知：令令 ，则有：，则有：高斯参数高斯参数h h为精密度。由于为精密度。由于h h值无法以实验中得到，故以值无法以实验中得到，故以值代之。值代之。第一节随机误差四、测量的标准差四、测量的标准差第13页/共90页 由于值反映了测量值或随机误差的散布程度，因此值可作为随机误差的评定尺度。值愈大，函数 减小得越慢；值愈小，减小得愈快，即测量到的精密度愈高，如图2-2所示。标准差不是测量到中任何一个具体测量值的随机误差，的大小只说明，在一定条件下等精度测量列随机误差的概率分布情况。在该条件下，任一单次测得值的随机误差，一般都不等于，但却认为这一系列测量列中所有测得值都属于同样一个标准差的概率分布。在不同条件下，对同一被测量进行两个系列的等精度测量，其标准差也不相同。第一节随机误差第14页/共90页（二）或然误差 测量列的或然误差，它将整个测量列的n个随机误差分为个数相等的两半。其中一半（n/2个）随机误差的数值落在-+范围内，而另一半随机误差的数值落在-+范围以外：，查 表，得到 时，z=0.6745，故有 其实际意义是：若有n个随机误差，则有n/2个落在区间-,+之内，而另外n/2个随机误差则落在此区间之外。（三）算术平均误差 测量列算术平均误差的定义是：该测量列全部随机误差绝对值的算术平均值，用下式表示：由概率积分可以得到与的关系：目前世界各国大多趋于采用作为评定随机误差的尺度。这是因为：的平方恰好是随机变量的数字特征之一（方差），本身又第一节随机误差第15页/共90页恰好是高斯误差方程 式中的一个参数，即 ，所以采用，正好符合概率论原理，又与最小二乘法最切合；对大的随机误差很敏感，能更准确地说明测量列的精度；极限误差与标准偏差的关系简单：；公式推导和计算比较简单。五、标准偏差的几种计算方法五、标准偏差的几种计算方法 （一）等精度测量到单次测量标准偏差的计算1 1、见塞尔、见塞尔(Bessel)(Bessel)公式公式(2-13)式中，称为算术平均值误差将它和 代入上式，则有(2-14)第一节随机误差第16页/共90页将上式对应相加得：，即(2-15)若将式(2-14)平方后再相加得：(2-16)将式(2-15)平方有：当n适当大时，可以认为 趋近于零，并将代入式(2-16)得：(2-17)由于 ，代入式(2-17)得：，即(2-18)第一节随机误差第17页/共90页2 2、别捷尔斯法、别捷尔斯法 由贝赛尔公式得：进一步得：则平均误差有：由式2-6得：故有：(2-26)此式称为别捷尔斯（Peters）公式，它可由残余误差 的绝对值之和求出单次测量的标准差 ，而算术平均值的标准差 为：(2-27)第一节随机误差第18页/共90页 例例2-42-4 用别捷尔斯法求得表2-3的标准差。解：计算得到的值分别填于表中，因此有3 3、极差法、极差法 用贝赛尔公式和别捷尔斯公式计算标准差均需先求算术平均值，再求残余误差，然后进行其他运算，计算过程比较复杂。当要求简便迅速 序号1234567891075.0175.0475.0775.0075.0375.0975.0675.0275.0575.080.0350.0050.0250.0450.015+0.045+0.015-0.025+0.005+0.0350.0012250.0000250.0006250.0020250.0002250.0020250.0002250.0006250.0000250.001225第一节随机误差第19页/共90页算出标准差时，可用极差法。若等精度多次测量测得值 服从正态分布，在其中选取最大值 与最小值 ，则两者之差称为极差：(2-28)根据极差的分布函数，可求出极差的数学期望为(2-29)因 故可得 的无偏估计值，若仍以 表示，则有(2-30)式中 的数值见表2-4。n2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 201.13 1.69 2.06 2.33 2.53 2.70 2.85 2.97 3.08 3.17 3.26 3.34 3.41 3.47 3.53 3.59 3.64 3.69 3.74第一节随机误差第20页/共90页 例例2-5 2-5 仍用表2-3的测量数据，用极差法求得标准差。解：4 4、最大误差法、最大误差法 在某些情况下，我们可以知道被测量的真值或满足规定精度的用来代替真值使用的量值（称为实际值或约定值），因而能够算出随机误差 ，取其中绝对值最大的一个值 ，当各个独立测量值服从正态分布时，则可求得关系式：(2-31)一般情况下，被测量的真值为未知，不能按（2-31）式求标准差，应按最大残余误差 进行计算，其关系式为：(2-32)式（2-31）和（2-32）中两系数 、的倒数见表2-5。第一节随机误差第21页/共90页 最大误差法简单、迅速、方便，且容易掌握，因而有广泛用途。当 时，最大误差法具有一定精度。例例2-62-6 仍用表2-3的测量数据，按最大误差法求标准差，则有，而 故标准差为n1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 151.25 0.88 0.75 0.68 0.64 0.61 0.58 0.56 0.55 0.53 0.52 0.51 0.50 0.50 0.49n16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 300.48 0.48 0.47 0.47 0.46 0.46 0.45 0.45 0.45 0.44 0.44 0.44 0.44 0.43 0.43n2 3 4 5 6 7 8 9 10 15 20 25 301.77 1.02 0.83 0.74 0.68 0.64 0.61 0.59 0.57 0.51 0.48 0.46 0.44第一节随机误差第22页/共90页 例例2-72-7 某激光管发出的激光波长经检定为 ，由于某些原因未对次检定波长作误差分析，但后来又用更精确的方法测得激光波长 ，试求原检定波长的标准差。解：因后测得的波长是用更精确的方法，故可认为其测得值为实际波长(或约定真值)，则原检定波长的随机误差 为：故标准差为：5 5、四种计算方法的优缺点、四种计算方法的优缺点 贝塞尔公式的计算精度较高，但计算麻烦，需要乘方和开方等，其计算速度难于满足快速自动化测量的需要；别捷尔斯公式最早用于前苏联列宁格勒附近的普尔科夫天文台，它的计算速度较快，但计算精度较低，计算误差为贝氏公式的1.07倍；用极差法计算，非常迅速方便，可用来作为校对公式，当n10时可第一节随机误差第23页/共90页 用来计算，此时计算精度高于贝氏公式；用最大误差法计算更为简捷，容易掌握，当n10以后，的减小很 慢。此外，由于增加测量次数难以 保证测量条件的恒定，从而引入新的 误差，因此一般情况下取n=10以内较为适宜。总之，提高测量精度，应采取适当精度的仪器，选取适当的测量次数。第一节随机误差第25页/共90页 评定算术平均值的精度标准，也可用或然误差R或平均误差T，相应公式为：(2-22)(2-23)若用残余误差表示上述公式，则有：(2-24)(2-25)例例2-8 2-8 用游标卡尺对某一尺寸测量10次，假定已消除系统误差和粗大误差，得到数据如下(单位为mm)：75.01，75.04，75.07，75.00，75.03，75.09，75.06，75.02，75.08。求算术平均值及其标准差。解：本例题中的测量数据与表2-3中的测量数据一样，表中的算术平均值为 。因为 ，第一节随机误差第26页/共90页 与表中的 结果一致，故计算正确。根据上述各个误差计算公式可得：六、测量的极限误差六、测量的极限误差 测量的极限误差是极端误差，测量结果（单次测量或测量列的算术平均值）的误差不超过该极端误差的概率为p，并使差值（1-p）可予忽略。（一）单次测量的极限误差（一）单次测量的极限误差 测量列的测量次数足够多和单次测量误差为正态分布时，根据概第一节随机误差第27页/共90页 率论知识，正态分布曲线和横坐标轴间所包含的面积等于其相应区间确定的概率，即：当研究误差落在区间（-,+）之间的概率时，则得：(2-33)将上式进行变量置换，设 经变换，上式成为：(2-34)这样我们就可以求出积分值p，为了应用方便，其积分值一般列成表格形式，称为概率函数积分值表。当t给定时，(t)值可由该表查出。现已查出t=1,2,3,4等几个特殊值的积分值，并求出随机误差不超出相应区间的概率p=2(t)和超出相应区间的概率p=1-2(t)，如表2-6所示（图24）。由表可以看出，随着t的增大，超出|的概率减小得很快。当第一节随机误差第28页/共90页 t=2，即|=2时，在22次测量中只有1次 的误差绝对值超出2范围；而当t=3，即|=3时，在370次测量中只有1次误差绝 对值超出3范围。由于在一般测量中，测 量次数很少超过几十次，因此可以认为绝对 值大于3的误差是不可能出现的，通常把 这个误差称为单次测量的极限误差 ，即 (2-35)当t3时，对应的概率p99.73。在实际测量中，有时也可取其它t值来表示单次测量的极限误差。如第一节随机误差t不超出 的概率超出 的概率测量次数n超出 的测量次数0.6712340.6712340.49720.68260.95440.99730.99990.50280.31740.04560.00270.000123223701562611111第29页/共90页 取t2.58，p99；t2，p95.44；t1.96，p95等。因此一般情况下，测量列单次测量的极限误差可用下式表示：(2-36)若已知测量的标准差，选定置信系数t，则可由上式求得单次测量的极限误差。（二）算术平均值的极限误差（二）算术平均值的极限误差 测量列的算术平均值与被测量的真值之差称为算术平均值误差 ，即 。当多个测量列的算术平均值误差 为正态分布时，根据概率论知识，同样可得测量列算术平均值的极限表达式为：(2-37)式中的t为置信系数，为算术平均值的标准差。通常取t3，则 (2-38)实际测量中有时也可取其它t值来表示算术平均值的极限误差。但当测量列的测量次数较少时，应按“学生氏”分布(“student”distribution)或称t分布来计算测量列算术平均值的极限误差，即(2-39)第一节随机误差第30页/共90页 式中的 为置信系数，它由给定的置信概率 和自由度 来确定，具体数值见附录3；为超出极限误差的概率（称显著度或显著水平），通常取 =0.01或0.02,0.05；n为测量次数；为n次测量的算术平均值标准差。对于同一测量列，按正态分布和t分布分别计算时，即使置信概率的取值相同，但由于置信系数不同，因此求得的算术平均值极限误差也不同。例例2-92-9 对某量进行6次测量，测得数据如下：802.40，802.50，802.38，802.48，802.42，802.46。求算术平均值及其极限误差。解：算术平均值 标准差 因测量次数较少，应按t分布计算算术平均值的极限误差。已知 ，取 ，则由附录表3查得 ，则有：第一节随机误差第31页/共90页 若按正态分布计算，取 ，相应的置信概率 ，由附录表1查得t2.60，则算术平均值的极限误差为：由此可见，当测量次数较少时，按两种分布计算的结果有明显的差别。七、不等精度测量七、不等精度测量 在实际测量过程中，由于客观条件的限制，测量条件是变动的，得到了不等精度测量。对于精密科学实验而言，为了得到极其准确的测量结果，需要在不同的实验室，用不同的测量方法和测量仪器，由不同的人进行测量。如果这些测量结果是相互一致的。那么测量结果就是真正可以信赖的。这是人为地改变测量条件而进行的不等精度测量。对于某一个未知量，历史上或近年来有许多人进行精心研究和精密测量，得到了不同的测量结果。我们就需要将这些测量结果进行分析研究和综合，以便得到一个最为满意的准确的测量结果。这也是不等精度测量。对于不等精度测量，计算最后测量结果及其精度（如标准差），不 第一节随机误差第32页/共90页 能套用前面等精度测量的计算公式，需推导出新的计算公式。（一）权的概念（一）权的概念 在等精度测量中，各个测量值认为同样可靠，并取所有测得值的算术平均值作为最后的测量结果。在不等精度测量中，各个测量结果的可靠程度不一样，因而不能简单地取各测量结果地算术平均值作为最后的测量结果，应让可靠程度大的测量结果在最后测量结果中占有的比重大些，可靠程度小的占比重小些。各测量结果的可靠程度可用一数值来表示，这数值即称为该测量结果的“权”，记为 ，可以理解为当它与另一些测量结果比较时，对该测量结果所给予信赖程度。（二）权的确定方法（二）权的确定方法 测量结果的权说明了测量的可靠程度，因此可根据这一原则来确定权的大小。最简单的方法可按测量的次数来确定权，即测量条件和测量者水平皆相同，则重复测量次数愈多，其可靠程度也愈大，因此完全可由测量的次数来确定权的大小，即 。假定同一被测量有m组不等精度的测量结果，这m组测量结果是从单次测量精度相同而测量次数不同的一系列测量值求得的算术平均值。因 第一节随机误差第33页/共90页 为单次测量精度皆相同，其标准差均为，则各组算术平均值的标准差为：(2-40)由此得下列等式 因为 ，故上式又可写成(2-41)或表示为(2-42)即：每组测量结果的权（）与其相应的标准偏差平方（）成反比，若已知 （各组算术平均值的标准差），则可由（2-42）得到相应 的大小。测量结果的权的数值只表示各组间的相对可靠程度，它是一个无量纲的数，允许各组的权数同时增大或减小若干倍，而各组间的比例关系不变，但通常皆将各组的权数予以约简，使其中最小的权数为不可再放简的整数，以便用简单的数值来表示各组的权。例例2-102-10 对一级钢卷尺的长度进行了三组不等精度测量，其结果为 第一节随机误差第34页/共90页 求各测量结果的权。解：由式(2-42)得 因此各组的权可取为（三）加权算术平均值（三）加权算术平均值 若对同一被测量进行m组不等精度测量，得到m个测量结果为：，设相应的测量次数为n1,n2,nm，即：(2-43)根据等精度测量算术平均值原理，全部测量的算术平均值 应为：第一节随机误差第35页/共90页 将式(2-43)代入上式得：或简写为(2-44)当各组的权相等，即 时，加权算术平均值可简化为：(2-45)由上式求得得结果即为等精度的算术平均值，由此可见等精度测量是不等精度测量得特殊情况。为简化计算，加权算术平均值可表示为：(2-46)式中的 为接近 的任选参考值。第一节随机误差第36页/共90页 例例2-112-11 工作基准米尺在连续三天内与国家基准器比较，得到工作基准米尺的平均长度为999.9425mm(三次测量的)，999.9416mm(两次测量的)，999.9419mm(五次测量的)，求最后测量结果。解：按测量次数来确定权：，选 ，则有(四四)单位权的概念单位权的概念 由式（2-41）知 ，此式又可表示为(2-47)式中 为某精度单次测量值的标准差。因此，具有同一方差 的等精度单次测量值的权数为1。若已知 ，只要确定 ，根据（2-47）式就可求出各组的方差 。由于测得值的方差 的权数为1在此有特殊用途，故称等于1的权为单位权，而 为具有单位权的测得值方差，为具有单位权的测得值标准差。利用单位权化的思想，可以将某些不等权的测量问题化为等权测量问题来处理。单位权化的实质，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。第一节随机误差第37页/共90页 例如，将不等精确测量的各组测量结果 皆乘以自身权数的平方根 ，此时得到的新值z的权数就为1。证明之：设取方差 以权数字 表示上式中的方差，则 由此可知，单位权化以后得到的新值 的权数 为1，用这种方法可以把不等精度的各组测量结果皆进行了单位权化，使该测量列转化为等精度测量列。不等精度测量列，经单位权化处理后，就可按等精度测量列来处理。第一节随机误差第38页/共90页（五）加权算术平均值的标准差（五）加权算术平均值的标准差 对同一个被测量进行 m 组不等精度测量，得到 m 个测量结果为：若已知单位权测得值的标准差，则由式（2-40）知 全部（mn个）测得值的算术平均值 的标准差为：比较上面两式可得：(2-48)因为 代入式（2-48）得(2-49)第一节随机误差第39页/共90页 当各组测得的总权数 为已知时，可由任一组的标准差 和相应的权 ，或者由单位权的标准差求得加权算术平均值的标准差 。当各组测量结果的标准差为未知时，则不能直接用式（2-49），而必须由各测量结果的残余误差来计算加权算术平均值的标准差。已知各组测量结果的残余误差为：将各组 单位权比，则有：上式中各组新值已为等精度测量列的测量结果，相应的残差也成为等精度测量列的残余误差，则可用等精度测量时的Bessel公式推导得到：(2-50)将式（2-50）代入式（2-49）得(2-51)第一节随机误差第40页/共90页 用式（2-51）可由各组测量结果的残余误差求得加权算术平均值的标准差，但是只有组数m足够多时，才能得到较为精确的 值。一般情况下的组数较少，只能得到近似的估计值。例例2-122-12 求例2-11的加权算术平均值的标准差。解：由加权算术平均值 ，可得各组测量结果的残余误差为：，又已知 代入式(2-51)得 八、随机误差的其他分布八、随机误差的其他分布 正态分布是随机误差最普遍的一种分布规律，但不是唯一分布规律。下面介绍几种常见的非正态分布。(一一)均匀分布均匀分布 在测量实践中，均匀分布是经常遇到的一种分布，其主要特点是，误差有一确定的范围，在此范围内，误差出现的概率各处相等，故又称矩形第一节随机误差第41页/共90页分布或等概率分布。均匀分布的分布密度 （图2-5）和分布函数 分别为：（2-52）（2-53）它的数学期望为：（2-54）它的方差和标准差分别为：（2-55）（2-56）(二二)反正弦分布反正弦分布 反正弦分布实际上是一种随机误差的函数分布规律，其特点是该随机误差与某一角度成正弦关系。反正弦分布的分布密度 （图2-6）和分布函数 分别为：(2-57)第一节随机误差第42页/共90页 （2-57）它的数学期望为：（2-58）它的方差和标准差分别为：（2-59）（2-60）（三）三角形分布（三）三角形分布 当两个误差限相同且服从均匀分布的随机误差求和时，其和的分布规律服从三角形分布，又称辛普逊（Simpson）分布。实际测量中，若整个测量过程必须进行两次才能完成，而每次测量的随机误差服从相同的均匀分布，则总的测量误差为三角形分布误差。三角形分布的分布密度 （图2-7）和分布函数 分别为：(2-61)第一节随机误差第43页/共90页 （2-63）它的数学期望为：（2-64）它的方差和标准差分别为：（2-65）（2-66）如果对两个误差限为不相等的均匀分布随机误差求和时，则其和的分布规律不再是三角形分布而是梯形分布。在测量工作中，除上述的非正态分布外，还有直角分布、截尾正态分布、双峰正态分布及二点分布等，在此不做一一叙述。（四）（四）分布分布 令 为 个独立随机变量，每个随机变量都服从标准化的正态分布。定义一个新的随机变量(2-67)随机变量 称为自由度为的卡埃平方变量。自由度 表示上式中项数或 第一节随机误差第44页/共90页独立变量的个数。分布的分布密度 如图2-8所示。(2-68)式中的 函数。它的数学期望为：(2-69)它的方差和标准差分别为：(2-70)(2-71)在本书最小二乘法中要用到 分布，此外它也是 t 分布和 F 分布的基础。由图2-8的两条 理论曲线看出，当 逐渐增大时，曲线逐渐接近对称。可以证明当 足够大时，曲线趋近正态曲线。值得提出的是，在这里称 为自由度，它的改变将引起分布曲线的相应改变。（五）（五）t t 分布分布第一节随机误差第45页/共90页 令 和 是独立的随机变量，具有自由度为 的 分布函数，具有标准化正态分布函数，则定义新的随机变量为(2-72)随机变量t称自由度为 的学生氏t变量。t分布的分布密度 为（图2-9）：(2-73)它的数学期望为：(2-74)它的方差和标准差分别为：(2-75)(2-76)t分布的数学期望为零，分布曲线对称于纵坐标轴，但它和标准化正态分布密度曲线不同，如图2-9所示。可以证明，当自由度较小时，t分布与正态分布有明显区别，但当自由度 时，t分布曲线趋于正态分布曲线。t分布是一种重要分布，当测量列的测量次数较少时，极限误差的估计，或者在检验测量数据的系统误差时经常用到它。第一节随机误差第46页/共90页（六）（六）F F分布分布 若 具有自由度为 的卡埃平方分布函数，具有自由度为 的卡埃平方分布函数，定义新的随机变量为(2-77)随机变量F称为自由度为 、的F变量。F分布的分布密度 如图2-10所示。(2-78)它的数学期望为：(2-79)它的方差和标准差分别为：(2-80)(2-81)F分布也是一种重要分布，在检验统计假设和方差分析中经常应用。第一节随机误差第47页/共90页一、研究系统误差的重要意义一、研究系统误差的重要意义 前面所述的随机误差处理方法，是以测量数据中不含有系统误差为前提。实际上测量过程中往往存在系统误差，在某些情况下的系统误差数值还比较大。因此测量结果的精度，不仅取决于随机误差，还取决于系统误差的影响。由于系统误差和随机误差同时存在测量数据之中，而且不易被发现，多次重复测量又不能减小它对测量结果的影响，这种潜伏使得系统误差比随机误差具有更大的危险性，因此研究系统误差的特征与规律性，用一定的方法发现和减小或消除系统误差，就显得十分重要，否则对随机误差的严格数学处理将失去意义。系统误差是指在确定的测量条件下，某种测量方法和装置，在测量之前就已存在误差，并始终以必然性规律影响测量结果的正确度，如果这种影响显著的话，就要影响测量结果的准确度。例如某台新仪器，因缺乏检定手段和标准，只对测量精密度（如重复性和稳定性）作检定，验收合格。后经一段时间的使用实践，对仪器产生各种测量误差的因素有比较透彻的了解，发现仪器还隐含有显著的系统误差，经采用一定的的技术措施消除后，该仪器的测量准确度才真正达到设计要求。第二节系统误差第48页/共90页二、系统误差产生的原因二、系统误差产生的原因 系统误差是有固定不变的或按确定规律变化的因素造成，这些因素是可以掌握的。测量装置方面的因素 环境方面的因素 测量方法的因素 测量人员的因素第二节系统误差计量校准后发现的偏差、仪器设计原理缺陷、仪器制造和安装的不正确等。测量时的实际温度对标准温度的偏差、测量过程中的温度、湿度按一定规律变化的误差等。采用近似的测量方法或计算公司引起的误差等。测量人员固有的测量习性引起的误差等。第49页/共90页三、系统误差的分类和特征三、系统误差的分类和特征 系统误差的特征是在同一条件下，多次测量同一测量值时，误差的绝对值和符号保持不变，或者在条件改变时，误差按一定的规律变化。由系统误差的特征可知，在多次重复测量同一值时，系统误差不具有抵偿性，它是固定的或服从一定函数规律的误差，从广义上讲，系统误差即是服从某一确定规律变化的误差。图2-11为各种系统误差随测量过程t变化而表现出不同特征。曲线a为不变的系统误差，曲线b为线性变化的系统误差，曲线c为非线性变化的系统误差，曲线d为周期性变化的系统误差，曲线e为复杂规律变化的系统误差。当系统误差与随机误差同时存在时，误差表现特征如图2-12所示。图中设 为被测量的真实值，在多次重复测量中系统误差为固定值，而随机误差为对称分布，分布范围为 ，并以系统误差为中心而变化。返回本章目录返回本章目录第二节系统误差第50页/共90页 根据系统误差在测量过程中所具有的不同变化特性，将系统误差分为恒定系统误差和可变系统误差两大类。（一）恒定（一）恒定(定值定值)系统误差系统误差 恒定（定值）系统误差是指在整个测量过程中，误差的大小和符号始终是不变的。如千分尺或测长仪读数装置的调零误差，量块或其它标准件尺寸的偏差等，均为恒定系统误差。它对每一测量值的影响均为一个常量，属于最常见的一类系统误差。（二）变化系统误差（二）变化系统误差 变化系统误差指在整个测量过程中，误差的大小和方向随测试的某一个或某几个因素按确定的函数规律而变化，其种类较多，又可分为以下几种：线性变化的系统误差：在整个测量过程中，随某因素而线性递增或递减的系统误差。例如，刻度值为1mm的标准刻尺，存在刻划误差 ，每一刻度间距实际为 ，若用它与另一长度比较，得到比值为 ，则被测长度的实际值为 。由于测量值为 ，故产生的系统误差为：它是随测量值 的大小而线性变化的。第二节系统误差第51页/共90页 周期变化的系统误差：在整个测量过程中，随某因素作周期变化的系统误差。例如，仪表指针的回转中心与刻度盘中心有一个偏离值 ，则指针在任一转角 处引起的读数误差为 。此误差变化规律符合正弦曲线规律，当指针在 和 时误差为零，而在 和 时误差绝对值达最大。复杂规律变化的系统误差：在整个测量过程中，随某因素变化，误差按确定的更为复杂的规律变化，称其为复杂规律变化的系统误差。例如，微安表的指针偏转角与偏转力距间不严格保持线性关系，而表盘仍采用均匀刻度所产生的误差就属于复杂规律变化的系统误差。这些复杂规律一般可用代数多项式、三角多项式或其它正交函数多项式来描述。四、系统误差对测量结果的影响四、系统误差对测量结果的影响 （一）定值系统误差的影响（一）定值系统误差的影响 设有一组常量测量数据 中分别存在定值系统误差 和随机误差 ，真值记为 。则这组测量数据的算术平均值为：第二节系统误差第52页/共90页 当子样定容n足够大时，随机误差 对 的影响可忽略不计，而定值系统误差 都完全反映在 之中，视 的符号而使有所增减。由上式可看出，不影响残差计算，因而也不影响标准误差的计算，即 并不引起随机误差分布密度曲线的形状及其分布范围的变化，只引起分布密度曲线的位置变化（平移值）。（二）变化系统误差的影响（二）变化系统误差的影响 同样，计算一组测量数据的算术平均值：上式中 为变化系统误差。当子样定容n足够大时，随机误差 对 的影响可忽略不计，而变化系统误差 则以算术平均值 反映在 之中，视 的符号而使有所增减。由上式可看出，因 且其数值不易确定，故变值系统误差 直接影响残差 的数值，因此也必然要影响标准误差的计算，且其影响难于确定，即变值系统误差不仅使随机误差的分布密度曲线的形状和分布范围发生变化，也使曲线的位置产生平移。第二节系统误差第53页/共90页（三）两种系统误差的处理（三）两种系统误差的处理 定值系统误差 变化系统误差五、系统误差的发现五、系统误差的发现 由于形成系统误差的原因复杂，目前尚没有能够适用于发现各种系统误差的普遍方法。常用的系统误差发现方法，按用途可分为两类：第一类，用于发现测量列组内的系统误差，包括实验对比法、残余误差观察法、残余误差校核法和不同公式计算标准差比较法；第二类用于发现各组测量这间的系统误差，包括计算数据比较法、秩和检验法、和 t检验法。由于它在数据处理中只影响算术平均值，而不影响残差及标准差，所以除了要设法找出该恒定系统误差的大小和符号，对其算术平均值加以修正外，不会影响其他数据处理的过程。由于它对算术平均值和残差均产生影响，所以应在处理测量数据的过程中，必须要同时设法找出该误差的变化规律，进而消除其对测量结果的影响。第二节系统误差第54页/共90页（一）测量列组内的系统误差发现方法（一）测量列组内的系统误差发现方法 1、实验对比法：实验对比法是改变产生系统误差的条件，进行不同条件的测量，以发现系统误差，这种方法适用于发现不变的系统误差。2、残余误差观察法：残余误差观察法是根据测量列的各个残余误差大小和符号的变化规律，直接由误差数据或误差曲线图形来判断有无系统误差，这种误差适于发现有规律变换的系统误差。以测量先后的顺序号i为横坐标，残差值为纵坐标，画出残差散点图，根据参差散点图可以判断有无系统误差。若残余误差大体上是正负相间，且无显著变化规律，则无根据怀疑存第二节系统误差第55页/共90页在系统误差（图216a）。若残余误差数值有规律地递增或递减，且在测量开始与结束时误差符号相反，则存在线性系统误差（图216b）。若残余误差符号符号有规律地逐渐由负变正、再由正变负，且循环交替重复变化，则存在周期性系统误差（图216c）。若残余误差有如图216d 所示的变化规律，则应怀疑同时存在线性系统误差和周期性系统误差。由图216可以看出，若测量列中含有不变的系统误差，用残余误差观察法则发现不了。3、残余误差校核法 用于发现线性系统误差：设有测量列 ，它们的系统误差为 ，它们不含系统误差之值为 ，有下式成立：第二节系统误差第56页/共90页它们的算术平均值为:因故有 (2-82)若系统误差显著大于随机误差，可予忽略，则得(2-83)由上式看出，显著含有系统误差的测量列，其任一测量值的残余误差为系统误差与测量列系统误差平均值之差。根据式(2-82)，若将测量列中前K个残余误差相加，后n-K个残余误差相加(当n为偶数，取K=n/2；n为奇数，取K=(n+1)/2)，两者相减得：当测量次数足够多时，有：第二节系统误差第57页/共90页 所以得：(2-84)若上式的两部分值显著不为O，则有理由认为测量列存在线性系统误差。这种校核法又称“马列科夫准则”，它能有效地发现线性系统误差。但要注意的是，有时