Chyby nepřímých měření

Podobné dokumenty
Chceme určit hodnoty parametrů závislosti p 1,.., p n a to

Jak zpracovávat data

Pravidla pro tvorbu tabulek a grafů v protokolech z laboratoří fyziky

Optimální trvanlivost nástroje

Regresní a korelační analýza

Statistika. Regresní a korelační analýza Úvod do problému. Roman Biskup

Odhady Parametrů Lineární Regrese

1 Tyto materiály byly vytvořeny za pomoci grantu FRVŠ číslo 1145/2004.

ZÁKLADY FYZIKÁLNÍCH MĚŘENÍ FJFI ČVUT V PRAZE. Úloha 5: Měření tíhového zrychlení

Regresní a korelační analýza

10. Předpovídání - aplikace regresní úlohy

MĚŘENÍ STATISTICKÝCH ZÁVISLOSTÍ


Úvod do teorie měření. Eva Hejnová

Polynomy a interpolace text neobsahuje přesné matematické definice, pouze jejich vysvětlení

Regresní a korelační analýza

Kapitola Hlavička. 3.2 Teoretický základ měření

Aplikovaná matematika I

3. Vypočítejte chybu, které se dopouštíte idealizací reálného kyvadla v rámci modelu kyvadla matematického.

Téma je podrobně zpracováno ve skriptech [1], kapitola 6, strany

SOLVER UŽIVATELSKÁ PŘÍRUČKA. Kamil Šamaj, František Vižďa Univerzita obrany, Brno, 2008 Výzkumný záměr MO0 FVT

Oddělení fyzikálních praktik při Kabinetu výuky obecné fyziky MFF UK

Lineární regrese. Komentované řešení pomocí MS Excel

Stanovení manganu a míry přesnosti kalibrace ( Lineární kalibrace )

LINEÁRNÍ REGRESE. Lineární regresní model

Regresní analýza 1. Regresní analýza

Tomáš Karel LS 2012/2013

TÍHOVÉ ZRYCHLENÍ TEORETICKÝ ÚVOD. 9, m s.

Interpolace pomocí splajnu

odpovídá jedna a jen jedna hodnota jiných

3.5 Ověření frekvenční závislosti kapacitance a induktance

Náhodné chyby přímých měření

Aproximace a vyhlazování křivek

4. Aplikace matematiky v ekonomii

Měření závislosti statistických dat

Parametry hledáme tak, aby součet čtverců odchylek byl minimální. Řešením podle teorie je =

UNIVERZITA PARDUBICE. 4.4 Aproximace křivek a vyhlazování křivek

MÍRY ZÁVISLOSTI (KORELACE A REGRESE)

CVIČNÝ TEST 15. OBSAH I. Cvičný test 2. Mgr. Tomáš Kotler. II. Autorské řešení 6 III. Klíč 15 IV. Záznamový list 17

2. Numerické výpočty. 1. Numerická derivace funkce

You created this PDF from an application that is not licensed to print to novapdf printer (

Numerické metody zpracování výsledků

Chyby měření 210DPSM

Kalibrace a limity její přesnosti

Úvod do teorie měření. Eva Hejnová

MATEMATIKA 5. TŘÍDA. C) Tabulky, grafy, diagramy 1 - Tabulky, doplnění řady čísel podle závislosti 2 - Grafy, jízní řády 3 - Magické čtverce

MATURITNÍ TÉMATA Z MATEMATIKY

7. Funkce jedné reálné proměnné, základní pojmy

Úvod do teorie měření. Eva Hejnová

GEODETICKÉ VÝPOČTY I.

Matematika PRŮŘEZOVÁ TÉMATA

Fyzikální praktikum I

Úloha 1. Napište matici pro případ lineárního regresního spline vyjádřeného přes useknuté

Metoda nejmenších čtverců Michal Čihák 26. listopadu 2012

1. Změřte modul pružnosti v tahu E oceli z protažení drátu. 2. Změřte modul pružnosti v tahu E oceli a duralu nebo mosazi z průhybu trámku.

Maturitní otázky z předmětu MATEMATIKA

Vzorový protokol pro předmět Zpracování experimentu. Tento protokol by měl sloužit jako vzor pro tvorbu vašich vlastních protokolů.

INDUKTIVNÍ STATISTIKA

Regresní a korelační analýza

Tematický plán Obor: Informační technologie. Vyučující: Ing. Joanna Paździorová

POLYNOMICKÁ REGRESE. Jedná se o regresní model, který je lineární v parametrech, ale popisuje nelineární závislost mezi proměnnými.

Cvičení z matematiky - volitelný předmět

Učební plán 4. letého studia předmětu matematiky. Učební plán 6. letého studia předmětu matematiky

Mgr. Ladislav Zemánek Maturitní okruhy Matematika Obor reálných čísel

pracovní list studenta

Témata absolventského klání z matematiky :

Normální (Gaussovo) rozdělení

Střední škola automobilní Ústí nad Orlicí

MOMENT SETRVAČNOSTI 2009 Tomáš BOROVIČKA B.11

PRAVDĚPODOBNOST A STATISTIKA

ZKUŠEBNÍ PROTOKOLY. B1M15PPE / část elektrické stroje cvičení 1

Matematické modelování Náhled do ekonometrie. Lukáš Frýd

3 Bodové odhady a jejich vlastnosti

13.1. Úvod Cílem regresní analýzy je popsat závislost hodnot znaku Y na hodnotách

Měření modulů pružnosti G a E z periody kmitů pružiny

PRAKTIKUM I. Oddělení fyzikálních praktik při Kabinetu výuky obecné fyziky MFF UK. úloha č. 10 Název: Rychlost šíření zvuku. Pracoval: Jakub Michálek

Popisná statistika. Komentované řešení pomocí MS Excel

Cvičné texty ke státní maturitě z matematiky

STATISTICKÉ CHARAKTERISTIKY

2. Vyhodnoťte získané tloušťky a diskutujte, zda je vrstva v rámci chyby nepřímého měření na obou místech stejně silná.

Experimentální realizace Buquoyovy úlohy

Plánování experimentu

Pravděpodobnost v závislosti na proměnné x je zde modelován pomocí logistického modelu. exp x. x x x. log 1

LINEÁRNÍ REGRESE Komentované řešení pomocí programu Statistica

Neuronové časové řady (ANN-TS)

Maturitní témata profilová část

ANALÝZA VZTAHU DVOU SPOJITÝCH VELIČIN

EXPERIMENTÁLNÍ METODY I. 2. Zpracování měření

Mˇ eˇren ı ˇ cetnost ı (Poissonovo rozdˇ elen ı) 1 / 56

Úvod do teorie měření. Eva Hejnová

ÚLOHA 1. EXPONENCIÁLNÍ MODEL...2 ÚLOHA 2. MOCNINNÝ MODEL...7

Gymnázium Česká a Olympijských nadějí, České Budějovice, Česká 64, 37021

Fyzikální praktikum 1


Petr Hasil

MĚŘENÍ MOMENTU SETRVAČNOSTI Z DOBY KYVU

Maturitní témata z matematiky

Absolutní hodnota I. π = π. Předpoklady: = 0 S nezápornými čísly absolutní hodnota nic nedělá.

Měření tíhového zrychlení reverzním kyvadlem

Transkript:

nepřímé měření: Chyby nepřímých měření chceme určit veličinu z hodnot jiných veličin na základě funkční vztahu máme změřené veličiny pomocí přímých měření (viz. dříve) včetně chyb: x±σ x, y±σ y,... známe vztah pro hledanou veličinu w=f x, y,... chceme spočítat střední hodnotu a její chybu w= w x, y,... ±σ w x, y,..

Chyby nepřímých měření-příklad Příklad: určení tíhového zrychlení g pomocí kyvadla. přímo změřená délka kyvadla l přímo změřená doba kmity T funkční závislost pro tíhové zrychlení určení odhadované průměrné hodnoty g dosazení určení chyby průměru méně triviální,..

Chyby nepřímých měření-příklad Jakou změnu g vyvolá změna T nebo l? závisí na velikosti změny ΔT,Δl závisí na síle závislosti g na T a l., tj. derivaci Pro malé změny ΔT,Δl pak lze psát

Chyby nepřímých měření Obecně pro neznámou veličinu w=f x, y,... x±σ x, y±σ y,... výpočet chyby tudíž tj. chyby se sčítají v kvadrátech...

Pro jednoduché w(x,y) násobení konstantou: w x, y =k x, k-konstanta prosté násobení chyby chyba součtu(rozdílu) w x, y =x± y součet kvadrátů absolutních chyb

Pro jednoduché w(x,y) součin: w x, y =x y sčítání kvadrátu relativních chyb, platí i pro podíl chyba mocniny (odmocniny) g x, y =x k

Chyby nepřímých měření-příklad Zpět k příkladu s kyvadlem ze vzorce pro chybu podílu a mocniny silnější závislost na chybě T je vhodné měřit T s dvojnásobnou přesností než l T =T 1 T 2 Pozor při měření rozdíl dvou velkých čísel = malé číslo chyba: součet dvou chyb nárůst relativní chyby

Maximální odhad chyby Chceme rychle a bezpečně odhadnout chyby nadhodnocené chyby nevadí (většinou... ), podhodnocené vadí většinou před měřením pro odhad potřebné přesnosti namísto: použijeme: nebo: σ w = σ w = ( ) 2 w σx x 2 + ( ) 2 w σy y 2 +... w = w x x + w y y +... ( ) 2 w ( x) x 2 + ( ) 2 w ( y) y 2 +...

Nepřímá měření příklad Měření hustoty tělesa podle 1. Tabulka změřených hodnot 2. Vyloučení hrubých chyb 3. Výpočet průměrů a chyb přímých měření 4. Určení průměru počítané veličiny ρ= m =12.5480 g /cm3 V 5. Výpočet chyby podle vzorce pro podíl nepřímých měření σ ρ =0.122 g /cm 3 6. Zaokrouhlení ρ= m V m[g] V[cm^3] 131.2 10.32 130.7 10.62 130.0 10.58 129.8 9.98 130.6 10.46 130.8 10.70 průměr 130.5 10.40 chyba 0.2 0.1 Tab. 1: Hmotnost a objem tělesa

Zobrazení dat Důležité pro získání přehledu o provedeném měření: zjištění závislostí odhalení chyb možná chyba... změřená vlastnost

Zobrazení dat Dovoluje srovnání dat s teorií Lze vyvrátit předpovědi různých teorii - lze pouze s pomocí dat

Kreslení grafů Osy: - nezávislá proměnná na vodorovnou osu, závislá na svislou osu. - popis: symboly veličin společně s jejich rozměry. - vhodně zvolená stupnice - hlavní a vedlejší dělení. Hlavní dílky stupnice vyznačeny číselným údajem. Stručný popis pod grafem začínající Obr. číslo. Písmo popisu je shodné s typem a velikostí písma běžného textu. Graf by měl být dostatečně velký (min. formát A5).

Kreslení grafů Zobrazované hodnoty VŽDY s chybami - Pokud je hodnota 13.6 ± 0.2 pak je bod v 13.6 a vertikální úsečka od 13.4 13.8. - Chyby mohou být asymetrické Body zobrazujte pomocí vhodných grafických symbolů (kříže, kolečko, čtvereček, diamant,...) a nekótujte je.

Kreslení grafů Body nespojujte, ale prokládejte očekávanou závislostí. V případě, že je potřeba aby graf obsahoval více závislostí, odlište tyto závislosti různým typem čáry (plná, čárkovaná, čerchovaná,...) a různým typem grafického symbolu. Data a křivky musí být označeny uvnitř obrázku. U každé křivky musí být uvedeno, jakou závislost představuje.

Kreslení grafů Popisky dat mohou být umístěny uvnitř grafu, popřípadě v popisu obrázku. Graf musí být čitelný i v černo-bílé verzi.

S patne pr ı klady

Špatné příklady

Obrázky a schemata Obdobná pravidla jako pro grafy. Obzvláště: Dostatečná velikost Pokud je obrázek okopírovaný(obkreslený), pak je nutné uvést zdroj odkazem [číslo] do soupisu literatury.

Linearizace závislostí Pro větší přehlednost je lepší zobrazovat lineární závislosti. Lze pak snadno opticky zkontrolovat. Příklady: 1. měření závislosti T periody kyvadla na jeho délce L: L T = 2π g, lepší je zobrazovat T 2 = 4π 2 L g 2. závislost indexu lomu n na vlnové délce světla λ: n = A + B λ 2, lepší je zobrazovat n jako funkci 1 λ 2

Linearizace závislostí Často je měřená závislost exponenciální (např. radioaktivní rozpad) N = N 0 e t/λ linearizace pomocí logaritmu: log 10 N = log 10 N 0 t λ log 10 e Špatně rozlišitelná část grafu s malými hodnotami N. Jsou skutečně obě závislosti exponenciální? Stejná data v obou případech, exponenciální škála na ose y. Pozor - chyby také vypadají jinak, i když jsou stejné.

Ukázka Takhle to pak vypadá doopravdy :

Zpracování výsledků měření početními metodami Velmi často měříme závislost jedné veličiny na druhé. Měření - soubor hodnot {y i, x i } a příslušných chyb. Pokud je x i+1 x i = konstanta, pak je měření ekvidistantní. Hledáme vyjádření závislosti y = f(x). Cíle zpracování dat: Optimální využití naměřených dat (metoda postupných měření), Určování závislosti veličin - Grafické vyrovnání - Skupinová metoda - Metody početní interpolace (lineární interpolace, Newtonův vzorec).

Metoda postupných měření Příklad: modul pružnosti v tahu - měření prodloužení l vzorku = 1 F E S, l 0-původní délka, S-průřez, F -síla. l l 0 l = 1 n 1 [(l 2 l 1 ) + (l 3 l 2 ) +... + (l n l n 1 )] = ln l 1 n 1 pro vyšší přesnost lze použít l = 1 k [ ] ( lk+1 l n 1 k + l k+2 l 2 k +... + ln l k k ) = 1 l k 2 i 2 k ) l i i=1 i=1 Rozptyl měřených hodnot se vypočte z rozptylu průměru l dělením číslem k, tj. platí σ l 2 = 1 [ k 2 (lk+1 l 1 ) 2 + (l k+2 l 2 ) 2 +... + (l n l k ) 2] l k

Grafické vyrovnání Proložení závislosti y(x) = A + Bx daty. Metoda podle oka Přibližně polovina bodů by měla ležet nad a polovina pod přímkou. B = y x

Skupinová metoda Pro proložení y(x) = A + Bx potřebuji dva body = Rozdělím data do dvou skupin. Postupně graficky vytvářím těžiště. Pokud je závislost pouze y(x) = Bx, stačí pouze jedna skupina, další bod je [0, 0].

Skupinová metoda Pro proložení y(x) = A + Bx potřebuji dva body = Rozdělím data do dvou skupin. Postupně graficky vytvářím těžiště. Pokud je závislost pouze y(x) = Bx, stačí pouze jedna skupina, další bod je [0, 0].

Skupinová metoda Pro proložení y(x) = A + Bx potřebuji dva body = Rozdělím data do dvou skupin. Postupně graficky vytvářím těžiště. Pokud je závislost pouze y(x) = Bx, stačí pouze jedna skupina, další bod je [0, 0].

Skupinová metoda Pro proložení y(x) = A + Bx potřebuji dva body = Rozdělím data do dvou skupin. Postupně graficky vytvářím těžiště. Pokud je závislost pouze y(x) = Bx, stačí pouze jedna skupina, další bod je [0, 0].

Metoda nejmenších čtverců Neznámější vyrovnávací(fitovací) metoda. y 1 ± σ 1, y 2 ± σ 2,..., y n ± σ n - experimentální hodnoty získané v bodech x 1, x 2,..., x n p 1, p 2,..., p k - neznámé parametry funkce y = f(x, p 1,..., p k ). Proložení křivky y = f(x, p 1,..., p k ) daty nalezení parametrů p 1, p 2,..., p k tak, aby křivka co nejlépe přiléhala k naměřeným bodům [x i, y i ]. Potřebuji kriterium kvality vyrovnání.

Metoda nejmenších čtverců Odchylky: Podmínka: ɛ i = y i y(x i, p 1,..., p k ) χ 2 = i ɛ 2 i σi 2 = min. - residuální součet čtverců = χ2 p i = 0, i = 1, 2,..., k. Nejčastější regresní funkce: y = a + bx y = a + bx + cx 2 y = p 0 + p 1 x + + p r x r y = a + b x y = ae bx lineární regrese kvadratická regrese polynomiální regrese hyperbolická regrese exponenciální regrese

Lineární regrese Metoda nejmenších čtverců pro regresní funkci y = a + bx. χ 2 = i σ 2 i (y i a bx i ) 2 Podmínka minimalizace při σ i σ j = σ: χ 2 a χ 2 b = 2 σ 2 = 2 σ 2 n (y i a bx i) = 0. i=1 n x i (y i a bx i) = 0. i=1 z toho plyne: an + b x i = y i a x i + b x 2 i = x i y i

Lineární regrese Výsledné parametry: a = x 2 i yi x i xi y i n x 2 i ( x i ) 2 b = n x i y i x i yi n x 2 i ( x i ) 2 Výsledné chyby parametrů: xi σ a = σ y n x 2 i ( x i ) 2, n σ b = σ y n x 2 i ( x i ) 2, kde σ y = 1 n (y i a bx i ) n 1 2 i=1

Nelineární regrese Nelineární regresní funkce - není lineární v parametrech p i. Příklad: y = 1 a + bϕ(x) z = 1 y z = a + bϕ(x) y = ce bϕ(x) z = ln y z = a + bϕ(x); a = ln c

Kvalita fitu K vyjádření kvality výsledného vyrovnání se často používá χ 2 test: n χ 2 (y i a bx i ) 2 = i=1 Pro dobrý fit by mělo být χ 2 n k, tj. χ 2 /(n k) 1, kde n k =počet měření - počet parametrů... počet stupňů volnosti. Pokud je χ 2 /(n k) > 1, pak proložená závislost nevystihuje změřená data. Pokud je χ 2 /(n k) < 1, pak jsme zvolili funkci s příliš mnoho parametry. Přesnost proložení neodpovídá chybám měření. σ 2 i

Kvalita fitu

Kvalita fitu

Kvalita fitu

Poznámky Další metody regrese: - minimalizace absolutní odchylky - maximum likelihood(bayesovské metody) - metoda momentů Nejčastěji používané programy: - MINUIT, ROOT, PAWm - GNUplot - lze částečně i v Excelu

Interpolace vs. extrapolace Interpolace - určení křivky mezi měřenými body Extrapolace - předpověď pro oblast mimo prováděné měření