В наш век человек придумал и использует огромное множество всевозможных измерительных приборов. Но какой бы совершенной ни была технология их изготовления, все они имеют большую или меньшую погрешность. Этот параметр, как правило, указывается на самом инструменте, и для оценки точности определяемой величины нужно уметь разбираться в том, что означают указанные на маркировке цифры. Кроме того, относительная и абсолютная погрешность неизбежно возникает при сложных математических расчетах. Она широко применяется в статистике, промышленности (контроль качества) и в ряде других областей. Как рассчитывается эта величина и как трактовать ее значение - об этом как раз и пойдет речь в данной статье.
Абсолютная погрешность
Обозначим через х приближенное значение какой-либо величины, полученное, к примеру, посредством однократного измерения, а через х 0 - ее точное значение. Теперь вычислим модуль разности между этими двумя числами. Абсолютная погрешность - это как раз и есть то значение, что получилось у нас в результате этой нехитрой операции. Выражаясь языком формул, данное определение можно записать в таком виде: Δ x = | x - x 0 |.
Относительная погрешность
Абсолютное отклонение обладает одним важным недостатком - оно не позволяет оценить степень важности ошибки. Например, покупаем мы на рынке 5 кг картофеля, а недобросовестный продавец при измерении веса ошибся на 50 грамм в свою пользу. То есть абсолютная погрешность составила 50 грамм. Для нас такая оплошность будет сущей мелочью и мы даже не обратим на нее внимания. А представьте себе, что случится, если при приготовлении лекарства произойдет подобная ошибка? Тут уже все будет намного серьезней. А при загрузке товарного вагона наверняка возникают отклонения намного больше данного значения. Поэтому сама по себе абсолютная погрешность малоинформативная. Кроме нее очень часто дополнительно рассчитывают относительное отклонение, равное отношению абсолютной погрешности к точному значению числа. Это записывается следующей формулой: δ = Δ x / x 0 .
Свойства погрешностей
Предположим, у нас есть две независимые величины: х и у. Нам требуется рассчитать отклонение приближенного значения их суммы. В этом случае мы может рассчитать абсолютную погрешность как сумму предварительно рассчитанных абсолютных отклонений каждой из них. В некоторых измерениях может произойти так, что ошибки в определении значений x и y будут друг друга компенсировать. А может случиться и такое, что в результате сложения отклонения максимально усилятся. Поэтому, когда рассчитывается суммарная абсолютная погрешность, следует учитывать наихудший из всех вариантов. То же самое справедливо и для разности ошибок нескольких величин. Данное свойство характерно лишь для абсолютной погрешности, и к относительному отклонению его применять нельзя, поскольку это неизбежно приведет к неверному результату. Рассмотрим эту ситуацию на следующем примере.
Предположим, измерения внутри цилиндра показали, что внутренний радиус (R 1) равен 97 мм, а внешний (R 2) - 100 мм. Требуется определить толщину его стенки. Вначале найдем разницу: h = R 2 - R 1 = 3 мм. Если в задаче не указывается чему равна абсолютная погрешность, то ее принимают за половину деления шкалы измерительного прибора. Таким образом, Δ(R 2) = Δ(R 1) = 0,5 мм. Суммарная абсолютная погрешность равна: Δ(h) = Δ(R 2) +Δ(R 1) = 1 мм. Теперь рассчитаем относительно отклонение всех величин:
δ(R 1) = 0,5/100 = 0,005,
δ(R 1) = 0,5/97 ≈ 0,0052,
δ(h) = Δ(h)/h = 1/3 ≈ 0,3333>> δ(R 1).
Как видим, погрешность измерения обоих радиусов не превышает 5,2%, а ошибка при расчете их разности - толщины стенки цилиндра - составила целых 33,(3)%!
Следующее свойство гласит: относительное отклонение произведения нескольких числе примерно равно сумме относительных отклонений отдельных сомножителей:
δ(ху) ≈ δ(х) + δ(у).
Причем данное правило справедливо независимо от количества оцениваемых величин. Третье и последнее свойство относительной погрешности состоит в том, что относительная оценка числа k-й степени приближенно в | k | раз превышает относительную погрешность исходного числа.
1. Введение
Работа химиков, физиков и представителей других естественно-научных профессий часто связана с выполнением количественных измерений различных величин. При этом возникает вопрос анализа достоверности получаемых значений, обработки результатов непосредственных измерений и оценки погрешностей расчетов, в которых используются значения непосредственно измеряемых характеристик (последний процесс также называется обработкой результатов косвенных измерений). По целому ряду объективных причин знания выпускников химического факультета МГУ о расчете погрешностей не всегда достаточны для правильной обработки получаемых данных. В качестве одной из таких причин можно назвать отсутствие в учебном плане факультета курса по статистической обработке результатов измерений.
К данному моменту вопрос вычисления погрешностей, безусловно, изучен исчерпывающе. Существует большое количество методических разработок, учебников и т.д., в которых можно почерпнуть информацию о расчете погрешностей. К сожалению, большинство подобных работ перегружено дополнительной и не всегда нужной информации. В частности, большинство работ студенческих практикумов не требует таких действий, как сравнение выборок, оценка сходимости и др. Поэтому кажется целесообразным создание краткой разработки, в которой изложены алгоритмы наиболее часто употребляемых вычислений, чему и посвящена данная разработка.
2. Обозначения, принятые в данной работе
Измеряемая величина, -среднее значение измеряемой величины, - абсолютная погрешность среднего значения измеряемой величины, - относительная погрешность среднего значения измеряемой величины.
3. Расчет погрешностей непосредственных измерений
Итак, предположим, что были проведены n измерений одной и той же величины в одних и тех же условиях. В этом случае можно рассчитать среднее значение этой величины в проведенных измерениях:
(1)
Как вычислить погрешность ? По следующей формуле:
(2)
В этой формуле используется коэффициент Стьюдента . Его значения при разных доверительных вероятностях и значениях приведены в .
3.1. Пример расчета погрешностей непосредственных измерений:
Задача.
Проводили измерения длины металлического бруска. Было сделано 10 измерений и получены следующие значения: 10 мм, 11 мм, 12 мм, 13 мм, 10 мм, 10 мм, 11 мм, 10 мм, 10 мм, 11 мм. Требуется найти среднее значение измеряемой величины (длины бруска) и его погрешность .
Решение.
С использованием формулы (1) находим:
мм
Теперь с использованием формулы (2) найдем абсолютную погрешность среднего значения при доверительной вероятности и числе степеней свободы (используем значение =2,262, взятое из ):
Запишем результат:
10,8±0,7 0.95 мм
4. Расчет погрешностей косвенных измерений
Предположим, что в ходе эксперимента
измеряются величины 
, а затем
c
использованием полученных значений вычисляется
величина по формуле 
.
При этом погрешности непосредственно измеряемых величин рассчитываются так,
как это было описано в пункте 3.
Расчет среднего значения величины производится по зависимости с использованием средних значений аргументов .
Погрешность величины рассчитывается по следующей формуле:
,(3)
где - количество аргументов , - частные производные функции по аргументам , - абсолютная погрешность среднего значения аргумента .
Абсолютная погрешность, как и в случае с прямыми измерениями, рассчитывается по формуле .
4.1. Пример расчета погрешностей непосредственных измерений:
Задача.
Было проведено 5непосредственных измерений величин и . Для величины получены значения: 50, 51, 52, 50, 47; для величины получены значения: 500, 510, 476, 354, 520. Требуется рассчитать значение величины , определяемой по формуле и найти погрешность полученного значения.
1. Как определять погрешности измерений.
Выполнение лабораторных работ связано с измерением различных физических величин и последующей обработкой их результатов.
Измерение - нахождение значения физической величины опытным путем с помощью средств измерений.
Прямое измерение - определение значения физической величины непосредственно средствами измерения.
Косвенное измерение - определение значения физической величины по формуле, связывающей ее с другими физическими величинами, определяемыми прямыми измерениями.
Введем следующие обозначения:
А, В, С, ... - физические величины.
А пр - приближенное значение физической величины, т. е. значение, полученное путем прямых или косвенных измерений.
ΔА - абсолютная погрешность измерения физической величины.
ε - относительная погрешность измерения физической величины, равная:
Δ И А - абсолютная инструментальная погрешность, определяемая конструкцией прибора (погрешность средств измерения; см. табл. 1).
Δ 0 А - абсолютная погрешность отсчета (получающаяся от недостаточно точного отсчета показаний средств измерения); она равна в большинстве случаев половине цены деления, при измерении времени - цене деления секундомера или часов.
Таблица 1
Абсолютные инструментальные погрешности средств измерений
| № | Средства измерения | Предел измерения | Цена деления | Абсолютная инструментальная погрешность |
| 1 | Линейка | |||
| ученическая | до 50 см | 1 мм | ± 1 мм | |
| чертежная | до 50 см | 1 мм | ± 0,2 мм | |
| инструментальная (стальная) | 20 см | 1 мм | ± 0,1 мм | |
| демонстрационная | 100 см | 1 см | ± 0,5 см | |
| 2 | Лента измерительная | 150 см | 0,5 см | ± 0,5 см |
| 3 | Измерительный цилиндр | до 250 мл | 1 мл | ± 1 мл |
| 4 | Штангенциркуль | 150 мм | 0,1 мм | ± 0,05 мм |
| 5 | Микрометр | 25 мм | 0,01 мм | ± 0,005 мм |
| 6 | Динамометр учебный | 4 Н | 0,1 Н | ± 0,05 Н |
| 7 | Весы учебные | 200 г | - | ± 0,01 г |
| 8 | Секундомер | 0-30 мин | 0,2 с | ± 1 с за 30 мин |
| 9 | Барометр-анероид | 720-780 мм рт. ст. | 1 мм рт. ст. | ± 3 мм рт. ст. |
| 10 | Термометр лабораторный | 0-100 0 С | 1 0 С | ± 1 0 С |
| 11 | Амперметр школьный | 2 А | 0,1 А | ± 0,05 А |
| 12 | Вольтметр школьный | 6 В | 0,2 В | ± 0,15 В |
Максимальная абсолютная погрешность прямых измерений складывается из абсолютной инструментальной погрешности и абсолютной погрешности отсчета при отсутствии других погрешностей:
Абсолютную погрешность измерения обычно округляют до одной значащей цифры (ΔА = 0,17 ≈ 0,2); числовое значение результата измерений округляют так, чтобы его последняя цифра оказалась в том же разряде, что и цифра погрешности (А = 10,332 ≈ 10,3).
Результаты повторных измерений физической величины А, проведенных при одних и тех же контролируемых условиях и при использовании достаточно чувствительных и точных (с малыми погрешностями) средств измерения, обычно отличаются друг от друга. В этом случае А пр находят как среднее арифметическое значение всех измерений, а погрешность ΔА (ее называют случайной погрешностью) определяют методами математической статистики.
В школьной лабораторной практике такие средства измерения практически не используются. Поэтому при выполнении лабораторных работ необходимо определять максимальные погрешности измерения физических величин. Для получения результата достаточно одного измерения.
Относительная погрешность косвенных измерений определяется так, как показано в таблице 2.
Таблица 2
Формулы для вычисления относительной погрешности косвенных измерений
| № | Формула для физической величины | Формула для относительной погрешности |
| 1 |  |
|
| 2 | |
|
| 3 | ||
| 4 |  |
Абсолютная погрешность косвенных измерений определяется по формуле ΔА = А пр ε (ε выражается десятичной дробью).
2. О классе точности электроизмерительных приборов.
Для определения абсолютной инструментальной погрешности прибора надо знать его класс точности. Класс точности γ пр измерительного прибора показывает, сколько процентов составляет абсолютная инструментальная погрешность Δ и А от всей шкалы прибора (A max):
Класс точности указывают на шкале прибора или в его паспорте (знак % при этом не пишут). Существуют следующие классы точности электроизмерительных приборов: 0,1; 0,2; 0,5; 1; 1,5; 2,5; 4. Зная класс точности прибора (γ пр) и всю его шкалу (А mах), определяют абсолютную погрешность Δ и А измерения физической величины А этим прибором:
3. Как сравнивать результаты измерений.
1. Записать результаты измерений в виде двойных неравенств:
А 1np - ΔА 1 < А 1пр < А 1пр + ΔА 1 ,
А 2пр - ΔА 2 < А 2пр < А 2пр + ΔА 2 .
2. Сравнить полученные интервалы значений: если интервалы не перекрываются, то результаты неодинаковы; если перекрываются - одинаковы при данной относительной погрешности измерений.
4. Как оформлять отчет о проделанной работе.
- Лабораторная работа № ... .
- Наименование работы.
- Цель работы.
- Чертеж (если требуется).
- Формулы искомых величин и их погрешностей.
- Таблица результатов измерений и вычислений.
- Окончательный результат, вывод и пр. (согласно цели работы).
5. Как записывать результат измерения.
А = А пр ± ΔА
е = ...%.
На практике обычно числа, над которыми производятся вычисления, являются приближенными значениями тех или иных величин. Для краткости речи приближенное значение величины называют приближенным числом. Истинное значение величины называют точным числом. Приближенное число имеет практическую ценность лишь тогда, когда мы можем определить, с какой степенью точности оно дано, т.е. оценить его погрешность. Напомним основные понятия из общего курса математики.
Обозначим: x - точное число (истинное значение величины), а -приближенное число (приближенное значение величины).
Определение 1 . Погрешностью (или истинной погрешностью) приближенного числа называется разность между числом x и его приближенным значением а . Погрешность приближенного числа а будем обозначать . Итак,
Точное число x чаще всего бывает неизвестно, поэтому найти истинную и абсолютную погрешности не представляет возможным. С другой стороны, бывает необходимо оценить абсолютную погрешность, т.е. указать число, которого не может превысить абсолютная погрешность. Например, измеряя длину предмета данным инструментом, мы должны быть уверены в том, что погрешность полученного числового значения не превысит некоторого числа, например 0,1 мм. Другими словами, мы должны знать границу абсолютной погрешности. Эту границу будем называть предельной абсолютной погрешностью.
Определение 3 . Предельной абсолютной погрешностью приближенного числа а называется положительное число такое, что , т.е.
Значит, х по недостатку, - по избытку. Применяют также такую запись:
| . | (2.5) |
Ясно, что предельная абсолютная погрешность определяется неоднозначно: если некоторое число есть предельная абсолютная погрешность, то любое большее число тоже есть предельная абсолютная погрешность. На практике стараются выбирать возможно меньшее и простое по записи (с 1-2 значащими цифрами) число , удовлетворяющее неравенству (2.3).
Пример. Определить истинную, абсолютную и предельную абсолютную погрешности числа а = 0,17, взятого в качестве приближенного значения числа .
Истинная погрешность: 
Абсолютная погрешность: 
За предельную абсолютную погрешность можно принять число и любое большее число. В десятичной записи будем иметь: Заменяя это число большим и возможно более простым по записи, примем:
Замечание . Если а есть приближенное значение числа х , причем предельная абсолютная погрешность равна h , то говорят, что а есть приближенное значение числа х с точностью до h.
Знания абсолютной погрешности недостаточно для характеристики качества измерения или вычисления. Пусть, например, получены такие результаты при измерении длины. Расстояние между двумя городами S 1 =500 1 км и расстояние между двумя зданиями в городе S 2 =10 1 км. Хотя абсолютные погрешности обоих результатов одинаковы, однако существенное значение имеет то, что в первом случае абсолютная погрешность в 1 км приходится на 500 км, во втором - на 10 км. Качество измерения в первом случае лучше, чем во втором. Качество результата измерения или вычисления характеризуется относительной погрешностью.
Определение 4. Относительной погрешностью приближенного значения а числа х называется отношение абсолютной погрешности числа а к абсолютному значению числа х :
Определение 5. Предельной относительной погрешностью приближенного числа а называется положительное число такое, что .
Так как , то из формулы (2.7) следует, что можно вычислить по формуле
| . | (2.8) |
Для краткости речи в тех случаях, когда это не вызывает недоразумений, вместо “предельная относительная погрешность” говорят просто “относительная погрешность”.
Предельную относительную погрешность часто выражают в процентах.
Пример 1 . . Полагая , можем принять = . Производя деление и округляя (обязательно в сторону увеличения), получим =0,0008=0,08%.
Пример 2. При взвешивании тела получен результат: p=23,4 0,2 г. Имеем =0,2. . Производя деление и округляя, получим =0,9%.
Формула (2.8) определяет зависимость между абсолютной и относительной погрешностями. Из формулы (2.8) следует:
| . | (2.9) |
Пользуясь формулами (2.8) и (2.9), мы можем, если известно число а , по данной абсолютной погрешности находить относительную погрешность и наоборот.
Заметим, что формулы (2.8) и (2.9) часто приходится применять и тогда, когда мы еще не знаем приближенного числа а с требуемой точностью, а знаем грубое приближенное значение а . Например, требуется измерить длину предмета с относительной погрешностью не выше 0,1%. Спрашивается: возможно ли измерить длину с нужной точностью при помощи штангенциркуля, позволяющего измерить длину с абсолютной погрешностью до 0,1 мм? Пусть мы еще не измеряли предмет точным инструментом, но знаем, что грубое приближенное значение длины - около 12 см. По формуле (1.9) находим абсолютную погрешность:
Отсюда видно, что при помощи штангенциркуля возможно выполнить измерение с требуемой точностью.
В процессе вычислительной работы часто приходится переходить от абсолютной погрешности к относительной, и наоборот, что делается с помощью формул (1.8) и (1.9).
При прямых измерениях
1. Пусть на вольтметре однократно измерены два напряжения U 1 = 10 В, U 2 = 200 В. Вольтметр имеет следующие характеристики: класс точности d кл т = 0,2, U max = 300 В.
Определим абсолютную и относительную погрешности этих измерений.
Так как оба измерения произведены на одном приборе, то DU 1 = DU 2 и вычисляются по формуле (В.4)
Согласно определению относительные погрешности U 1 и U 2 соответственно равны
ε 1 = 0,6 ∙ В / 10 В = 0,06 = 6 %,
ε 2 = 0,6 ∙ В / 200 В = 0,003 = 0,3 %.
Из приведенных результатов вычислений ε 1 и ε 2 видно, что ε 1 значительно больше ε 2 .
Отсюда вытекает правило: следует выбирать прибор с таким пределом измерений, чтобы показания были в последней трети шкалы.
2. Пусть некоторая величина измерена многократно, то есть произведено n отдельных измерений этой величины А х 1 , А х 2 ,..., А х 3 .
Тогда для вычисления абсолютной погрешности производят следующие операции:
1) по формуле (В.5) определяют среднее арифметическое значение А 0 измеряемой величины;
2) вычисляют сумму квадратов отклонений отдельных измерений от найденного среднего арифметического и по формуле (В.6) определяют среднюю квадратическую погрешность, которая и характеризует абсолютную погрешность единичного измерения при многократных прямых измерениях некоторой величины;
3) относительная погрешность ε вычисляется по формуле (В.2).
Вычисление абсолютной и относительной погрешности
При косвенном измерении
Вычисление погрешностей при косвенных измерениях – более сложная задача, так как в этом случае искомая величина является функцией других вспомогательных величин, измерение которых сопровождается появлением погрешностей. Обычно при измерениях, если не считать промахов, случайные погрешности оказываются весьма малыми по сравнению с измеряемой величиной. Они настолько малы, что вторые и более высокие степени погрешностей лежат за пределами точностей измерений и ими можно пренебречь. Из-за малости погрешностей для получения формулы погрешности
косвенно измеряемой величины применяют методы дифференциального исчисления. При косвенном измерении величины, когда непосредственно измеряются величины, связанные с искомой некоторой мaтематической зависимостью, удобнее вначале определить относительную погрешность и уже
через найденную относительную погрешность вычислять абсолютную погрешность измерения.
Дифференциальное исчисление дает наиболее простой способ определения относительной погрешности при косвенном измерении.
Пусть искомая величина А
связана функциональной зависимостью с несколькими независимыми непосредственно измеряемыми величинами x
1 ,
x
2 , ..., x k
, т. е.
A = f (x 1 , x 2 , ..., x k ).
Для определения относительной погрешности величины А берется натуральный логарифм от обеих частей равенства
ln A = ln f (x 1 , x 2 , ..., x k ).
Затем вычисляется дифференциал натурального логарифма функции
A
= f
(x
1 ,x
2 , ..., x k
),
dlnA = dlnf (x 1 , x 2 , ..., x k )
В полученном выражении производятся все возможные алгебраические преобразования и упрощения. После этого все символы дифференциалов d заменяются на символы погрешности D, причем отрицательные знаки перед дифференциалами независимых переменных заменяются положительными, т. е. берется наиболее неблагоприятный случай, когда все погрешности складываются. В этом случае вычисляется максимальная погрешность результата.
С учетом вышесказанного
но ε = D А / А
Данное выражение является формулой относительной погрешности величины А
при косвенных измерениях, оно определяет относительную погрешность искомой величины, через относительные погрешности, измеряемых величин. Вычислив по формуле (В.11) относительную погрешность,
определяют абсолютную погрешность величины А
как произведение относительной погрешности на рассчитанное значение А
т. е.
DА = εА , (В.12)
где ε выражено безразмерным числом.
Итак, относительную и абсолютную погрешности косвенно измеряемой величины следует рассчитать в такой последовательности:
1) берется формула, по которой рассчитывается искомая величина (расчетная формула);
2) берется натуральный логарифм от обеих частей расчетной формулы;
3) вычисляется полный дифференциал натурального логарифма искомой величины;
4) в полученном выражении производятся все возможные алгебраические преобразования и упрощения;
5) символ дифференциалов d заменяется на символ погрешности D, при этом все отрицательные знаки перед дифференциалами независимых переменных заменяются на положительные (величина относительной погрешности будет максимальной) и получается формула относительной погрешности;
6) рассчитывается относительная погрешность измеряемой величины;
7) по рассчитанной относительной погрешности вычисляется абсолютная погрешность косвенного измерения по формуле (В.12).
Рассмотрим несколько примеров расчета относительной и абсолютной погрешностей при косвенном измерении.
1. Искомая величина А связана с непосредственно измеряемыми величинами х , у , z соотношением
где a и b – постоянные величины.
2. Возьмем натуральный логарифм от выражения (В.13)
3. Вычислим полный дифференциал натурального логарифма искомой величины А , то есть дифференцируем (В.13)
4. Производим преобразования. Учитывая, что dа = 0, так как а = const, cos у /sin y = ctg y , получаем:
5. Заменим символы дифференциалов символами погрешностей и знак «минус» перед дифференциалом на знак «плюс»
6. Рассчитываем относительную погрешность измеряемой величины.
7. По рассчитанной относительной погрешности вычисляется абсолютная погрешность косвенного измерения по формуле (В.12), т. е.
Определяется длина волны желтого цвета спектральной линии ртути при помощи дифракционной решетки (используя принятую последовательность вычисления относительной и абсолютной погрешностей для длины волны желтого цвета).
1. Длина волны желтого цвета в этом случае определяется по формуле:
где С – постоянная дифракционной решетки (косвенно измеряемая величина); φ ж – угол дифракции желтой линии в данном порядке спектра (непосредственно измеряемая величина); K ж – порядок спектра, в котором производилось наблюдение.
Постоянная дифракционной решетки вычисляется по формуле
где K з – порядок спектра зеленой линии; λ з – известная длина волны зеленого цвета (λ з – постоянная); φ з – угол дифракции зеленой линии в данном порядке спектра (непосредственно измеряемая величина).
Тогда с учетом выражения (В.15)
(В.16)
где K
з, K
ж – наблюдаемые, которые считаются постоянными; φ з, φ ж – являют-
ся непосредственно измеряемыми величинами.
Выражение (В.16) – расчетная формула длины волны желтого цвета, определяемой при помощи дифракционной решетки.
4. dK з = 0; dK ж = 0; dλ з = 0, так как K з, K ж и λ з – постоянные величины;
Тогда 
5. 
(В.17)
где Dφ ж, Dφ з – абсолютные погрешности измерения угла дифракции желтой
и зеленой линий спектра.
6. Рассчитываем относительную погрешность длины волны желтого цвета.
7. Вычисляем абсолютную погрешность длины волны желтого цвета:
Dλ ж = ελ ж.
Загрузка...