[误差理论与数据处理][课件][第02章][第1节][随机误差].ppt
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1、误差理论与数据处理第二章误差的基本性质与处理3- 2(1)分组数=11,组距=0.05mm;(2)依次定各组的频数、频率和频率密度;(3)以数据为横坐标,频率密度为纵坐标,在横坐标上划出等分的子区间,划出各子区间的直方柱,即为所求统计直方图。77.17.27.37.47.57.60510152025误差理论与数据处理第二章误差的基本性质与处理3- 3数学期望数学期望()( )E Xxfx dx定义一阶原点矩,它表示随机变量分布的位置特征。它与真值之差即为系统误差,如果系统误差可以忽略,则 就是被测量的真值 123 三条测量值分布曲线的精密度相同,但准确度不同。数学期望代表了测量的最佳估计值,或
2、相对真值的系统误差大小误差理论与数据处理第二章误差的基本性质与处理3- 4标准偏差 二阶中心矩,称为X的标准(偏)差, ,的大小表征了随机误差的分散程度,即大部分分布在 范围内,可作为随机误差的评定尺度 定义22()()( )D Xxf x dx()D X123123三条误差分布曲线的准确度相同,但精密度不同 标准差代表了该测量条件下的测量结果分散性的大小,或是该测量分布的随机误差大小 误差理论与数据处理第二章误差的基本性质与处理3- 5协方差定义( , )()() ( , )xyCov x yxyf x y dxdy ( , )xxf x y dxdy ( , )yyf x y dxdy 式
3、中协方差 表示了两变量间的相关程度 ( , )Cov x y误差理论与数据处理第二章误差的基本性质与处理3- 6相关系数=10.5=0.5=_=0( , )xyCov x y 定义表示了两个变量间线性相关的程度 越小,X,Y之间线性相关程度越小, 取值越大,X,Y之间线性相关程度越大 |11 当 ,X与Y正相关,当 ,X与Y负相关 0110 线性相关正相关负相关线性不相关误差理论与数据处理第二章误差的基本性质与处理3- 7 把各直方柱顶部中点用直线连接起来,便得到一条由许多折线连接起来的曲线。当测量样本数n无限增加,分组间隔趋于零,图中直方图折线变成一条光滑的曲线,即测量总体的概率(分布)密度
4、曲线,记为。这就是用实验方法由样本得到的概率密度分布曲线。 ( )f x( )f x77.17.27.37.47.57.60510152025误差理论与数据处理第二章误差的基本性质与处理3- 8概率密度曲线完好的描述了随机误差的统计规律。( )f x 1f x dx 1baP axbf x dx 概率密度函数的几何意义 置信区间 显著性水平(又称显著度或危险率) 置信概率(或置信水平),简记为符号4.概率密度的性质有两个性质axb1p pf x ( )p=1_abx误差理论与数据处理第二章误差的基本性质与处理3- 9一、随机误差产生的原因一、随机误差产生的原因测量装置方面的因素测量装置方面的因
5、素 零部件配合的不稳定性、零部件的变形、零件表面油膜不均匀、摩擦等。测量环境方面的因素测量环境方面的因素 放置测量主机和被测试样的隔震台不能很好消除外界的低频震动 仪器所在实验室气流和温度的波动 空气尘埃的漂浮、稳压电源供电电压的微小波动 操作人员方面的因素操作人员方面的因素 瞄准、读数的不稳定等。 误差理论与数据处理 第二章误差的基本性质与处理3- 10例:某钢球工件直径重复测量150次的测量点列图测量点列图单峰性:数据集中在7.335附近,如不存在系统误差,其约定真值即为7.335有界性:数据分布在7.085至7.585之间,即可确定误差分布的大致范围对称性:正负误差的数目大致相同;抵偿性
6、:误差的总和大致趋于零,它是判定随机误差最本质的一个统计特征。7.0857.3357.585iix误差理论与数据处理第二章误差的基本性质与处理3- 11二、正态分布二、正态分布 误差因素多而小,无一个占优,彼此相互独立(中心极限定理)。一般认为,当影响测量的因素在15个以上,且相互独立,其影响程度相当,可以认为测量值服从正态分布;若要求不高,影响因素则应在5个(至少3个)以上,也可视为正态分布。 服从正态分布的随机误差均具有:对称性、服从正态分布的随机误差均具有:对称性、单峰性、有界性、抵偿性。单峰性、有界性、抵偿性。误差理论与数据处理第二章误差的基本性质与处理3- 12 (1) 经典误差理论
7、都是建立在正态分布的基础上。凡是有3、5个以上的、差不多微小的、独立影响的合成分布都趋近正态分布。这是被前人早已证明了的中心极限定理告诉我们的一个事实。正态分布在误差理论和实践中的地位正态分布在误差理论和实践中的地位(2) 许多非正态分布可以用正态分布来表示。(3) 正态分布的概率密度函数具有简单的数学形式和优良的性质。(4) 也有不少的误差分布并不能简单地用正态分布来描述。因而,现代误差理论及其实践需要进一步研究非正态分布的问题。误差理论与数据处理第二章误差的基本性质与处理3- 13随机误差的表述随机误差的表述0iixx 表述方法表述方法 被测量的真值 0 x 一系列测量值,假设各次测量值中
8、不含有系统误差 ix误差理论与数据处理第二章误差的基本性质与处理3- 1410nii10nijij 当测量次数n充分大时,有以及抵偿性是各种随机误差所共有的本质特征。抵偿性是各种随机误差所共有的本质特征。 随机误差的抵偿性随机误差的抵偿性误差理论与数据处理第二章误差的基本性质与处理3- 15概率密度函数概率密度函数 221exp22xfx正态分布的密度函数 为测量总体的数学期望,如不计系统误差,则 即为随机误差 x 为测量总体的标准差,也是 随机误差的标准差 x误差理论与数据处理第二章误差的基本性质与处理3- 16(1)单峰性:小误差出现的概率比大误差出现的概率大。(2)对称性:正误差出现的概
9、率与负误差出现的概率相等。(3)抵偿性:随测量次数增加,算术平均值趋于零。分布的误差特性分布的误差特性正态分布的这三个特点与误差大样本下的统计特性相符。但在理论上,正态分布无界,这也是正态分布与实际误差有界性不相符之处。 误差理论与数据处理第二章误差的基本性质与处理3- 17正态分布的置信概率 误差在分布区间 的置信概率 ,kk 221exp( )22kkpdk 式中置信概率 正态积分函数,已制成正态积分表( )k 置信因子kkzdzek02221)(368.26% 95.45% 99.73% 322( )f x2误差理论与数据处理第二章误差的基本性质与处理3- 18正态分布的某些k值的置信概
10、率3.33.02.582.01.96 1.6451.00.67450.999 0.9973 0.990.954 0.950.900.6830.5k0.001 0.00270.010.046 0.050.100.3170.5p2误差理论与数据处理第二章误差的基本性质与处理3- 19随机误差的随机性影响 对于任何的测量,其中的随机误差源客观存在,它造成对每次测量数据的不可预测的随机性影响 影响表现在该测量总体服从某种分布 误差大小可以通过标准差来估计 误差界限则可用置信区间表示 误差理论与数据处理第二章误差的基本性质与处理3- 20含有随机误差的测量数据问题的处理方法 有条件获取较大样本数据的情形
11、 可以做出实验统计直方图,定性定量地给出测量总体及其误差分布的判断,进而从中提取表示被测量大小的数字特征,并给出完整的测量结果 无条件获取大样本数据的情形 必须依据小样本的测量数据以及可能了解到的有关测量信息,合理给出代表测量总体的测量结果,包括其最佳估计值及其标准差、置信区间等 误差理论与数据处理第二章误差的基本性质与处理3- 21 三、三、 算术平均值算术平均值本部分主要介绍算术平均值的意义以及如何计算算术平均值的标准差。误差理论与数据处理第二章误差的基本性质与处理3- 221 1、算术平均值的意义、算术平均值的意义11niixxn在等权测量条件下,对某被测量进行多次重复测量,得到一系列测
12、量值,常取算术平均值作为测量结果的最佳估计。12,.,nx xx误差理论与数据处理第二章误差的基本性质与处理3- 23无限多次测量算术平均值作为真值的理论依据 因为011nniiiixnx根据随机误差的抵偿性,当n充分大时,有 011niixxxnnnxxniinii11001nnii所以误差理论与数据处理第二章误差的基本性质与处理3- 24残余误差及简单算术平均运算残余误差及简单算术平均运算xlvii残余误差简单算术平均运算,先取任意个0l001010 xlxnlxnlxlllniiniiii见P11例题2.1误差理论与数据处理第二章误差的基本性质与处理3- 25算术平均值的校核v残余误差代
13、数和为0,可用来校核正确性。v残余误差代数和和绝对值应符合(存在舍位进位时)当n为偶数,当n为奇数,A为实际求得的算术平均数 末位的一个单位Anvnii2|1Anvnii)5 . 02(|1x见P12例题2.2 2.3误差理论与数据处理第二章误差的基本性质与处理3- 262、测量的标准差测量的标准差单次测量列标准差计算公式单次测量列标准差计算公式nnii12112nvnii贝塞尔公式注意推导过程表征同一被测量的n次测量的测得值分散性得参数,可作为测量单次测量不可靠性得评定标准。P14二段话误差理论与数据处理第二章误差的基本性质与处理3- 27适当增加测量次数取其算术平均值表示测量结果,是减小测
14、量随机误差的一种常用方法。测量列平均值标准差计算公式测量列平均值标准差计算公式221( )11xiiD xDxnnn算术平均值的标准差单次测量标准差测量总体标准差 ( )D x 测量列算术平均值标准差表征同一个被测量的各个独立测量列算术平均值分散性的参数,可作为算术平均值不可靠性的评价标准误差理论与数据处理第二章误差的基本性质与处理3- 2812211 010 10次算术平均值与单次测量的分布关系次算术平均值与单次测量的分布关系 两者的分布类型和峰值位置未变化,只是分散性不同。误差理论与数据处理第二章误差的基本性质与处理3- 29 051 01 52 0n0 .20 .40 .60 .81 .
15、0 x10n x测量次数愈大时,也愈难保证测量条件的不变,从而带来新的误差。另外,增加测量次数,必与测量次数的关系 x x 当 一定时, 以后, 已减小得较缓慢。然会增加测量的工作量及其成本。因此一般情况下,取 n=10 以内较为适宜。总之,要提高测量准确度,应选用适当准确度的测量仪器,选取适当的测量次数。n1误差理论与数据处理第二章误差的基本性质与处理3- 30归纳:实验标准差定义归纳:实验标准差定义贝塞尔公式极差法最大误差法别捷尔斯法对于一组测量数据,用其标准差来表述这组数据的分散性 如果这组数据是来自于某测量总体的一个样本,则该组数据的标准差是对该测量总体标准差的一个估计,称其为样本标准
16、差样本标准差,又称为实验标准差实验标准差 误差理论与数据处理第二章误差的基本性质与处理3- 311、贝塞尔公式2111niisxxn公式意义公式意义 总体标准差的估计(实验样本标准差)计算公式计算公式iivxx 为残余误差,简称残差。误差理论与数据处理第二章误差的基本性质与处理3- 322、极差法极差法maxminnxxnnsd对多次独立测得的数据 , 最大值, 最小值12,nx xx当测量误差服从正态分布时,标准差的计算公式 maxxminx极差 是测量总体标准差的无偏估计 极差法可以简单迅速算出标准差,并具有一定精度,在n10时选用 P18 例例2-6误差理论与数据处理第二章误差的基本性质
17、与处理3- 33 极差法系数nnnndndndnCnCnC1.130.7692.970.27163.53 0.2131.690.52103.08 0.26173.590.2142.060.43113.170.25183.640.2052.330.37123.260.24193.690.2062.530.34133.31 0.23203.740.2072.700.31143.41 0.2282.850.29153.470.22误差理论与数据处理第二章误差的基本性质与处理3- 343、最大误差法max1insk测量误差服从正态分布时,估计标准差的计算公式 在已知被测量的真值的情形,多次独立测得的数
18、据的真误差,其中的绝对值最大12,nx xx12,n maxi在只进行一次性实验中,是唯一可用的方法P19P19例例2 27 7误差理论与数据处理第二章误差的基本性质与处理3- 353、最大残差法max1insk在一般情况下,被测量的真值难以知道,无法应用最大误差法估计标准差 最大残余误差 估计标准差 maxi最大残差法不适用于n=1的情形 误差理论与数据处理第二章误差的基本性质与处理3- 36最大误差法系数n0.880.511.771230.750.451.020.680.400.830.640.360.740.610.330.680.580.310.640.560.290.61100.53
19、0.270.57200.460.230.251nknnrk1nk 1.250.75误差理论与数据处理第二章误差的基本性质与处理3- 375、别捷尔斯法v别捷尔斯法) 1(|253. 11nnvnii1|253. 11nnvniix误差理论与数据处理第二章误差的基本性质与处理3- 38对某量测得数据7.7,7.7,7.5,7.7,7.7,7.7,7.9,7.6,7.7,7.8,7.9,试分别用贝塞尔公式、极差法、最大误差法估计其测量标准差及其标准差的相对标准差。【例【例3-23-2】【解】【解】(1) 用贝塞尔公式估算17.72ixxn2210.1361isxxn0.1360.37s 误差理论与
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