Расчёт погрешностей при обработке результатов эксперимента

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 косвенныхизмерений). 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 таблице.

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 таблицы):

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 5  непосредственных 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.

Решение.

По формуле (1) найдем средние значения величин   и  :

Вычисляем  :

            Находим в таблице при доверительной вероятности 0,95 и числе степеней свободы   значение  . По формуле (2) рассчитываем погрешности средних значений величин   и  :

С использованием формулы (3) находим относительную погрешность среднего значения величины  :

Найдем абсолютную погрешность среднего значения величины  :

Запишем результат: