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小計算器/測量不確定度初學者指南計算器的使用


  在用計算器和電腦計算不確定度時,你必須瞭解如何在使用中避免出錯。

  13.1計算器的按鍵

  (x杠)鍵給的是你輸入計算器儲存的數值的平均值(算術平均值)

  (西格瑪n減一)鍵(有時用符號s)給的是在你有限樣本基礎上的"總體"估計的標準偏差。(實際上,任何一組讀數都是可能讀數的"無限總體"中的一個小樣本。),或者s,是標準偏差的估計值,這對本指南7.11節的"A類評定"在計算不確定度時是你應當採取的。

  你的計算器可能還會有標有的鍵。對不確定度的估算你通常不會使用:給出的是樣本本身的標準偏差,並不給出對你想要表徵的較大"總體"的"估計值"。對非常多的讀數。就非常接近。但是對只有適度次數讀數的實際測量情況,你就用不著。

  13.2計算器和軟體的誤差

  計算器能出錯?!實際上,在處理非常長的數位時,它們有時會給出意想不到的結果。例如有的計算器給出如下結果:

  0.0 0002X0.000 0002=0(確實如此)

  而正確答案是0.000 000 000 0004。(當然,這最好表述成。)甚

  至電腦也會由這種修約誤差的缺點。為了識別這個問題,就應通過典型的"手"算來檢查資料表格軟體已正式這兩種方法是否相吻合。要避免這些修約方面的問題,在你的計算中採用"變換"數字是切實可行的(這種換算有時也叫比例換算或數位編碼)。

  13.3比例換算例4所示是如何做比例換算來避免軟體和計算器的誤差,而且在你計算中如果沒有計算器,如何使你運算更容易。

  

  例4對1.000 000 03,1.000 000 06和1.000 000 12求平均值和估計的標準偏差。

  對全部數值的計算,你可以求3、6、12的平均值(平均值為7),然後再導出原數值的平均值為1.000 000 07。

  逐步過程:你從1.000 000 03、1.000 000 06、1.000 000 12都減去整數1,得到

  0.000 000 03 0.000 000 06 0.000 000 12

  然後乘以100 000 000()把整個計算成為整數運算,即

  3 6 12

  去平均值 接著反過來,把該平均值除以,即

  7/100 000 000=0.000 000 07

  再加上1,既有1.000 000 07

  按類似的方法用"比例運算"來計算估計的標準偏差。換算數據如前:

  3 6 12

  去平均值

  

  接著反過來,把該平均值除以,即

  7/100 000 000=0.000 000 07

  再加上1,既有1.000 000 07

  按類似的方法用"比例運算"來計算估計的標準偏差。換算數據如前:

  3 6 12

  並有換算的平均值7。

  用計算器或按如下的前述公式(見3.6節)來求估計的標準偏差:

  

  求每一個數與平均值之差,既有

  -4 -1 5

  對每一個差值求平方,既有

  16 1 25

  求合併除以n-1,即

  

  取平方根,既有

  =4.6(取到一位小數)

  然後將此結果(4.6)換算回原比例,得到估計的標準偏差為0.000 000 046。(注意,這不是1.000 000 046,因為移位元數字組的標準偏差是不變的。)

  

  

  13.4數字修約

  計算器和資料表格軟體都能對答案給到許多位小樹。對結果的修約有一些推薦的做法:

  

  對計算值採用修約到有意義位次。測量結果的不確定度可能規定你應報告到多少數位。例如,假設你的測量結果的不確定度是到小數點第一位,那麼測量結果也應該表述到小數點一位,例如:20.1cm±0.2cm

  

  使你的計算至少到比你最重要求得有效數字多一位。在你在做乘或除,或者更複雜的計算時,要意識到你需要用多少位元有效數。

  

  對數值的修約應在計算的最終進行,以避免有修約誤差。舉例來說,如果對2.346在計算中早一步就修約到2.35,那麼後來就可能修約到2.4。但如果在整個運算中都用2.346,那麼在最終就會正確的修約到2.3。

  

  雖然計算結果最終修約乘或進或舍,這取決於最接近的數位*,但對不確定度修約的規則是與此不同的。對最終不確定度的修約都是尾數進位,而不是舍去。

  

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