Náhodné (statistické) chyby přímých měření

Podobné dokumenty
Náhodné chyby přímých měření

Úvod do práce v laboratoři

Chyby měření 210DPSM

10. cvičení z PST. 5. prosince T = (n 1) S2 X. (n 1) s2 x σ 2 q χ 2 (n 1) (1 α 2 ). q χ 2 (n 1) 2. 2 x. (n 1) s. x = 1 6. x i = 457.

Náhodná veličina a rozdělení pravděpodobnosti

Normální (Gaussovo) rozdělení

Někdy lze výsledek pokusu popsat jediným číslem, které označíme X (nebo jiným velkým písmenem). Hodíme dvěma kostkami jaký padl součet?

Výběrové charakteristiky a jejich rozdělení

I. D i s k r é t n í r o z d ě l e n í

p(x) = P (X = x), x R,

Praktická statistika. Petr Ponížil Eva Kutálková

Všechno, co jste chtěli vědět z teorie pravděpodobnosti, z teorie informace a

KGG/STG Statistika pro geografy

Vybraná rozdělení náhodné veličiny

NÁHODNÁ VELIČINA. 3. cvičení

Diskrétní náhodná veličina. November 12, 2008

Normální (Gaussovo) rozdělení

Téma 2: Pravděpodobnostní vyjádření náhodných veličin

Charakterizují kvantitativně vlastnosti předmětů a jevů.

Základy teorie pravděpodobnosti

2 Zpracování naměřených dat. 2.1 Gaussův zákon chyb. 2.2 Náhodná veličina a její rozdělení

Určete zákon rozložení náhodné veličiny, která značí součet ok při hodu a) jednou kostkou, b) dvěma kostkami, c) třemi kostkami.

Náhodná proměnná. Náhodná proměnná může mít rozdělení diskrétní (x 1. , x 2. ; x 2. spojité (<x 1

Matematika III. 4. října Vysoká škola báňská - Technická univerzita Ostrava. Matematika III

Jiří Neubauer. Katedra ekonometrie, FVL, UO Brno kancelář 69a, tel

Pravděpodobnost a aplikovaná statistika

Úvod do problematiky měření

Dobývání znalostí. Doc. RNDr. Iveta Mrázová, CSc. Katedra teoretické informatiky Matematicko-fyzikální fakulta Univerzity Karlovy v Praze

Cvičení ze statistiky - 5. Filip Děchtěrenko

Diskrétní náhodná veličina

Téma 2: Pravděpodobnostní vyjádření náhodných veličin

Úvod do teorie měření. Eva Hejnová

( + ) ( ) f x x f x. x bude zmenšovat nekonečně přesný. = derivace funkce f v bodě x. nazýváme ji derivací funkce f v bodě x. - náš základní zápis

KGG/STG Statistika pro geografy

MATEMATICKÁ STATISTIKA. Katedra matematiky a didaktiky matematiky Technická univerzita v Liberci

P13: Statistické postupy vyhodnocování únavových zkoušek, aplikace normálního, Weibullova rozdělení, apod.

Téma 22. Ondřej Nývlt

Určujeme neznámé hodnoty parametru základního souboru. Pomocí výběrové charakteristiky vypočtené z náhodného výběru.

EXPERIMENTÁLNÍ MECHANIKA 2 Přednáška 5 - Chyby a nejistoty měření. Jan Krystek

Úvod do teorie měření. Eva Hejnová

Náhodná veličina Číselné charakteristiky diskrétních náhodných veličin Spojitá náhodná veličina. Pravděpodobnost

ÚSTAV MATEMATIKY A DESKRIPTIVNÍ GEOMETRIE. Matematika 0A4. Cvičení, letní semestr DOMÁCÍ ÚLOHY. Jan Šafařík

Analýza dat na PC I.

Posouzení přesnosti měření

Fyzikální korespondenční seminář MFF UK

Úvod do teorie měření. Eva Hejnová

Pravděpodobnost a statistika, Biostatistika pro kombinované studium. Jan Kracík

8 Střední hodnota a rozptyl

Inovace bakalářského studijního oboru Aplikovaná chemie

5. Náhodná veličina. 2. Házíme hrací kostkou dokud nepadne šestka. Náhodná veličina nabývá hodnot z posloupnosti {1, 2, 3,...}.

2. Základní typy dat Spojitá a kategoriální data Základní popisné statistiky Frekvenční tabulky Grafický popis dat

4. cvičení 4ST201. Pravděpodobnost. Obsah: Pravděpodobnost Náhodná veličina. Co je třeba znát z přednášek

Základy biostatistiky II. Veřejné zdravotnictví 3.LF UK - II

STATISTICKÉ ODHADY Odhady populačních charakteristik

JAK MODELOVAT VÝSLEDKY NÁH. POKUSŮ? Martina Litschmannová

PRAVDĚPODOBNOST A STATISTIKA

STATISTICKÉ ZJIŠŤOVÁNÍ

Limitní věty teorie pravděpodobnosti. Jiří Neubauer. Katedra ekonometrie, FVL, UO Brno kancelář 69a, tel

Odhad parametrů N(µ, σ 2 )

Tomáš Karel LS 2012/2013

Inferenční statistika - úvod. z-skóry normální rozdělení pravděpodobnost rozdělení výběrových průměrů

Rozdělení náhodné veličiny. Distribuční funkce. Vlastnosti distribuční funkce

STANOVENÍ SPOLEHLIVOSTI GEOTECHNICKÝCH KONSTRUKCÍ. J. Pruška, T. Parák

Charakterizace rozdělení

Chyby měřidel a metody měření vybraných fyzikálních veličin

Test z teorie VÝBĚROVÉ CHARAKTERISTIKY A INTERVALOVÉ ODHADY

Induktivní statistika. z-skóry pravděpodobnost

Charakteristika datového souboru

Jevy a náhodná veličina

1 Náhodný výběr a normální rozdělení 1.1 Teoretická a statistická pravděpodobnost

MATEMATICKÁ STATISTIKA - XP01MST

7. Rozdělení pravděpodobnosti ve statistice

Náhodná veličina a její charakteristiky. Před provedením pokusu jeho výsledek a tedy ani sledovanou hodnotu neznáte. Proto je proměnná, která

8. Normální rozdělení

Výpočet pravděpodobností

Přednáška. Diskrétní náhodná proměnná. Charakteristiky DNP. Základní rozdělení DNP

Statistické vyhodnocování ankety pilotního projektu Kvalita výuky na Západočeské univerzitě v Plzni

Pravděpodobnost a statistika (BI-PST) Cvičení č. 9

a způsoby jejího popisu Ing. Michael Rost, Ph.D.

PRAVDĚPODOBNOST A STATISTIKA

PRAVDĚPODOBNOST A STATISTIKA aneb Krátký průvodce skripty [1] a [2]

E(X) = np D(X) = np(1 p) 1 2p np(1 p) (n + 1)p 1 ˆx (n + 1)p. A 3 (X) =

Úloha 5: Spektrometrie záření α

15. T e s t o v á n í h y p o t é z

8.1. Definice: Normální (Gaussovo) rozdělení N(µ, σ 2 ) s parametry µ a. ( ) ϕ(x) = 1. označovat písmenem U. Její hustota je pak.

Pravděpodobnost a statistika (BI-PST) Cvičení č. 4

Návrh a vyhodnocení experimentu

ROZDĚLENÍ NÁHODNÝCH VELIČIN

Intervalové odhady. Interval spolehlivosti pro střední hodnotu v N(µ, σ 2 ) Interpretace intervalu spolehlivosti. Interval spolehlivosti ilustrace

Zápočtová práce STATISTIKA I

Biostatistika Cvičení 7

Úvod do teorie odhadu. Ing. Michael Rost, Ph.D.

Pravděpodobnostní rozdělení

ANALÝZA DAT V R 3. POPISNÉ STATISTIKY, NÁHODNÁ VELIČINA. Mgr. Markéta Pavlíková Katedra pravděpodobnosti a matematické statistiky MFF UK

Intervalové odhady. Interval spolehlivosti pro střední hodnotu v N(µ, σ 2 ) Interpretace intervalu spolehlivosti. Interval spolehlivosti ilustrace

3/8.4 PRAKTICKÉ APLIKACE PŘI POUŽÍVÁNÍ NEJISTOT

Transkript:

Náhodné (statistické) chyby přímých měření Hodnoty náhodných chyb se nedají stanovit předem, ale na základě počtu pravděpodobnosti lze zjistit, která z možných naměřených hodnot je více a která je méně pravděpodobná. Dva základní problémy: 1) Jakým způsobem ze souboru naměřených hodnot zjistit výsledek měření, který se nejvíce blíží správné (tj. skutečné) hodnotě měřené veličiny? 2) Jakým způsobem charakterizovat odchylku výsledku měření od správné hodnoty, tj. jak určit velikost náhodné chyby?

Náhodná veličina (n. v.) Na soubory naměřených hodnot pohlížíme jako na soubory náhodných veličin, které se řídí statistickými zákony a výsledcích lze vyslovit pouze pravděpodobnostní výroky. Náhodnou veličinu lze charakterizovat pravděpodobností, s jakou nabývá svých hodnot. N. v. může být buď spojitá nebo nespojitá. Příklad hustota pravděpodobnosti 0,004 0,003 0,002 0,001 0,000 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 hodnota Měření délky: 13,3 cm; 13,2 cm; 13,1 cm; 13,2 cm; 13,0 cm. Jednotlivé naměřené délky považuje za náhodné (spojité) veličiny (délka může nabývat libovolné hodnoty).

Opakování počtu pravděpodobnosti

Klasická definice pravděpodobnosti: Pravděpodobnost Počet případů příznivých Počet případů možných Jakých hodnot může pravděpodobnost daného jevu nabývat? Příklad Jaká je pravděpodobnost, že při hodu hrací kostkou padne číslo 6?

Statistická definice pravděpodobnosti n krát opakujeme daný experiment m krát zaznamenáme úspěch (příznivý případ). Pravděpodobnost lim n m n Příklad Hodíme desetkrát hrací kostkou. Padnou tato čísla: 5, 4, 1, 6, 5, 4, 2, 6, 3, 4 Odhadněte pravděpodobnost toho, že padne číslo 6.

Nespojitá náhodná veličina Může nabývat jen konečně mnoha nebo spočetně mnoha hodnot. Jedná se často o hodnoty celočíselné (např. počet impulzů, počet částic, ) získaných čítáním. Předem zadané hodnoty x nabývá s pravděpodobností P(x).

Měříme opakovaně n krát za shodných podmínek stejnou veličinu. Danou hodnotu x naměříme m krát. Číslu m říkáme četnost měřené hodnoty x. Tento graf nazýváme histogram

Při měření intenzity pozadí ionizujícího záření byly naměřeny následující hodnoty: číslo měření intenzita (imp/10s) 1 3 Nakreslete histogram: graf četnosti intenzity jako funkce měřené hodnoty 2 4 3 2 4 3 5 4 6 2 7 4 8 2 9 3 četnost 5 4 3 2 1 takto kreslíme četnost hodnoty 2 10 2 0 1 2 3 4 5 intenzita (imp/10s)

Za jakých podmínek bude relativní četnost rovna pravděpodobnosti naměření dané hodnoty? Relativní četnost je definována jako m n Pravděpodobnost je definována jako lim n m n

Graf závislosti pravděpodobnosti na naměřené hodnotě nazýváme rozdělení diskrétní náhodné proměnné. pravděpodobnost hodnota Pravděpodobnost naměření hodnoty x i budeme značit P xi

Jaká je hodnota výrazu: všechna i P x i

Doposud jsme se věnovali diskrétní náhodné proměnné. To je taková proměnná, která nabývá jen určitých hodnot. (Př.: výsledek hodu kostkou, posloupnost čísel při tahu sportky apod.) Fyzikální veličiny však obvykle mohou nabývat libovolné hodnoty. Náhodná proměnná spojená s takovou fyzikální veličinou bude tzv. spojitá (spojitá n. v.). Spojitá náhodná veličina může nabývat hodnot, které se od sebe libovolně málo liší, ale žádné dvě nejsou stejné. Toto je však pouze teorie. Ve skutečnosti je každá měřená hodnota diskrétní diskretizaci provádí měřící přístroj. Tento digitální voltmetr naměří hodnoty 1,295, 1,296 nebo 1,297 ale nic mezi tím.

Přestože se ve skutečnosti se spojitými náhodnými proměnnými (veličinami) při měření v praxi nesetkáme, používají se spojitá rozdělení častěji lépe se s nimi počítá s využitím aparátu matematické analýzy. Formalismus popisu náhodných proměnných je ale odlišný. pravděpodobnost hodnota hustota pravděpodobnosti 0,004 0,003 0,002 0,001 0,000 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 hodnota Jaká je pravděpodobnost, že naměříme hodnotu frekvence elektromagnetického záření 2,128574443445098853567899653GHz? Přesně!

Pravděpodobnost naměření určité konkrétní hodnoty spojité náhodné proměnné nemá smysl, je vždy rovna nule. Smysl má pouze pravděpodobnost naměření hodnoty v určitém intervalu. Definujeme tzv. hustotu pravděpodobnosti px ( ) dp dx

Analogie hustota (hmotnosti) a hustota pravděpodobnosti hustota (hmotnosti) m V průměrná hustota nehomogenního kusu látky o hmotnosti m a objemu V Pokud se hustota tělesa mění místo od místa (těleso není homogenní), má smysl definovat lokální hustotu: dm dv Hustota v bodě = hmotnost nekonečně malého kousku děleno objemem tohoto kousku.

Známe-li střední hustotu, můžeme hmotnost tělesa spočítat takto: m V Známe-li lokální hustotu, hmotnost tělesa se spočítá takto: m V dv Pravděpodobnosti naměření hodnoty x z intervalu (x 1, x 2 ) se spočítá jako: P( x, x ) p( x) dx 1 2 x x 2 1 hustota pravděpodobnosti 0,004 0,003 0,002 0,001 0,000 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 hodnota

Čemu je roven výraz: p( x) dx? hustota pravděpodobnosti 0,004 0,003 0,002 0,001 0,000 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 hodnota

Úkol: Seřaďte podle velikosti od nejmenšího po největší 1) pravděpodobnost naměření hodnoty v intervalu (50,100) 2) pravděpodobnost naměření hodnoty v intervalu (100,150) 3) pravděpodobnost naměření hodnoty v intervalu (250,300) p(x) P( x1, x2) p( x) dx x x 2 1 0 50 100 150 200 250 300 350 400 x

Základními parametry rozdělení jsou: diskrétní rozdělení spojité rozdělení střední hodnota n Px x ( ) i i i 1 D x p x dx n počet všech možností D definiční obor rozptyl (disperze) n D Px ( xi ) i 1 i 2 2 D ( x ) p( x) dx D

Úkol: Které rozdělení má větší střední hodnotu (černé nebo červené)? hustota pravděpodobnosti 0,006 0,005 0,004 0,003 0,002 0,001 D x p( x) dx 0,000 0 200 400 600 800 1000 hodnota

Úkol: Které rozdělení má větší disperzi (černé nebo červené)? 0,006 2 D ( x ) p( x) dx D hustota pravděpodobnosti 0,005 0,004 0,003 0,002 0,001 0,000 0 200 400 600 800 1000 hodnota Proč je červené rozdělení nižší než černé?

Střední hodnota určuje polohu rozdělení na ose x a disperze jeho šířku. Disperze však nemůže být přímo jakkoliv definovanou šířkou nemá vhodnou jednotku. n 2 2 x ( ) i i i 1 D D P x D ( x ) p( x) dx Proto definujeme tzv. směrodatnou odchylku σ vztahem: D 0,006 hustota pravděpodobnosti 0,005 0,004 0,003 0,002 0,001 0,000 0 200 400 600 800 1000 hodnota

Intervaly spolehlivosti Hledáme velikost intervalu pro zvolenou hodnotu pravděpodobnosti, přičemž předpokládáme, že máme naměřeno nekonečně mnoho hodnot. Interval, jemuž přísluší pravděpodobnost P, nazýváme P-procentní interval spolehlivosti (také konfidenční interval). (μ kσ, μ kσ), kde k 0.

Normální (Gaussovo) rozdělení P( x1, x2) p( x) dx p( x) x x 2 1 1 e 2 ( x ) 2 2 2 střední hodnota: µ disperze: D=σ 2 σ je směrodatná odchylka Je nejčastější používaný model rozdělení náhodné veličiny. 0,000 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Používá se pro náhodné jevy, které vznikly složením vlivů, které jsou nezávislé, je jich velký počet a každý z těchto vlivů ovlivňuje skutečnou hodnotu n. v. jen malým příspěvkem. Přímo měřené fyzikální veličiny zpravidla těmto předpokladům vyhovují (u přesných měření je třeba nejdříve vyšetřit, jakým rozdělením pravděpodobnosti lze n. v. popsat). hustota pravděpodobnosti 0,004 0,003 0,002 0,001 hodnota

Jak souvisí σ s tvarem křivky? µ = 500 σ = 100 µ = 300 σ = 100 hustota pravděpodobnosti 0,004 0,003 0,002 0,001 0,000 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 hodnota hustota pravděpodobnosti 0,004 0,003 0,002 0,001 0,000 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 hodnota 0,0025 µ = 500 σ = 200 hustota pravděpodobnosti 0,0020 0,0015 0,0010 0,0005 0,0000 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 hodnota

Inflexní bod je bod na křivce, ve kterém křivost mění znaménko z kladného na záporné nebo ze záporného na kladné. Křivka se mění z konkávní (kladná křivost) na konvexní (záporná křivost) nebo obráceně. µ = 500 σ = 100 hustota pravděpodobnosti 0,004 0,003 0,002 0,001 0,000 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 hodnota µ µ - σ µ + σ inflexní bod

µ = 500 σ = 100 hustota pravděpodobnosti 0,004 0,003 0,002 0,001 0,000 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 hodnota µ µ - σ µ + σ inflexní bod ( x ) 1 p x dx e dx 2 2 2 ( ) 0,68 2 Měříme-li veličinu, která se řídí normálním rozdělením se střední hodnotou µ a směrodatnou odchylkou σ, je pravděpodobnost toho, že při dalším měření naměříme hodnotu z intervalu (µ - σ, µ + σ) rovna 68%.

Úkol: Odhadněte, jaká je pravděpodobnost naměření hodnoty z intervalu (µ - 3σ, µ + 3σ). hustota pravděpodobnosti 0,004 0,003 0,002 0,001 0,000 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 hodnota µ µ - σ µ + σ inflexní bod

Definujeme tzv. krajní (mezní) chybu vztahem: k = 3.σ Pravděpodobnost naměření hodnoty v intervalu (µ - 3σ, µ + 3σ) (tzv. 3σ interval) je rovna 99,7 %. krajní (mezní) chyba = jistota

Definujeme tzv. pravděpodobnou chybu pro P = 0,5 (= 50 %): k = 2/3 Pravděpodobnost naměření hodnoty v intervalu (µ - 2/3σ, µ + 2/3σ) je rovna 50 % (tento interval vymezuje právě polovinu obsahu plochy pod normální křivkou). Při běžných měřeních často stačí pracovat s tímto intervalem.

Hodnoty čísla k pro pravděpodobnost P při různém počtu měření N

Vlastnosti spojité n. v., která se řídí normálním rozdělením

Odhady střední hodnoty a směrodatné odchylky pro konečný počet měření Měříme náhodnou veličinu x a chceme určit odhad její střední hodnoty a chyby, tedy výraz: x (hodnota chyba) jednotky x ( x s x ) Opakujeme n krát měření za stejných podmínek, odhad střední hodnoty získáme jako: 1 n x x aritmetický průměr i n i 1 a odhad směrodatné odchylky (chyby) n jednoho měření 2 ( xi x) i 1 sx n 1

Příklad Při měření intenzity pozadí ionizujícího záření byly naměřeny následující hodnoty: číslo měření Intenzita Vypočtěte odhad střední hodnoty a směrodatné odchylky. 1 3,0 2 4,0 3 3,0 4 3,0 5 4,0 s x n i 1 ( x x) i n 1 2

Příklad Při měření intenzity pozadí ionizujícího záření byly naměřeny následující hodnoty: číslo měření intenzita (imp/10s) 1 3 2 4 Vypočtěte odhad střední hodnoty a směrodatné odchylky. Řešení 3 3 4 3 5 4 Vlastnosti aritmetického průměru

Směrodatná odchylka při malém počtu měření Při malém počtu měření se spojitá n. v. neřídí normálním rozdělením, ale tzv. Studentovým neboli t-rozdělením Křivka je plošší (tím více, čím nižší je N) pro dosažení stejné psti P výskytu naměřené hodnoty v nějakém intervalu symetrickém kolem μ je třeba u t-rozdělení zvolit interval (μ kσ, μ + kσ) širší.

Kritéria pro vyloučení hrubých chyb měření Připomeňme si: Pravděpodobnost naměření hodnoty v intervalu (µ - 3σ, µ + 3σ) je rovna (tzv. 3σ interval) je 99,7 % (= jistota) krajní (mezní) chyba

Směrodatná odchylka jednoho měření však není pro celý soubor N měření dostačující. Pokud bychom znovu provedli N měření, dospěli bychom k jiné hodnotě arit. průměru (i když je střední hodnota μ stejná). x 1 n xi n i 1 s x n i 1 ( x x) i nn ( 1) 2 x ( x s ) x

Shrnutí postup při zpracování hodnot získaných přímým měřením

Cvičení 1. Určení střední hodnoty a chyby při malém počtu měření Posuvným měřidlem byly naměřeny tyto hodnoty délky: 3,12 cm; 3,00 cm; 3,06 cm. Předpokládejte, že měřené hodnoty jsou zatíženy jen náhodnými chybami. Vypočtěte odhad střední hodnoty a směrodatnou odchylku jednoho měření a aritmetického průměru. Určete interval spolehlivosti pro P= 0,995 a P = 0,5. Vypočtěte relativní chyby.

Cvičení 2. Určení střední hodnoty a chyby při malém počtu měření V tabulce jsou zaznamenány naměřené hodnoty hmotnosti. Předpokládejte, že měřené hodnoty jsou zatíženy jen náhodnými chybami. Vypočtěte odhad střední hodnoty a směrodatnou odchylku jednoho měření a aritmetického průměru. Určete interval spolehlivosti pro P = 0,999, P = 0,995 a P = 0,5. Vypočtěte relativní chyby.

Cvičení 3. Určení střední hodnoty a chyby při malém počtu měření - použití přísnějšího kritéria pro vyloučení hrubých chyb

Cvičení 3. Určení střední hodnoty a chyby při malém počtu měření - použití přísnějšího kritéria pro vyloučení hrubých chyb V tabulce jsou zaznamenány naměřené hodnoty hmotnosti. Předpokládejte, že měřené hodnoty jsou zatíženy jen náhodnými chybami. Vypočtěte odhad střední hodnoty a směrodatnou odchylku jednoho měření a aritmetického průměru. Pro vyloučení hrubých chyb užijte t-kritérium.

Cvičení 4. Určení střední hodnoty a chyby při dostatečném počtu měření V tabulce jsou zaznamenány naměřené hodnoty průměru drátu (průměr drátu byl měřen na deseti různých místech, vždy ve dvou navzájem kolmých směrech). Předpokládejte, že měřené hodnoty jsou zatíženy jen náhodnými chybami), měření bylo provedeno mikrometrem. Vypočtěte odhad střední hodnoty a směrodatnou odchylku jednoho měření a aritmetického průměru. Určete interval spolehlivosti pro P = 0,997 a P = 0,5. Vypočtěte relativní chyby.